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Eine Revolution in der Höhenmessung: Wie misst man Stickoxide in der Stratosphäre mittels photoakustischer Spektroskopie?
In den 1960er Jahren erforschten Wissenschaftler erstmals, wie sich mithilfe der photoakustischen Spektroskopie die Gaskonzentrationen hoch oben in der Atmosphäre präzise messen lassen, eine einzigartige Technik, die sich zu einem wichtigen Instrument zur Verfolgung von Stickoxiden in der Atmosphäre entwickelt hat. Mit der Zeit und dem technischen Fortschritt liefert die photoakustische Spektroskopie der Wissenschaftsgemeinschaft nicht nur genaue Daten, sondern spielt auch eine unverzichtbare Rolle bei der Erforschung der Luftverschmutzung und des Klimawandels.
Die photoakustische Spektroskopie ist eine Methode zur Messung der Auswirkungen absorbierter elektromagnetischer Energie auf Materie, wobei diese durch Schall erfasst wird.
Die Ursprünge der photoakustischen Spektroskopie gehen auf das Jahr 1880 zurück, als Alexander Graham Bell entdeckte, dass dünne Lichtschichten Geräusche erzeugten, wenn sie schnell vom Sonnenlicht beleuchtet und unterbrochen wurden. In nachfolgenden Experimenten stellten Wissenschaftler fest, dass nicht nur sichtbares Licht, sondern auch Infrarot- und Ultraviolettlicht Schall erzeugen kann. Diese Entdeckung legte schließlich den Grundstein für die zukünftige Höhenortung.
Heutzutage wurden bei modernen photoakustischen Detektoren eine Reihe von Verbesserungen auf Grundlage der ursprünglichen Technologie von Bell vorgenommen. Diese Verbesserungen erhöhen nicht nur die Empfindlichkeit der Messung, sondern machen die photoakustische Spektroskopie auch zu einem wirksamen Instrument zur Unterstützung der Überwachung stratosphärischer Gase. Dabei wird das herkömmliche Sonnenlicht durch moderne leistungsstarke Laser ersetzt, welche nicht nur die Lichtintensität erhöhen, sondern auch die erzeugten Soundeffekte nochmals verstärken. Diese als Laser-Photoakustische Spektroskopie (LPAS) bezeichnete Technik spielt eine Schlüsselrolle bei der Erkennung von Gasen wie Stickoxiden.
Mithilfe der Laser-Photoakustik-Spektroskopie können Wissenschaftler Gaskonzentrationen bis zu einigen Teilen pro Milliarde messen.
Auch bei Messungen in Innenräumen bringen diese neuen Technologien einige Änderungen mit sich. So werden beispielsweise die Ohren durch empfindliche Mikrofone ersetzt und Lock-In-Verstärker verwendet, um das Signal zusätzlich zu verstärken, sodass das erfasste Audiosignal genauer erkannt werden kann. Die Umhüllung der zylindrischen Gasprobe trägt außerdem dazu bei, das Schallsignal durch Anpassung der Modulationsfrequenz zu verstärken. Die Integration dieser Technologien verbessert die Empfindlichkeit der photoakustischen Spektroskopie weiter. Um bessere Ergebnisse bei der Erkennung zu erzielen.
Anfang der 1970er Jahre gelang es dem Wissenschaftler Battelle und seinen Kollegen, mithilfe dieser Technologie die Veränderungen des Stickoxids in 28 Kilometern Höhe zu messen. Diese Daten liefern eine Grundlage für das Verständnis, wie vom Menschen verursachte Stickoxide das Problem des Ozonabbaus verschärfen. Wichtig Referenz. Diese frühen Studien bildeten eine theoretische Grundlage für die spätere Formulierung von Umweltschutzrichtlinien.Die photoakustische Spektroskopie spielt eine wichtige Rolle bei der Auswertung und Erkennung verschiedener Probentypen.
Die photoakustische Spektroskopie findet in vielen Bereichen Anwendung. Bei der Untersuchung biologischer Proben können Forscher die chemische Zusammensetzung der Probe direkt bestimmen, ohne dass diese zerstört oder chemisch behandelt werden muss. Diese Informationen sind insbesondere für die Untersuchung chemischer Wechselwirkungen im Meeresleben oder in Knochen von Bedeutung und könnten auch für die Untersuchung der inneren Knochenstruktur von Menschen mit Osteoporose nützlich sein.
Gleichzeitig erforschen Wissenschaftler ständig neue Lösungen für kostengünstige Anwendungen und planen, die Technologie der photoakustischen Spektroskopie in den Produktionsprozess zu integrieren, um die Kosten zu senken und die Benutzerfreundlichkeit zu erhöhen. In den letzten beiden Jahrzehnten sind viele kostengünstige Instrumente auf den Markt gekommen, mit denen sich Lecks erkennen oder Kohlendioxidkonzentrationen kontrollieren lassen. Ihre technischen Grundlagen beruhen hauptsächlich auf kostengünstigen Wärmequellen, miniaturisierten Designs und elektronischen Analoggeräten.
In der Zukunft könnte die photoakustische Spektroskopie vollständig integrierte mikromechanische Instrumente realisieren und ihre Anwendungsszenarien erweitern.
Auch im Militärbereich bietet die photoakustische Spektroskopie Potenzial, insbesondere bei der Erkennung giftiger chemischer Kampfstoffe. Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit ist diese Technologie wirksam bei der Identifizierung von Spurenmengen chemischer Stoffe, die mit chemischen Angriffen in Verbindung stehen. Darüber hinaus erstreckt sich der Anwendungsbereich von LPAS-Sensoren nicht nur auf die Industrie, sondern auch auf Bereiche wie Sicherheit und Medizin, beispielsweise die Atemanalyse, was die Anwendungsaussichten der photoakustischen Spektroskopie-Technologie weiter erweitert.
Aufgrund kontinuierlicher technologischer Innovationen und ihrer Verbreitung in verschiedenen Bereichen wird die photoakustische Spektroskopie in der zukünftigen Umweltüberwachung und in biomedizinischen Anwendungen eine immer wichtigere Rolle spielen. Werden wir gleichzeitig mit der Weiterentwicklung experimenteller Technologien in Zukunft mehr neue Erkenntnisse zum Umweltschutz erleben?
