Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont amélioré leur instrument à 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, l'ozone et le monoxyde de carbone.

Combiné avec une version antérieure du système qui mesure le méthane, La technologie à double peigne du NIST peut désormais détecter les quatre principaux gaz à effet de serre, ce qui pourrait aider à comprendre et à surveiller les émissions de ces gaz pièges à 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 NIST identifient les signatures de gaz en mesurant avec précision les quantités de lumière absorbées à chaque couleur dans le large spectre laser alors que des faisceaux spécialement préparés tracent un chemin dans l'air. Les applications actuelles incluent la détection des fuites des installations pétrolières et gazières ainsi que la mesure des émissions du bétail. Les systèmes à peigne peuvent mesurer un plus grand nombre de gaz que les capteurs conventionnels qui échantillonnent l'air à des emplacements spécifiques. Les peignes offrent également une plus grande précision et une portée plus longue que des techniques similaires utilisant d'autres sources de lumière.

La dernière avancée du NIST, décrit dans un nouvel article, décale le spectre lumineux analysé du proche infrarouge vers le moyen infrarouge, permettant l'identification de gaz plus nombreux et différents. Le plus vieux, les systèmes de peigne proche infrarouge peuvent identifier le dioxyde de carbone et le méthane mais pas l'oxyde nitreux, l'ozone ou le monoxyde de carbone.

Les chercheurs ont fait la démonstration du nouveau système sur des trajets aller-retour d'une longueur de 600 mètres et 2 kilomètres. La lumière de deux peignes de fréquence a été combinée dans une fibre optique et transmise à partir d'un télescope situé au sommet d'un bâtiment du NIST à Boulder, Colorado. Un faisceau a été envoyé vers un réflecteur situé sur un balcon d'un autre bâtiment, et un deuxième faisceau vers un réflecteur sur une colline. La lumière du peigne a rebondi sur le réflecteur et est revenue 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 peigne "dent" 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 périodiquement polarisé, qui convertit la lumière entre deux couleurs. Le système de cette expérience a divisé la lumière proche infrarouge d'un peigne en deux branches, utilisé des fibres et des amplificateurs spéciaux pour élargir et déplacer le spectre de chaque branche différemment et pour augmenter la puissance, puis recombiné les branches dans le cristal. Cela a produit une lumière infrarouge moyenne à une fréquence inférieure (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 concordait avec les résultats d'un capteur ponctuel conventionnel pour le monoxyde de carbone et l'oxyde nitreux. 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 du dioxyde de carbone au protoxyde d'azote concordent avec d'autres études sur les émissions dues au trafic. En outre, le rapport de l'excès de monoxyde de carbone par rapport au dioxyde de carbone était conforme à des études urbaines similaires, mais n'était qu'environ un tiers des niveaux prédits par le National Emissions Inventory (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 NIST, en faisant écho à d'autres études suggérant qu'il y a moins de monoxyde de carbone dans l'air que ne le prédit le NEI, mettre les premiers chiffres sur les niveaux de référence ou « inventaires » des polluants dans la région de Boulder-Denver.

« La comparaison avec le NEI montre à quel point il est difficile de créer des inventaires, surtout 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 les impacts sur la qualité de l'air et la pollution, les modélisateurs se fient aux inventaires, il est donc essentiel que les inventaires soient corrects."

Les chercheurs prévoient d'améliorer encore le nouvel instrument 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 la puissance lumineuse et d'autres ajustements, pour permettre la détection de gaz supplémentaires. Finalement, ils travaillent à rendre le système plus compact et 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.