Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han actualizado su instrumento de «rastreo» 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, el ozono y el monóxido de carbono.
Combinada con una versión anterior del sistema que mide el metano, la tecnología de doble peine del NIST ahora puede detectar los cuatro gases de efecto invernadero primarios, lo que podría ayudar a comprender y monitorear las emisiones de estos gases que atrapan el calor implicados en el cambio climático. El actual sistema de rastreo también puede ayudar a evaluar la calidad del aire urbano.
Estos instrumentos del NIST identifican los gases midiendo con precisión las cantidades de luz absorbida en cada color en el amplio espectro de láser a medida que rayos especialmente preparados trazan un camino a través del aire. Las aplicaciones actuales incluyen la detección de fugas de instalaciones de petróleo y gas, así como la medición de emisiones del ganado. Los sistemas de rastreo pueden medir una mayor cantidad de gases que los sensores convencionales que toman muestras de aire en ubicaciones específicas. Este sistema de rastreo también ofrece mayor precisión y mayor alcance que técnicas similares que utilizan otras fuentes de luz.
El último avance del NIST, descrito en un nuevo artículo , desplaza el espectro de luz analizado del infrarrojo cercano al infrarrojo medio, lo que permite la identificación de más y diferentes gases. Los sistemas de rastreo 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 trayectos de ida y vuelta con longitudes de 600 metros y 2 kilómetros. La luz de dos sistemas de rastreo de frecuencia se combinó en fibra óptica y se transmitió desde un telescopio ubicado en la parte superior 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 rebotó en el reflector y regresó a la ubicación original para su análisis para identificar los gases en el aire.
Un sistema de rastreo también llamado «peine» de frecuencia es una «regla» muy precisa para medir los colores exactos de la luz. Cada «pua» del peine identifica un color diferente. Para alcanzar la parte del infrarrojo medio del espectro, el componente clave es un material de cristal especialmente diseñado, conocido como niobato de litio de polos periódicos, que convierte la luz entre dos colores. El sistema en este experimento dividió la luz infrarroja cercana de un «peine» en dos ramas, usó fibra especial 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 para capturar variaciones en los niveles atmosféricos de todos los gases medidos y coincidió con los resultados de un sensor puntual convencional para monóxido de carbono y óxido nitroso. Una de las principales ventajas de detectar varios gases a la vez 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 del 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 quema el combustible en fuentes de emisiones como los automóviles.
Las mediciones del NIST, al hacerse eco de otros estudios que sugieren que hay menos monóxido de carbono en el aire de lo que predice el NEI, ponen los primeros números concretos en los 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, especialmente que cubren áreas grandes, y que es fundamental tener datos para retroalimentar los inventarios”, dijo el autor principal Kevin Cossel. “Esto no es algo que afecte directamente a la mayoría de las personas en el día a día; el inventario solo está tratando de 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 los inventarios, por lo que es fundamental que los inventarios sean correctos».
Los investigadores planean mejorar aún más el nuevo instrumento de peine. Planean extender el alcance a distancias más largas, como ya se demostró para el sistema de infrarrojo cercano. También planean aumentar la sensibilidad de detección aumentando la potencia de la luz y otros ajustes, 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, específicamente la interacción de los factores que influyen en la formación de ozono.
El trabajo fue financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa y la Oficina de Programas Especiales del NIST.
Documento: FR Giorgetta, J. Peischl, DI Herman, G. Ycas, I. Coddington, NR Newbury y KC Cossel. Espectroscopia de doble peine de ruta abierta para la detección de trazas de gases de varias especies en la región espectral de 4,5 μm a 5 μm. Revisión de láser y fotónica. Publicado el 30 de junio de 2021. DOI: 10.1002 / lpor.202000583
Crédito imágen: N.Hanacek/NIST
