Физики смогут измерять концентрацию углекислого газа в 25 раз точнее

Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST, США) обнаружили неучтенный источник погрешностей в экспериментах по измерению сечения поглощения углекислого газа: оказалось, что ошибки в основном обусловлены нелинейностью устройств для оцифровки аналогового сигнала. Откалибровав их, ученые уменьшили относительную погрешность в 25 раз и довели ее до 0,06 процента. Благодаря этому результату ученые смогут точнее измерять концентрацию углекислого газа — главной причины парникового эффекта в атмосфере Земли. Статья опубликована в Physical Review Letters.

Почему существует погрешность?

Как правило, химический состав далеких объектов ученые определяют с помощью спектроскопии — измеряют характерную длину и интенсивность электромагнитного излучения, испускаемого объектом, а потом сравнивают их с эталонными значениями. В частности, с помощью этого способа астрономы измерили химический состав Солнца и далеких звезд. Кроме того, с помощью спектроскопа ученые наблюдают, как атмосфера Земли насыщается парниковыми газами. Предполагается, что при достаточно высокой точности этого метода даже можно отследить перемещение газов по атмосфере.

К сожалению, на практике точность измерительных приборов не дотягивает до требуемого значения. Основным источником погрешности в данном случае являются не приборы сами по себе, а формула, по которой спутник рассчитывает концентрацию газа. В эту формулу входит четыре величины, которые можно измерить на практике — давление, температура, толщина и прозрачность газового слоя, — а также сечение поглощения газа, которое зависит только от строения его молекул. Грубо говоря, сечение поглощения описывает, как газ взаимодействует с излучением на разных длинах волн. К сожалению, рассчитать эту величину теоретически, равно как и измерить ее в прямом эксперименте, очень сложно. Поэтому для большинства парниковых газов сечение поглощения известно с погрешностью около одного процента. Чтобы следить за перемещением парниковых газов по атмосфере, нужно понизить эту погрешность как минимум в десять раз.

Как устранили проблему

Группа физиков под руководством Джозефа Ходжеса придумала, как уточнить сечение поглощения углекислого газа, и снизила его погрешность до приемлемых 0,06 процента. Для этого ученые измерили состав эталонного образца «южноокеанического воздуха» (Southern Oceanic Air) — смеси O₂ и CO₂. Состав смеси ученые измеряли с помощью трех CRDS-спектрометров. Эксперименты продлились более одного года.

Довольно быстро ученые обнаружили, что основную погрешность в измерения приборов вносят дискретизаторы — приборы, которые оцифровывают аналоговый сигнал от резонатора. В идеале отклик такого прибора должен быть линейным, однако на практике он отклонялся по неизвестному степенному закону, уникальному для каждого прибора. Поэтому ученые откалибровали приборы с помощью эталонного дискретизатора, в линейности которого сомнений не было, и повторили измерения, устанавливая на каждый спектрометр различные комбинации приборов. Отклонения от линейности приборов при этом компенсировались программно.

Затем исследователи измерили концентрацию молекул CO2 при шести различных комбинациях спектрометров и дискретизаторов и усреднили результат. Итоговая относительная погрешность составила примерно 0,06 процента. Это в  25 раз меньше, чем погрешность табличного значения (2 процента).

Авторы статьи отмечают, что учет обнаруженной систематической ошибки заметно увеличит точность измерения концентрации парниковых газов. Это позволит не только следить за производством, миграцией и утилизацией парниковых газов в атмосфере Земли, но и искать биомаркеры в атмосферах экзопланет.

Читайте также:

Углекислый газ из атмосферы будут превращать в камни

Ученые научились превращать выбросы углекислого газа в полезную энергию

Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли обновила рекорд