11. Syyskuu, 2013
Ilmakehän koostumuksen tarkat mittaukset tuottavat arvokasta tietoa ympäristömme tilasta ja ilmaston muutoksesta sekä luovat kokeellisen pohjan ilmastomallien kehittämiselle. Käytännössä nämä satelliiteista, lentokoneista ja maa-asemilta tehtäv mittaukset perustuvat spektroskopiaan eli siihen kuinka ilmassa olevat eri molekyylit absorboivat sähkömagneettista seilyä eri aallonpituuksilla. Mitattuja absorptiospektrejä verrataan spektrikirjastoihin, jotka sisältäv yksityiskohtaista tietoa eri molekyylien absorptioviivoista. Suurimpiin tietokantoihin on koottu miljoonien absorptioviivojen kokeellisesti määritetyt tärkeimm parametrit. Käyttämällä listattuja parametreja on mahdollista simuloida molekyylien absorptiospektrejä erilaisissa kaasuseoksissa ja ympäristöolosuhteissa ja siten löytää kunkin molekyylin mittaamiselle optimaalinen spektrialue sekä analysoida kokeellisia tuloksia sovittamalla simuloituja spektrejä mitattuihin. Metrologinen jäljitettävyys – taajuuskamman kautta atomikelloon – parantaa mittaustarkkuuden satakertaiseksi absorptiopiikin keskitaajuuden suhteen. Esimerkiksi veden ja metaanin erottaminen mittaustuloksista onnistuu ongelmitta.
Eurooppalaiseen metrologian tutkimusohjelmaan kuuluvassa EUMETRISPEC-hankkeessa parannetaan olemassa olevien spektrikirjastojen laatua kehittämällä jäljitettäviä mittauksia molekyylien absorptioparametrien määrittämiseksi. Hankkeessa on keskitytty ilmakehieteiden ja ilmastomallien kannalta keskeisiin molekyyleihin, kuten CH4, N2O ja CO2. MIKESin vastuulla on absorptioviivojen absoluuttitaajuuksien ja painesiirtymien mittaaminen ilmakehieteiden kannalta kaikkein tärkeimmällä keski-infrapuna-alueella.
MIKES on yhteistyössä Helsingin yliopiston fysikaalisen kemian laboratorion kanssa kehittänyt spektrometrin, joka mahdollistaa jäljitettäv taajuusmittaukset aallonpituusvälillä 3–4 µm, jolla useilla molekyyleillä on hyvin voimakkaita absorptioviivoja. Spektrometri perustuu aallonpituudeltaan säädettävään jatkuvatoimiseen optiseen parametriseen oskillaattoriin (OPO), jonka mittauksissa käytettävä lasertaajuus on linkitetty MIKESin atomikelloon lukittuun optiseen taajuuskampaan. Tämä järjestely mahdollistaa spektrimittaukset keski-infrapuna-alueella vähintään kaksi kertaluokkaa aiempaa paremmalla tarkkuudella Ensimmäiset jäljitettäv suuren resoluution spektrimittaukset tehtiin metaanilla (CH4). Laitteiston herkkyys ja tarkkuus mahdollistaa ilmakehäkaasujen mittausten lisäksi muiden pieninä pitoisuuksina esiintyvien molekyylien mittauksen esim. hengityksestä.
Lisietoja:
