Siła spójności i zgodność wyników dla natężeń linii harmonicznych w badanych laboratoriach

Naukowcy z Instytutu Fizyki UMK uczestniczyli w badaniach natężeń linii harmonicznych. Swoje pomiary wykonały również zespoły z Narodowego Instytutu Norm i Technologii w USA oraz Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) w Niemczech. Obliczenia teoretyczne wykonała grupa z University College London.

Badanie zostało opublikowane w Fizyczne listy kontrolne.

„Do tej pory w literaturze nie było przypadku, aby natężenia molekularnych linii harmonicznych mierzone różnymi technikami i w różnych laboratoriach zgadzały się ze sobą na poziomie promila i jednocześnie z wynikami niezależnych obliczeń teoretycznych”, wyjaśnia dr. Katarzyna Bielska z Katedry Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optyki UMK, pierwsza autorka artykułu.

„Co ważne, te precyzyjne pomiary są niezwykle przydatne wszędzie tam, gdzie chcemy spektroskopowo określić zawartość substancji, na przykład w badaniach atmosfery ziemskiej, a także w analizie atmosfer innych ciał niebieskich. celów, na przykład w celu opracowania standardów temperatury lub ciśnienia”.

Idealny kandydat: tlenek węgla

Toruńscy badacze zajmują się głównie spektroskopią molekularną i są zainteresowani badaniem widm cząsteczek (widmo wysokiej rozdzielczości stosunkowo małej cząsteczki składa się z tysięcy tzw. linii harmonicznych), a w tym przypadku skupili się szczególnie na pomiar natężenia linii harmonicznych.

Wszystkie cztery zespoły zajęły się tlenkiem węgla, który jest szczególnie odpowiedni dla tego typu badań. Z jednej strony jest to stosunkowo prosta cząsteczka, ale z punktu widzenia obliczeń mechaniki kwantowej jest już skomplikowana – więc nadaje się zarówno do wykonywania najdokładniejszych pomiarów, jak i do testowania różnych teorii.

„Tlenek węgla jest „przyjazny” z eksperymentalnego punktu widzenia. Wprawdzie jest dla nas niebezpieczny, ale jeśli wiemy, jak sobie z nim radzić, możemy w pełni wykorzystać możliwości, jakie oferuje nam do badań” – mówi dr. Bielskiej. „Ma dość prostą strukturę widmową i jest również mniej podatny na komplikacje eksperymentalne spowodowane adsorpcją i desorpcją ścian komórkowych próbki niż na przykład woda”.

Grupy z Polski, Niemiec, Stanów Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii postawiły sobie za cel jak najdokładniejszy pomiar natężeń linii harmonicznych tlenku węgla i osiągnięcie jak największej spójności wyników. Dokładność w tym obszarze jest kluczowa.

„Jeśli dobrze znam natężenie linii harmonicznej, a następnie zmierzę tę linię w nieznanej próbce, mogę określić, jaka jest zawartość tej absorbującej substancji w tej próbce. mojej próbki tlenku węgla, a następnie wykonując pomiar, na przykład w powietrzu w określonym pomieszczeniu, mogę wywnioskować, że w tym pomieszczeniu jest dokładnie taka ilość tlenku węgla” – wyjaśnia dr. Bielskiej. „I dlatego tlenek węgla, a dokładniej wiedza o natężeniu jego linii harmonicznych, jest przydatny w zastosowaniach atmosferycznych”.

Należy jednak pamiętać, że jeśli chodzi o badanie zawartości tlenku węgla w atmosferze ziemskiej, wymagana dokładność pomiarów jest jasno określona przez Światową Organizację Meteorologiczną – porównania laboratoryjne zawartości tlenku węgla w próbce nie powinny się różnić. o ponad 2,5 promila.

„Ten 2,5 promil to już bardzo wysoka precyzja. Niestety, do tej pory, dokonując przeglądu literatury naukowej na ten temat, stwierdzono, że intensywności tych samych linii wyznaczane w różnych laboratoriach lub teoretycznie obliczane przez różne grupy badawcze mogą się różnić. do kilku procent, czyli 10, 20 razy więcej niż oczekiwana przez nas dokładność promila” – mówi dr. Bielskiej.

Cząsteczki tlenku węgla są ważne w procesie globalnego ocieplenia. Chociaż w atmosferze jest ich znacznie mniej niż np. cząsteczek dwutlenku węgla, mają one wyższy potencjał globalnego ocieplenia ze względu na reakcje chemiczne, w których biorą udział w atmosferze, wpływając na żywotność innych ważnych cząsteczek: metanu i ozonu . Wymagania dotyczące dokładności pomiarów spektroskopowych tlenku węgla, podobnie jak innych ważnych gazów cieplarnianych, gwałtownie rosną.

Różne drogi do celu

Każda grupa wybrała inną metodę pomiaru. Fizycy z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika polegają na rozpraszaniu wnęk optycznych (CMDS), ponieważ niedawno wykazali, że prowadzi ono do dokładniejszych wyników niż powszechnie stosowane techniki absorpcji. Warto wspomnieć, że sama metoda CMDS została opracowana w tej samej grupie toruńskiej. Amerykanie skupili się na technice CRDS (tzw. metoda utraty wnęki, metoda absorpcyjna), którą dodatkowo poddawano niestandardowym procedurom kalibracyjnym w celu uzyskania dokładniejszych wyników. Niemcy natomiast wykonywali pomiary metodą spektroskopii Fouriera – techniki powszechnie stosowanej, ale i w tym przypadku dopracowanej poprzez niestandardowe procedury kalibracyjne. Ponadto, ogromna praca została wykonana przez grupę teoretyków w Londynie. Wszystkie zespoły osiągnęły spójność większą niż 1 promil.

„Pomiar za pomocą różnych technik ma tę wielką zaletę, że umożliwia lepszą weryfikację w przypadku wystąpienia jakiegokolwiek systematycznego błędu. Błędy te się zdarzają i mogą na przykład spowodować, że wszystkie natężenia linii harmonicznych będą o 2% wyższe”, wyjaśnia dr. Bielskiej. „Różne techniki, różne laboratoria i wykonywane niezależnie pomiary zmniejszają to ryzyko. Co więcej, obliczenia teoretyczne łączą to wszystko i potwierdzają.”

Siła porozumienia i konsekwencja

„Na tym polega największe osiągnięcie naszej pracy. Nie tylko pokazujemy, że można osiągnąć promilową zgodność i konsekwencję, ale także pokazujemy, jak to zrobić. Ponadto takie podejście można zastosować również do innych. duże wyzwanie, zarówno teoretycznie, jak i eksperymentalnie, ale można je pokonać” – dodaje dr. Bielskiej.

Wspólny artykuł i dotychczasowa współpraca między laboratoriami to dopiero początek. Nieformalne „konsorcjum” ma już zespoły naukowców z różnych uczelni, instytutów badawczych i metrologii – chcą kontynuować rozpoczęte wysiłki i jednocześnie prowadzić pomiary natężeń linii harmonicznych innych molekuł. Wszystko w celu uzyskania jak najdokładniejszych wyników i dostarczenia danych referencyjnych potrzebnych do badań atmosferycznych, metrologii, badań podstawowych i wielu innych dziedzin współczesnej nauki.

Dostarczone przez Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu