Merjenje absorbcije črnega ogljika s sistemom na osnovi optičnih vlaken

Podnebne spremembe ustvarjajo nova tveganja in ojačujejo obstoječa, tako za naravne sisteme kot za družbo. Cilji pariškega sporazuma UNFCCC zahtevajo omejitve emisij kratkoživih povzročiteljev tople grede, kar vključuje črni ogljik (BC). Z meritvami absorpcije aerosolov in odvisnosti te od valovne dolžine je mogoče določiti hitrost segrevanja in direktni radiativni prispevek BC ter drugih absorbirajočih aerosolov, kakor tudi sistematične negotovosti podnebnih modelov.

Za to so potrebni zanesljivi inštrumenti s sledljivimi meritvami brez artefaktov. Fototermični interferometer (PTI) meri absorpcijo aerosolov linearno in sledljivo po prvih principih. Zrak z aerosoli vstopi v merilno komoro, kjer modulirani vzbujevalni laser obseva vzorec. Aerosoli absorbirajo del svetlobe, se segrejejo in toploto prenesejo v okoliški zrak, zmanjšanje gostote zraka pa povzroči spremembo lomnega količnika, ki jo interferometer zazna kot fazno spremembo optične poti. Ta je linearno sorazmerna z absorpcijskim koeficientom, referenčna veja interferometra pa samodejno korigira prispevek plinastih absorberjev (NO₂, O₃).

V projektu je bil razvit in preizkušen vlakenski fototermični interferometer v konfiguraciji Mach-Zehnder. Vlakenska zasnova je bistveno poenostavila eksperimentalno ureditev ter naredila inštrument bolj robusten in manj občutljiv na zunanje vplive. Razvita je bila metoda termične fazne stabilizacije brez mehanskih gibljivih elementov, ki izkorišča termooptični učinek in termično raztezanje optičnega vlakna za stabilizacijo v kvadraturni točki, poleg tega pa je bil razvit večvalovni črpalni sistem z laserskimi moduli pri 450 nm, 525 nm in 785 nm. Vzbujanje pri več valovnih dolžinah je bilo validirano s fototermičnimi meritvami nanodelcev, pri čemer je bila demonstrirana sočasna določitev velikosti in koncentracije delcev brez predhodnega poznavanja katerega od parametrov.

Opravljena je bila sistematična primerjava kalibracijskih metod za in-situ instrumente za merjenje absorpcije aerosolov. Ugotovljeno je bilo, da kalibracija z NO₂ zagotavlja sledljivost do SI-enot, kalibracija z monodisperznimi aerosolnimi delci pa nižje merilne negotovosti. Instrument PTAAM-2λ je dosegel primerljivo ali boljšo merilno negotovost od fotoakustičnega spektrometra PAX in metode, ki temelji na razliki med ekstinkcijo in sipanjem. Preizkus na terenu v Granadi je potrdil delovanje instrumenta v raznolikih aerosolnih pogojih, vključno z urbanimi emisijami, vdori saharskega prahu in dimom gozdnih požarov, ključne vlakenske rešitve pa so bile vpeljane v prenosni prototip PTAAM-3λ.

Rezultati projekta prispevajo k natančnejši kvantifikaciji prispevka BC in drugih absorbirajočih aerosolov k regionalnim in globalnim podnebnim spremembam ter nudijo osnovo za vrednotenje ukrepov za zmanjšanje emisij kratkoživih povzročiteljev tople grede.

DS1 Upravljanje projekta –Projekt je zaključen

DS2  Vlakenski interferometer – Realizacija: 100%

Raziskave vlakensko integriranega interferometra z nizkim šumom na osnovi enorodovnih optičnih vlaken in s stabiliziranim (vlakenskim) laserjem kot interferometričnim virom.

DS3 Vlakenski laser in črpalna shema- Realizacija: 100%

Raziskave vlakenskega laserja primernega za črpanje oziroma vzbujanje merilnega vzorca

DS4 Laboratorijski prototip – Realizacija: 100%

Postavitev laboratorijskega prototipa z združenim vlakenskim interferometrom in črpalnim laserjem.

DS5 Testiranje na terenu – Realizacija: 100%

Preizkus vlakenskega interferometra v relevantnem okolju.