IR-spectroscopy of the atmosphere

Zusammenfassung

Die Infrarot-Spektroskopie wird seit langem zur Messung von Spurengasen in der Luft angewendet, wobei schnelle Fortschritte während der letzten zehn Jahre erreicht wurden. Die Erforschung der Luftverschmutzung bedingt Messungen bei Mischungsverhältnissen bis hinab zu 10⁻¹⁰. Dies erfordert lange optische Wege wie z.B. von einem Beobachtungspunkt in großer Höhe gegen die untergehende Sonne. Auf der Erdoberfläche läßt sich eine ausreichend lange Absorptionsstrecke am besten mit einer Vielfachreflexionszelle nach J.U. White erreichen. Die Infrarot-Spektroskopie ist besonders erfolgreich bei der Untersuchung der oberen Atmosphäre mit einem auf die Sonne ausgerichteten Spektrometer an einem Ballon. Bei solchen Messungen treten keine nennenswerten Interferenzen durch Wasserdampf auf. Auf der Erdoberfläche jedoch absorbiert Wasserdampf fast überall im Spektrum, so daß die Spurengase durch kleine Störungen des Wasserspektrums nachgewiesen werden müssen. Der Fortschritt der letzten Jahre ist den Fourier-Transform (FT)-Spektrometern zu verdanken. Bei Untersuchungen der unteren Atmosphäre kann man hervorragende Spektren erreichen, wenn man ein FT-Instrument bei einer Auflösung von 0,1 cm⁻¹ und eine White-Zelle mit mäßig großen Spiegeln kombiniert. Dabei sollten Stickstoff-gekühlte Detektoren verwendet werden. Bei Verwendung eines FT-Spektrometers kann der Meßstrahl offen durch die Luft geführt werden, da Signalschwankungen durch Luftturbulenzen kein Rauschen im Spektrum zu bewirken scheinen. Dies resultiert aus dem Multiplex-Verfahren und der hohen Modulationsfrequenz. Zu den Schadstoffen, die durch Infrarot-Spektroskopie in der Umgebungsluft gemessen wurden, zählen HNO₃, HNO₂, NH₃, O₃, CO, CO₂, SO₂, NO, NO₂, H₂CO, HCOOH, Kohlenwasserstoffe, Peroxynitrate, HCl und HF. Weitere Untersuchungen sollten diese Liste verlängern.

Summary

The infrared technique of measuring trace gases in the air has been evolving for many years, with rapid progress during the last ten years. Air pollution research requires such measurements for mixing ratios as low as 10⁻¹⁰. This calls for long optical paths, such as the path from a high altitude observing point to a setting sun. At ground level the best way to achieve a long enough path is to use J.U. White's 3-mirror multiple-pass cell. The infrared method has had its greatest success in the study of the upper atmosphere using balloon-borne spectrometers aimed at the sun. Measurements through the upper atmosphere do not have significant interference from water vapor. At ground level, however, the water vapor absorbs nearly everywhere in the spectrum, and it is necessary to detect the trace gases by the small perturbations they make on the water vapor spectrum. The Fourier transform (FT) spectrometer has been responsible for recent progress. For studies in the lower atmosphere one can obtain superb spectra by combining an FT instrument of about 0.1 cm⁻¹ resolution with a White cell made from mirrors of modest size. Nitrogen-cooled detectors should be used. The path may be in the open air. With an FT instrument, signal fluctuations caused by air turbulence do not appear to introduce noise into the spectrum. This is a result of the multiplexing and the high frequency modulation. Pollutants that have been measured by infrared in ambient air have included HNO₃, HNO₂, NH₃, O₃, CO, CO₂, SO₂, NO, NO₂, H₂CO, HCOOH, hydrocarbons, peroxy nitrates, HCl and HF. Further study should extend this list.