Los sistemas de “peine” láser del NIST ahora miden todos los gases de impresión invernadero primarios en el donaire

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Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han actualizado su instrumento de peine de frecuencia láser para medir simultáneamente tres gases de efecto invernadero en el aire: óxido nitroso, dióxido de carbono y vapor de agua, además de los principales contaminantes del aire, ozono y monóxido de carbono.

Combinada con una versión anterior del sistema de medición de metano, la tecnología de doble peine del NIST ahora es capaz de detectar los cuatro gases de efecto invernadero primarios, lo que podría ayudar a comprender y monitorear las emisiones de este calor que atrapa los gases implicados en el cambio climático. El nuevo sistema de peine también puede ayudar a evaluar la calidad del aire urbano.

Estas herramientas del NIST identifican las firmas de gas midiendo con precisión las cantidades de luz absorbida por cada color en el amplio espectro del láser, mientras que rayos especialmente preparados trazan un camino a través del aire. Las aplicaciones actuales incluyen la detección de fugas de plantas de petróleo y gas y la medición de las emisiones del ganado. Los sistemas de peine pueden medir más gases que los sensores convencionales que pueden tomar muestras de aire en ubicaciones específicas. Los peines también ofrecen mayor precisión y mayor alcance que técnicas similares que utilizan otras fuentes de luz.

El último avance del NIST, descrito en un nuevo artículo, cambia el espectro de la luz analizada del infrarrojo cercano al infrarrojo medio, lo que permite la identificación de más y diferentes gases. Los sistemas de peine de infrarrojo cercano más antiguos pueden identificar dióxido de carbono y metano, pero no óxido nitroso, ozono o monóxido de carbono.

Los investigadores demostraron el nuevo sistema en rutas de ida y vuelta con longitudes de 600 metros y 2 kilómetros. La luz de dos peines de frecuencia se combinó en fibra óptica y se transmitió mediante un telescopio ubicado en lo alto de un edificio del NIST en Boulder, Colorado. Un rayo se envió a un reflector ubicado en un balcón de otro edificio y un segundo rayo a un reflector en una colina. La luz del peine rebotó en el reflector y volvió a su posición original para su análisis e identificación de gases en el aire.

Un peine de frecuencia es una “regla” muy precisa para medir los colores exactos de la luz. Cada “diente” del peine identifica un color diferente. Para alcanzar la parte del infrarrojo medio del espectro, el componente clave es un material cristalino especialmente diseñado, conocido como niobato de litio de polaridad periódica, que convierte la luz entre dos colores. El sistema en este experimento dividió la luz infrarroja cercana de un peine en dos ramas, usó fibras especiales y amplificadores para ampliar y cambiar el espectro de cada rama de manera diferente y para aumentar la potencia, luego recombinó las ramas en el cristal. Esto produjo luz infrarroja media a una frecuencia más baja (longitud de onda más larga) que era la diferencia entre los colores originales en las dos ramas.

El sistema fue lo suficientemente preciso como para capturar los cambios en los niveles atmosféricos de todos los gases medidos y coincidió con los resultados de un sensor puntual de monóxido de carbono y óxido nitroso convencional. Una gran ventaja de detectar varios gases al mismo tiempo es la capacidad de medir las correlaciones entre ellos. Por ejemplo, las proporciones medidas de dióxido de carbono a óxido nitroso coincidieron con otros estudios de emisiones de tráfico. Además, la relación entre el exceso de monóxido de carbono y el dióxido de carbono coincidió con estudios urbanos similares, pero fue solo alrededor de un tercio de los niveles pronosticados por el Inventario Nacional de Emisiones (NEI) de EE. UU. Estos niveles proporcionan una medida de la eficiencia con la que se alimentan los combustibles en las fuentes de emisión, como los automóviles.

Las mediciones del NIST, haciéndose eco de otros estudios que sugieren que hay menos monóxido de carbono en el aire de lo que predijo el NEI, ponen los primeros números concretos en niveles de referencia o “inventarios” de contaminantes en el área de Boulder, Denver.

“La comparación con el NEI muestra lo difícil que es crear inventarios, en particular cubriendo grandes áreas, y que es fundamental tener datos para alimentar los inventarios”, dijo el autor principal Kevin Cossel. “Esto no es algo que afecte directamente a la mayoría de las personas a diario; el inventario solo intenta replicar lo que realmente está sucediendo. Sin embargo, para comprender y predecir la calidad del aire y los impactos de la contaminación, los modeladores se basan en inventarios, por lo que es imperativo los inventarios son correctos “.

Los investigadores planean mejorar aún más la nueva herramienta de peine. Planean extender el rango a distancias mayores, como ya se demostró para el sistema de infrarrojo cercano. También planean aumentar la sensibilidad de detección aumentando la salida de luz y otras modificaciones, para permitir la detección de gases adicionales. Finalmente, están trabajando para hacer que el sistema sea más compacto y robusto. Estos avances pueden ayudar a mejorar la comprensión de la calidad del aire, en particular la interacción de los factores que influyen en la formación de ozono.

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