Metody pomiarowe: spektroskopia

Encyklopedia Klimatologiczna ESPERE. Skrót od angielskich słów:
ENVIRONMENTAL SCIENCE PUBLISHED FOR EVERYBODY ROUND THE EARTH
ENCYKLOPEDIA ESPERE - menu główne (rozwiń)
Dział: Troposfera. Poziom zaawansowany.
dział TROPOSFERA: ZAAWANSOWANE - menu (rozwiń)

Większość atmosferycznych gazów śladowych występuje w stężeniach mniejszych od jednej milionowej. Jak możemy dokładnie zmierzyć ich zawartość w powietrzu? Jakich metod pomiarowych używa się najczęściej?

Do analiz składu chemicznego powietrza, zarówno w warunkach laboratoryjnych jak też terenowych, najczęściej stosowane są dwie metody:
a) spektroskopia – bazująca na różnych reakcjach cząstek powietrza na promieniowanie,
b) chromatografia - bazująca na różnych reakcjach cząstek powietrza z innymi cząstkami.

Cechy charakterystyczne promieniowania

W życiu codziennym, używając radia, kuchenki mikrofalowej, solarium czy wykonując zdjęcie rentgenowskie, spotykamy się z wieloma rodzajami fal elektromagnetycznych. Każda z nich posiada inną energię i tylko niektóre fale możemy zobaczyć (jako światło). Zakresy wszystkich tych fal tworzą razem spektrum elektromagnetyczne. Energia fal wzrasta w zależności od ich długości, najmniej energii niosą fale radiowe, więcej mikrofale, a następnie promieniowanie podczerwone, widzialne, UV i rentgenowskie. Czym krótsza fala tym wyższa częstotliwość i tym większa energia. Prawie wszystkie rodzaje fal wywierają jakiś wpływ na cząstki znajdujące się w powietrzu, a z rodzaju tego oddziaływania możemy wywnioskować jakie cząstki je wywołały.

1. Spektrum elektromagnetyczne składa się z fal elektromagnetycznych o różnej długości i różnej energii. Większość z nich jest przydatna w badaniach atmosfery, do określenia rodzaju i stężenia cząstek w nim się znajdujących.
Źródło ryciny oraz więcej informacji o spektrum elektromagnetycznym: NASA
Polska wersja ryciny: Mateusz Kamiński

Długość fali, częstotliwość i energia poszczególnych zakresów spektrum elektromagnetycznego:

Fale

Długość fali (m)

częstotliwość (Hz = s-1)

Energia (J)

radiowe

> 1 x 10-1

< 3 x 109

< 2 x 10-24

mikrofale

1 x 10-3 - 1 x 10-1

3 x 109 - 3 x 1011

2 x 10-24- 2 x 10-22

podczerwone

7 x 10-7 - 1 x 10-3

3 x 1011 - 4 x 1014

2 x 10-22 - 3 x 10-19

widzialne

4 x 10-7 - 7 x 10-7

4 x 1014 - 7.5 x 1014

3 x 10-19 - 5 x 10-19

UV

1 x 10-8 - 4 x 10-7

7.5 x 1014 - 3 x 1016

5 x 10-19 - 2 x 10-17

rentgenowskie

1 x 10-11 - 1 x 10-8

3 x 1016 - 3 x 1019

2 x 10-17 - 2 x 10-14

gamma

< 1 x 10-11

> 3 x 1019

> 2 x 10-14

Wzajemne oddziaływanie promieniowania i cząsteczek

Gdy fala elektromagnetyczna napotyka na cząsteczkę w powietrzu może przekazać jej swoją energię i zmienić jej stan fizyczny. Aby wprawić cząsteczkę w ruch obrotowy potrzeba mniej energii niż gdy chcemy zmienić długość jej wiązań atomowych. Jeszcze więcej energii potrzeba aby przemieścić elektrony na inny poziom. Wszystko zależy od tego jakie atomy budują daną cząsteczkę, od ich rozmiarów i siły wiązań atomowych. Niektóre cząsteczki zużywają fale o określonych długościach aby zmienić swoje wybrane cechy. Dzięki temu, gdy kierujemy fale elektromagnetyczne na daną objętość powietrza i porównujemy cechy promieniowania przed i po przejściu przez nią, możemy stwierdzić, że część promieniowania została pochłonięta przez cząsteczki zawarte w tym powietrzu. Dalsza analiza pozwala stwierdzić jakie cząsteczki są zawarte w tej objętości powietrza i w jakich ilościach.

Załóżmy, że emitujemy ze źródła promieniowania podczerwonego (S), o różnej energii (E), strumień fal elektromagnetycznych skierowany na daną objętość powietrza. Mierzymy jaka część tego promieniowania dotrze do odbiornika (D). Fale o różnych długościach posiadają różną energię co odzwierciedlają różne odcienie koloru czerwonego na rysunku 2 a.

Pewna cząsteczka pochłania promieniowanie o danej energii (dwa rodzaje fal spośród sześciu widocznych na rysunku poniżej). Te fale nie docierają do odbiornika. Gdy porównamy spektrum elektromagnetyczne na odbiorniku w obu przypadkach to po pojawieniu się cząsteczki widzimy, że powstaje wyraźne zaznaczone maksimum pochłaniania (prawa strona rysunku 2 b). Oznacza ono straty w wysłanym strumieniu promieniowania. Czym więcej promieniowania jest pochłaniane tym wyższe maksimum (patrz też ryc. 2 d).

Inna cząsteczka także pochłania promieniowanie. Jednak potrzeba więcej energii aby zmienić długość wiązań atomowych. Maksimum pochłaniania pojawia się więc w innej części spektrum.

