Les systèmes laser en peigne mesurent tous les principaux gaz à effet de serre dans l’air

Laser

Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mis à niveau leur instrument à peigne de fréquence laser pour mesurer simultanément trois gaz à effet de serre en suspension dans l’air – le protoxyde d’azote, le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau – ainsi que les principaux polluants atmosphériques que sont l’ozone et le 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 du large spectre laser, car des faisceaux spécialement préparés tracent un chemin dans l’air. Les applications actuelles comprennent la détection des fuites des installations pétrolières et gazières ainsi que la mesure des émissions du bétail. Les systèmes de peignes 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 portée plus longue que les 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 l’infrarouge moyen, permettant l’identification de gaz plus nombreux et différents. Les anciens systèmes de peigne proche infrarouge peuvent identifierdioxyde de carboneet le méthane, mais pas le protoxyde d’azote, l’ozone oumonoxyde de carbone.

Les chercheurs ont fait la démonstration du nouveau système sur des trajets aller-retour d’une longueur de 600 mètres et de 2 kilomètres. La lumière de deux peignes de fréquence a été combinée enfibre optiqueet transmise à partir d’un télescope situé au sommet d’un bâtiment du NIST à Boulder, dans le Colorado. Un faisceau a été envoyé à un réflecteur situé sur un balcon d’un autre bâtiment, et un second 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 être analysée 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 peigne « dent » identifie une couleur différente. Pour atteindre la partie infrarouge moyenne du spectre, le composant clé est un matériau cristallin spécialement conçu, connu sous le nom de niobate de lithium à polarisation 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 correspondait aux résultats d’un capteur ponctuel conventionnel pourcarbonemonoxyde et protoxyde d’azote. L’un des principaux avantages de 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 le protoxyde d’azote concordent avec d’autres études sur les émissions dues au trafic. De plus, le rapport entre l’excès de monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone concordait avec des études urbaines similaires, mais ne représentait qu’environ un tiers des niveaux prévus par le National Emissions Inventory (NEI) des États-Unis. Ces niveaux permettent de mesurer l’efficacité de la combustion du carburant 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 ce que le NEI prédit, ont mis les premiers chiffres concrets sur les niveaux de référence ou les « 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 grandes surfaces, et qu’il est essentiel de disposer de données pour alimenter 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 jour le jour – l’inventaire essaie simplement de reproduire ce qui se passe réellement. Cependant, pour comprendre et prévoir la qualité de l’air et les impacts de la pollution, les modélisateurs s’appuient sur les inventaires, il est donc essentiel que les inventaires soient corrects.

Les chercheurs prévoient d’améliorer encore le nouvel instrument de 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 lalumièrepuissance et d’autres ajustements, pour permettre la détection de gaz supplémentaires. Enfin, ils travaillent à rendre le système plus compact et plus robuste. Ces progrès peuvent aider à améliorer la compréhension de la qualité de l’air, en particulier l’interaction des facteurs influençant la formation d’ozone.