中赤外オフアクシス・ICOS分光器を用いたアンモニアの高速空中計測

Fast in situ airborne measurement of ammonia using a mid-infrared off-axis ICOS spectrometer.

抄録

オフアクシス・インテグレーテッド・キャビティ出力分光法をベースに、新しいアンモニア（NH3）分析器を開発した。エネルギー省のガルフストリーム-1航空機に搭乗して対流圏の測定を行い、その実現可能性を実証した。アンモニア分析器は，光学セル，量子カスケードレーザ，ガスサンプリング装置，制御・データ収集電子機器，分析ソフトウェアから構成される．NH3混合比は、9.67μm付近のNH3基本振動帯にレーザーの波長を合わせることで得られる高分解能の吸収スペクトルから決定される。広いダイナミックレンジ（0-101ppbv）で優れた直線性が得られ、応答速度（1/e）2Hz、精度±90pptv（1σ in 1s）である。ワシントン州ヤキマ渓谷上空で2回の研究飛行を実施した。1回目のフライトでは、風が弱く穏やかな大気条件下で、アンモニア分析器を用いて地元の酪農場の家畜のサインを高い垂直分解能と空間分解能で識別しました。2回目のフライトでは、風の強い条件下で家畜の排ガス信号を捕捉しました。この結果は、この新しいアンモニア分光計が、大気組成とエアロゾル形成の理解を深めるために、空中プラットフォームでアンモニアの高速、精密、正確なその場観測を提供できることを実証しています。

A new ammonia (NH3) analyzer was developed based on off-axis integrated cavity output spectroscopy. Its feasibility was demonstrated by making tropospheric measurements in flights aboard the Department of Energy Gulfstream-1 aircraft. The ammonia analyzer consists of an optical cell, quantum-cascade laser, gas sampling system, control and data acquisition electronics, and analysis software. The NH3 mixing ratio is determined from high-resolution absorption spectra obtained by tuning the laser wavelength over the NH3 fundamental vibration band near 9.67 μm. Excellent linearity is obtained over a wide dynamic range (0-101 ppbv) with a response rate (1/e) of 2 Hz and a precision of ±90 pptv (1σ in 1 s). Two research flights were conducted over the Yakima Valley in Washington State. In the first flight, the ammonia analyzer was used to identify signatures of livestock from local dairy farms with high vertical and spatial resolution under low wind and calm atmospheric conditions. In the second flight, the analyzer captured livestock emission signals under windy conditions. Our results demonstrate that this new ammonia spectrometer is capable of providing fast, precise, and accurate in situ observations of ammonia aboard airborne platforms to advance our understanding of atmospheric compositions and aerosol formation.