Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Физики научились измерять концентрацию углекислого газа в 25 раз точнее

Adam Fleisher et al. / Physical Review Letters, 2019

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 ε ≈ 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, кратко о ней сообщает Physics.

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, ограничили изотопный состав Солнечной системы и наблюдаемой Вселенной. 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.

Группа физиков под руководством Джозефа Ходжеса (Joseph Hodges) 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, в одном моле которой содержится 3,88×10−4 молей углекислого газа. Состав смеси ученые измеряли с помощью трех CRDS-спектрометров (Cavity ring-down spectroscopy). В сумме эксперименты продлились более одного года.

Довольно быстро ученые обнаружили, что основную погрешность в измерения приборов вносят дискретизаторы — приборы, которые оцифровывают аналоговый сигнал от оптического 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. Считая, что систематические погрешности каждого из экспериментов не были скоррелированы между собой, ученые рассчитали относительную статистическую погрешность этого значения, которая составила εA ≈ 0,059 процента. Кроме того, физики учли, что концентрация углекислого газа в эталонном образце может отклоняться от заявленной (εB1 ≈ 0,013 процента), а скорректированный отклик дискретизаторов все еще может отклоняться от линейного (εB2 ≈ 0,002 процента). Итоговая относительная погрешность составила примерно ε ≈ 0,06 процента. Это в шесть раз меньше, чем погрешность значения, рассчитанного с нескорректированными дискретизаторами (ε ≈ 0,4 процента), и в 25 раз меньше, чем погрешность табличного значения (ε ≈ 2 процента). Средние значения величин, разумеется, во всех случаях совпадали.

Авторы статьи отмечают, что учет обнаруженной систематической ошибки позволит уточнить сечение поглощения остальных парниковых газов — а следовательно, почти так же заметно увеличит точность измерения их концентрации. Это позволит не только следить за производством, миграцией и утилизацией парниковых газов в атмосфере Земли, но и искать биомаркеры в атмосферах экзопланет. Более того, ученые считают, что надежные линейные дискретизаторы пригодятся при разработке новой международной системы единиц.

Несмотря на соглашения, призванные уменьшить выброс парниковых газов в атмосферу, концентрация углекислого газа продолжает неуклонно расти. В частности, в мае этого года концентрация впервые в истории человечества превысила 415 миллионных долей по объему. Проверить, что вы знаете о парниковых газах, можно в тесте «Максимальная концентрация». А узнать об исследованиях климатического прошлого Земли можно в материале «Возможны осадки в виде изотопов».

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.