Într-o lume amenințată de emisiile de gaze cu efect de seră, măsurarea nivelului acestora poate fi surprinzător de dificilă. Măsurarea presupune prelevarea unei mostre de aer sau direcționarea aerului printr-un analizor.
Cu toate acestea, laserele oferă o altă cale de detectare și măsurare a poluării. În timp ce tehnologia spectroscopică cu laser care urmărește compușii individuali există de zeci de ani, cercetătorii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) au dezvoltat un sistem care poate măsura simultan patru gaze cu efect de seră: metan, dioxid de carbon, vapori de apă și oxid de azot.
„Este un pachet robust, fără piese în mișcare, dar totuși obțineți o rezoluție spectrală foarte mare”, a declarat Kevin Cossel, cercetător la NIST, care a făcut parte din proiect.
Tehnologia din spatele acestui dispozitiv se numește „pieptene de frecvență optică”, care a ajutat la câștigarea Premiului Nobel pentru fizică din anul 2005. Este în esență un instrument care declanșează laserele la frecvențe specifice și distanțate uniforme. După cum este descris pe o diagramă spectrală, acele frecvențe arată ca un pieptene, de unde originea denumirii.
Pieptenele de frecvență optică este foarte precis. În special, tehnologia de scanare bazată pe pieptene de frecvență se bazează pe o configurație dublă: utilizarea a doi piepteni cu frecvențe diferite și urmărirea tiparelor lor de interferență.
NIST folosește piepteni în acest scop de câțiva ani. Inițial, cercetătorii NIST au reglat laserele pe lungimi de undă în domeniul infraroșu apropiat, în jur de 1,6 μm. Acest lucru le-a permis cercetătorilor să detecteze gaze precum metanul, vaporii de apă și, desigur, dioxidul de carbon.
De asemenea, acest sistem are o altă caracteristică cheie: control al direcției. Deoarece pieptenii de frecvențe sunt reglați la frecvențe care sunt mai puțin diminuate de caracteristicile atmosferei, laserele respective pot continua pe o anumită distanță (de exemplu, un kilometru) și să detecteze gazele din aer. În loc să fie detectate emisiile dintr-un singur punct, se poate configura o rețea pentru a identifica emisiile dintr-o zonă desemnată.
De asemenea, înseamnă că este posibilă compararea acestor măsurători cu modelele atmosferice la scară mai mare ale emisiilor de gaze. „Dacă se măsoară pe o distanță mai mare decât cea posibilă, va corespunde deja dimensiunii grilei modelelor. Astfel, modelele ar putea observa dispersia și calitatea aerului cu dimensiuni ale rețelei de sute de metri sau un kilometru, pentru cele cu rezoluție înaltă”, a declarat Cossel.
Unul dintre obiectivele inițiale ale sistemului a fost măsurarea metanului, care are un potențial mai mare de a provoca încălzirea climei planetei decât dioxidul de carbon. Oamenii eliberează metanul prin arderea combustibililor fosili (în special petrol și gaze naturale) și din agricultura la scară industrială (notorietate, eructații și flatulența rumegătoarelor precum vacile și oile).
Așadar, grupul NIST a amplasat tehnologia pe teren – literalmente, pentru a evalua emisiile dintr-un câmp plin de vaci. Acum este utilizat pe scară largă în acest scop. De asemenea, este utilizat pentru a detecta scurgerile de gaze.
Dar metanul reprezintă doar o piesă a puzzle-ului cu gaze cu efect de seră. Cercetătorii NIST au crezut că, dacă ar putea să mărească lungimile de undă a pieptenilor de frecvență mai adânc în domeniile infraroșii, mai aproape de 5 μm, ceea ce permite și căile deschise – ar putea detecta alte câteva gaze. Cercetătorii au testat cu succes dispozitivul și au publicat rezultatele în revista Laser & Photonics Reviews, în iunie 2021.
Deci, pe lângă dioxidul de carbon, metanul și vaporii de apă, sistemul NIST poate măsura acum și oxidul de azot. Pe lângă cele patru gaze cheie cu efect de seră, pieptenele de frecvență pot fi folosite și pentru măsurarea ozonului și a monoxidului de carbon, ambii poluanți atmosferici obișnuiți, care sunt răspândiți mai ales în zonele unde există o mulțime de mașini.
El speră că acum, după ce s-a demonstrat faptul că tehnologia funcționează, poate fi folosită pentru a studia lucruri precum calitatea aerului din mediul urban și impactul incendiilor sălbatice. De asemenea, el dorește să-l folosească pentru a studia emisiile de oxizi de azot din trafic și din agricultură, care nu stunt pe deplin înțelese.