Les systèmes laser « peigne » mesurent tous les gaz à effet de serre primaires dans l’air

Laser

Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mis à niveau leur instrument de peigne de fréquence laser pour mesurer simultanément trois gaz à effet de serre en suspension dans l’air – l’oxyde nitreux, le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau – ainsi que les principaux polluants atmosphériques ozone et monoxyde de carbone.

Combiné à une version antérieure du système qui mesure le méthane, le doublepeigneLa technologie peut maintenant détecter les quatre principaux gaz à effet de serre, ce qui pourrait aider à comprendre et à surveiller les émissions de ces gaz piégeant la chaleur impliqués dans le changement climatique. Le système de peigne le plus récent peut également aider à évaluer la qualité de l’air urbain.

Ces instruments du NIST identifient les signatures de gaz en mesurant avec précision les quantités de lumière absorbées à chaque couleur dans le large spectre laser, car des faisceaux spécialement préparés tracent un chemin dans l’air. Les applications actuelles comprennent la détection des fuites provenant des installations pétrolières et gazières ainsi que la mesure des émissions du bétail. Les systèmes de peigne peuvent mesurer un plus grand nombre de gaz que les capteurs conventionnels qui échantillonnent l’air à des endroits spécifiques. Les peignes offrent également une plus grande précision et une plus grande portée que des techniques similaires utilisant d’autres sources de lumière.

La dernière avancée du NIST, décrite dans un nouvel article, déplace le spectre de la lumière analysée du proche infrarouge vers le moyen infrarouge, permettant l’identification de gaz plus nombreux et différents. Les anciens systèmes de peigne dans le proche infrarouge peuvent identifierdioxyde de carboneet le méthane, mais pas l’oxyde nitreux, l’ozone oumonoxyde de carbone.

Les chercheurs ont démontré le nouveau système sur des chemins aller-retour d’une longueur de 600 mètres et 2 kilomètres. La lumière de deux peignes de fréquence a été combinée enfibre optiqueet transmis à partir d’un télescope situé au sommet d’un bâtiment du NIST à Boulder, au Colorado. Un faisceau a été envoyé à un réflecteur situé sur un balcon d’un autre bâtiment, et un deuxième faisceau à un réflecteur sur une colline. La lumière du peigne a rebondi sur le réflecteur et est retournée à l’emplacement d’origine pour analyse afin d’identifier les gaz dans l’air.

Un peigne de fréquence est une « règle » très précise pour mesurer les couleurs exactes de la lumière. Chaque « dent » de peigne identifie une couleur différente. Pour atteindre la partie infrarouge moyen du spectre, le composant clé est un matériau cristallin spécialement conçu, connu sous le nom de niobate de lithium à polissage périodique, qui convertit la lumière entre deux couleurs. Le système de cette expérience a divisé la lumière proche infrarouge d’un peigne en deux branches, a utilisé des fibres spéciales et des amplificateurs pour élargir et déplacer le spectre de chaque branche différemment et pour augmenter la puissance, puis a recombiné les branches dans le cristal. Cela produisait une lumière infrarouge moyenne à une fréquence plus basse (longueur d’onde plus longue) qui était la différence entre les couleurs d’origine dans les deux branches.

Le système était suffisamment précis pour capturer les variations des niveaux atmosphériques de tous les gaz mesurés et était d’accord avec les résultats d’un capteur ponctuel conventionnel pourcarbonemonoxyde et protoxyde d’azote. Un avantage majeur dans la détection de plusieurs gaz à la fois est la possibilité de mesurer les corrélations entre eux. Par exemple, les rapports mesurés entre le dioxyde de carbone et l’oxyde nitreux concordaient avec d’autres études sur les émissions provenant de la circulation. En outre, le rapport entre l’excès de monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone concordait avec des études urbaines similaires, mais n’était que d’environ un tiers des niveaux prévus par l’Inventaire national des émissions (NEI) des États-Unis. Ces niveaux fournissent une mesure de l’efficacité avec laquelle le carburant brûle dans les sources d’émissions telles que les voitures.

Les mesures du NIST, en écho à d’autres études suggérant qu’il y a moins de monoxyde de carbone dans l’air que ne le prévoit le NEI, ont mis les premiers chiffres précis sur les niveaux de référence ou « inventaires » de polluants dans la région de Boulder-Denver.

« La comparaison avec le NEI montre à quel point il est difficile de créer des inventaires, en particulier ceux qui couvrent de vastes zones, et qu’il est essentiel de disposer de données pour les réinjecter dans les inventaires », a déclaré l’auteur principal Kevin Cossel. « Ce n’est pas quelque chose qui aura un impact direct sur la plupart des gens au quotidien – l’inventaire essaie simplement de reproduire ce qui se passe réellement. Cependant, pour comprendre et prédire la qualité de l’air et les impacts de la pollution, les modélisateurs se fient aux inventaires, il est donc essentiel que les inventaires soient corrects.

Les chercheurs prévoient d’améliorer davantage le nouvel instrument à peigne. Ils prévoient d’étendre la portée à de plus longues distances, comme cela a déjà été démontré pour le système proche infrarouge. Ils prévoient également d’augmenter la sensibilité de détection en augmentant lelumièrepuissance et autres réglages, pour permettre la détection de gaz supplémentaires. Enfin, ils travaillent à rendre le système plus compact et robuste. Ces progrès pourraient aider à améliorer la compréhension de la qualité de l’air, en particulier l’interaction des facteurs influençant la formation d’ozone.