Forscher haben gezeigt, dass ein neues Mittelinfrarot-Spektrometer die Verhältnisse verschiedener Formen von Wasser – bekannt als Isotopologe – in atmosphärischem Wasserdampf durch Freiluft in etwas mehr als 15 Minuten präzise messen kann. Isotopologe Verhältnisse, die durch landseitige Wasserverdunstung und Pflanzentranspiration beeinflusst werden können, werden verwendet, um Modelle des Klimawandels zu entwickeln und zu verstehen, wie Wasser global in der Atmosphäre transportiert wird.
„Die Open-Path-Erfassung mit Zweifrequenzkämmen kann die isotopologe Erfassung von atmosphärischem Wasserdampf einfacher und in abgelegenen Umgebungen leichter anwendbar machen. Ein breiteres Netzwerk von Isotopologe-Messungen wird zu einer verbesserten numerischen Wettermodellierung beitragen. Die langen Strahlwege, die mit der Dual-Comb-Technik erreichbar sind wird ortsaufgelöste Studien des Wasserdampftransports über natürliche Ökosysteme sowie über vom Menschen geschaffene Ökosysteme (z. B. Farmen) ermöglichen“, erklärte der Forscher Daniel Herman vom National Institute of Standards and Technology (NIST). „Zukünftige vertikale Säulenmessungen mit Kämmen könnten auch die Kalibrierungsverfahren für isotopologe Messungen mit Satelliten verbessern. Darüber hinaus kann die Erfassung von Wasserdampf mit Doppelkämmen auch andere aufkommende Luftqualitätsanwendungen der Breitband-Mittelinfrarot-Spektroskopie ergänzen.“
Daniel Herman vom NIST wird die neuen Erkenntnisse auf der präsentieren Optik Imaging and Applied Optics Congress, 11.-15. Juli 2022. Hermans Vortrag ist für den 11. Juli 2022 um 11:45 Uhr PDT geplant.
Heute verlassen sich Wissenschaftler auf Netzwerke von Punktsensoren, um Isotopologe in atmosphärischem Wasserdampf zu analysieren. Obwohl diese Netzwerke expandieren, erfordern sie eine sorgfältige Kalibrierung, um die Genauigkeit über die Zeit und zwischen den Standorten aufrechtzuerhalten. Die Erkennung von Wasserdampf in einem Pfad im Freien kann die Notwendigkeit einer Kalibrierung beseitigen und es einfacher machen, großflächige Verdunstung über Stauseen oder über ganze Wassereinzugsgebiete zu erfassen.
Der genaue Nachweis mehrerer Wasserdampfisotopologe in der Luft erfordert jedoch ein Spektrometer im mittleren Infrarotbereich mit hoher spektraler Auflösung, hoher Genauigkeit und schnellen Messraten. Um dies zu erreichen, entwickelten Herman und Kollegen ein neues Open-Path-Mittelinfrarot-Doppelkammspektrometer (DCS), das Nahinfrarot-Femtosekunden-Laserpulse und speziell entwickelte Wellenleiter verwendet, um breitbandige Mittelinfrarotpulse in einem kompakten Gehäuse zu erzeugen.
Die Forscher testeten das neue Instrument, indem sie damit Messungen über einen 760 Meter langen Pfad am Platteville Atmospheric Observatory in Colorado durchführten. Sie fanden heraus, dass das Instrument wochenlang im Feld betrieben werden konnte, ohne dass ein Eingriff erforderlich war. Dadurch konnten sie mehrere Monate lang Daten bei unterschiedlichen Wetterbedingungen und Temperaturen sammeln.
Die mit dem DCS erhaltenen Messungen korrelierten gut mit denen, die mit einem Punktsensornetzwerk erfasst wurden, was das Potenzial für Open-Path-DCS bei der Charakterisierung von atmosphärischem Wasserdampf zeigt.
Herman fügt hinzu: „Um isotopologe Messnetzwerke zu erweitern, arbeiten wir daran, die Genauigkeit unserer Technik zu verbessern, indem wir die Systematik im Detektionsaufbau analysieren. Die Empfindlichkeit der Technik kann durch die Verwendung von Kämmen mit höherer Leistung verbessert werden, um längere Pfade zu ermöglichen. In Zukunft wird eine ausgewogene Erkennungstechnologie implementiert, um technisches Rauschen zu verringern.“
Konferenz: www.optica.org/en-us/events/co … ied_optics_congress/