我們的地球大氣是各種氣體的湍流混合體。其中CO2、NO2和H2O是最值得被關注的，它們的濃度變化導致大氣變暖。大氣科學家通過評估這些溫室氣體的濃度以及確定它們的來源，不斷地試圖掌握它們的“脈搏”。據麥姆斯咨詢報道，為了更全面地描繪我們的大氣構成，美國科羅拉多州的科學家們從一個不太可能的來源中尋找到了靈感：“梳齒”。
目前測量大氣成分的方法是基于光譜學的概念。電磁輻射會激發分子，使它們根據其成分輻射出自己獨特的特征。這些“指紋”可以用來確定大氣等物質的組成。研究大氣成分的科學家通常要么關注一組特定的波長，要么將利用像太陽這樣的光源，通過傅里葉變換紅外光譜來研究更大范圍的波長。然而，這兩種技術都還有缺點。
來自美國國家標準與技術研究院（NIST）的Kevin Cossel表示：“由于可調諧激光器通常只掃描較窄的波長范圍，因此它們通常只能測量幾種氣體。”他繼續說道：“另一方面，由于傅里葉變換紅外光譜系統測量的光譜范圍非常寬，因此它們可以測量大量氣體，但是它們通常無法精確測量光譜中的波長值。”這種數量和質量之間的權衡激發了研究團隊共同開發一種新技術。
首先，激光源發射出波長為4.5至5微米的中紅外光。在這個較大的波長范圍內有數十萬個“梳齒”——在更寬的輸出范圍內均勻分布的窄發射線。Cossel解釋說：“為了測量溫室氣體，我們會查看每個波長吸收了多少梳狀光。由于每種氣體都有獨特的吸收峰（吸收光譜），因此我們可以確定存在哪些氣體以及每種氣體的含量。”
在測量溫室氣體的實驗中，研究人員將激光穿過國家標準與技術研究院（NIST）廣闊的校園，射向一個反射器，然后反射回接收器，沿途會激發氣體分子。隨著路徑長度的增加，儀器的靈敏度隨之提高，從而能夠檢測到溫室氣體濃度的微小變化。Cossel及其團隊可以每兩分鐘生成一次讀數，從而創建一個具有極高時間分辨率的魯棒數據集。
由于具備能夠測量難以檢測的氣體的能力，激光“梳狀”系統是溫室氣體測量方面的一項重要成就。Cossel說：“在這四種溫室氣體中，最難測量的溫室氣體是NO2，這是本論文的主要進展。”與其他溫室氣體相比，NO2的濃度要小得多，這就是為什么激光器需要較大的中紅外輸出的重要原因。
“研究團隊的最大目標是將系統投入現場并進行更多的測量。”隨著Cossel和同事們不斷完善他們的測量方法，他們正在為更全面地了解大氣層以及它是如何變暖的奠定基礎。
延伸閱讀：
《環境氣體傳感器技術及市場趨勢-2020版》
《碳捕獲、利用和儲存（CCUS）技術及市場-2021版》