2. a-c) Wzajemne oddziaływanie promieniowania ??? i cząstek.
Autor: Elmar Uherek

2. d) W przeciwieństwie do trzech poprzednich schematów, ten pokazuje fale z małego przedziału spektrum (wszystkie strzałki mają ten sam kolor co oznacza prawie taką samą energię), np. fale pochłaniane przez cząstkę z przykładu 2 a. Osłabienie koloru widoczne na detektorze informuje nas, że dotarło tam mniej promieniowania niż było wysłane, proporcjonalnie do ilości cząsteczek je pochłaniających. Na wykresie spektrum pochłaniania pojawia się wyraźne minimum gdyż mniej promieniowania dociera do odbiornika.

Analizując spektrum na odbiorniku dowiadujemy się (na podstawie umiejscowienia maksimum) jakie cząsteczki znajdują się w powietrzu. Z wielkości tego maksimum wnioskujemy natomiast ile jest tych cząsteczek, gdyż pochłanianie promieniowania jest proporcjonalne do ilości cząsteczek.

Pochłanianie promieniowania w atmosferze można mierzyć na kilka sposobów. Na powierzchni ziemi można mierzyć pochłanianie światła słonecznego i księżycowego w zakresie od UV do promieniowania widzialnego. Satelity mierzą promieniowanie podczerwone emitowane przez Ziemię. Mogą one także mierzyć wielkość promieniowania odbitego przez powierzchnię Ziemi lub przez chmury oraz promieniowania biegnącego po stycznej do powierzchni Ziemi (ryc. 3).

3. Satelitarne pomiary pochłaniania promieniowania w atmosferze.
Autor: Elmar Uherek

Obecnie promieniowanie podczerwone Ziemi (temperaturę powierzchni) mierzy się przy pomocy satelitów. Z przestrzeni kosmicznej można jednak obserwować także wiele ważnych nieorganicznych związków jak ozon, tlenki azotu czy tlenki halogenowe. Przykładem takich badań jest Globalny Eksperyment Monitorowania Ozonu (ang. Global Ozone Monotoring Experiment (GOME)). Mierzy się jednak nie tylko ozon, ale także NO2, parę wodną, SO2 i formaldehydy (HCHO). Przyrząd GOME jest umieszczony na pokładzie satelity ERS-2 i mierzy spektra w zakresie UV-promieniowanie widzialne oraz w bliskiej podczerwieni (240-790 nm).

4. Spektra różnych nieorganicznych związków występujących w atmosferze, uzyskane przy pomocy pomiarów satelitarnych przyrządem GOME.
Źródło: zespół badań satelitarnych, IUP, Heidelberg

Zarówno źródło promieniowania jak i odbiornik mogą być także oczywiście zainstalowane na powierzchni Ziemi. Ponieważ nie mogą one być od siebie zbytnio oddalone, i ponieważ badane stężenia są raczej małe, stosuje się skomplikowane układy luster (np. tzw. białe skrzynki). Pozwala to na kilkukrotne odbicie wiązki promieniowania i na wydłużenie drogi tej wiązki przez atmosferę. Ryc. 5 pokazuje założenia teoretyczne takiej instalacji (górna część ryciny) oraz jej działanie w praktyce (dolna część ryciny). Użyto tu spektroskopii w podczerwieni, a poniżej prezentujemy przykładowe wyniki badań

5. Zasada działania tzw. białej skrzynki.
Objaśnienia: plant – zakład produkcyjny, plume – smuga dymu, dispersion – rozprzestrzenianie się, wind flow – wiatr, community – osiedle, fenceline measurement - pomiar przy ogrodzeniu, retro - odbiornik.
Źródło: schemat: EPA Field Analytic Technology Enyclopaedia; zdjęcie: FZ Jülich
Uwaga: Promieniowanie podczerwone jest dla nas niewidzialne. Na zdjęciu możemy je zobaczyć tylko dlatego, że źródło promieniowania podczerwonego emituje także światło w kolorze czerwonym.

6. Przykład wyników badań prowadzonych metodą tzw. białej skrzynki
Spektrum CO2 dla podczerwieni oraz wywołane wibracje. Spektra dla podczerwieni mogą być dość skomplikowane jeśli zakresy pochłaniania różnych substancji nakładają się na siebie, albo gdy cząsteczki obecne w powietrzu mają skomplikowaną budowę i pojawia się kilka rodzajów wibracji. Poniżej: przykłady wibracji dla CO2. Litery na schemacie odpowiadają oznaczeniom literowym animacji.
Objaśnienia: asymetric stretch - asymetryczne rozciąganie, predicted at – przewidywane na, observed at – obserwowane na, symetric stretch - symetryczne rozciąganie, not IR active - podczerwień nie aktywna, bending mode – rodzaj zakrzywienia.
Autor schematu i animacji: Scott Van Bramer, Widener University

Wibracje:

A Asymetryczne rozciąganie

B Symetryczne rozciąganie
[podczerwień nieaktywna]

C pionowe zakrzywienie

D poziome zakrzywienie

Zajrzyj także na te strony!

Jeśli interesują Cię właściwości światła to zajrzyj na stronę:
Chmury i aerozole - poziom podstawowy - 3. Słońce i chmury - Tęcza
Więcej informacji o technikach obserwacji atmosfery:
Stratosfera - poziom podstawowy - 1. Podstawowe wiadomości o stratosferze i metody jej obserwacji

O tej stronie:

Autor: dr Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Recenzent: Dr. Mark Lawrence - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy - 2004-05-05
Konsultacja dydaktyczna: Michael Seesing - Univ. of Duisburg, Niemcy - 2003-07-02
Ostatnia aktualizacja: 2005-07-29
Tłumaczenie na język polski: dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków

Ostatnia modyfikacja: czwartek, 21 czerwiec 2018, 14:41