Это возможно, потому что атомы углерода происходят в тяжелых и легких формах или изотопах, и измерение относительных сумм каждого может показать источник углерода. Используя углеродные изотопы таким образом не новая идея, но она требует чрезвычайно точный – и дорогой – измерения. Новый инструмент, разработанный химиками NIST Адамом Флейшером и Дэвидом Лонгом и на основе технологии, назвал впадину ringdown спектроскопией (CRDS), обещания существенно уменьшить стоимость тех измерений.
Они описали работу инструмента в Журнале Физических Писем о Химии.«Измерение углеродных изотопов является чрезвычайно полезной техникой, но до сих пор, оно нашло ограниченное использование из-за стоимости», сказал Лонг. «Понижение стоимости откроет путь к новым заявлениям, особенно, которые требуют тестирования большого количества образцов».Ключ к этим измерениям – углерод 14, радиоактивное (все же безопасный) изотоп углерода, который сформирован в верхней атмосфере. Тот углерод 14 находит свой путь во все живые существа.
В отличие от обычного углерода, углерод 14 нестабилен с периодом полураспада 5 730 лет. Когда живые существа умирают, они прекращают включать углерод в тела и свой углерод 14 запусков, чтобы распасться далеко.Ученые могут вычислить, когда что-то умерло, имея размеры, сколько углерода 14 находится в, остается.
Ту технику называют датированием по радиоуглероду, и ученые используют его для вещей даты как Неандертальские кости и древние растительные волокна.Ископаемое топливо также – останки живых существ, главным образом заводы, которые умерли сотни миллионов лет назад.
Фактически весь их углерод 14 распался далеко несколько эр назад, таким образом, что-либо произошло от них, отмечен отсутствием измеримых количеств углерода 14.Но углерод 14 чрезвычайно редок, и использовать его для идентификации ископаемого топлива, ученые должны быть в состоянии измерить его при концентрациях всего 1 часть в 10 триллионах.
Это – эквивалент единственного зерна песка в 60 самосвалах, полных материала.Чтобы измерить концентрации, что низко, Вам нужна чрезвычайно чувствительная техника измерений, и такая техника уже существует. Археологи полагались на него в течение многих десятилетий.
Но та техника требует, чтобы ускоритель частиц отделил изотопы (более тяжелый углерод 14 ускоряется более медленно, чем повседневный углерод 12), наряду со средством, чтобы предоставить ему помещение и команда PhDs, чтобы управлять им.Инструмент CRDS, который разработали Флейшер и Лонг, может сидеть на настольной лаборатории и относительно недорог, чтобы работать.Инструменты CRDS анализируют газы, обнаруживая длины волны света, который они поглощают.
Например, CO2that содержит углерод 14 – так называемый тяжелый CO2 – поглощает немного отличающуюся длину волны, чем обычный CO2.Чтобы иметь размеры, сколько тяжелого CO2 Вы имеете в образце CO2, Вы сначала вводите образец во впадину измерения инструмента («C» в CRDS), который является трубой с зеркалами внутри с обоих концов.
Вы тогда настраиваете лазер на точную длину волны, которую только поглощает тяжелый CO2, и стреляйте во взрыв его во впадину. Поскольку лазерный свет подпрыгивает между зеркалами, часть его энергии поглощена газом. Чем больше поглощение, тем больше концентрация тяжелого CO2.Чтобы достигнуть необходимой чувствительности, Флейшер и Лонг увеличили существующую технологию CRDS разработкой система, которая охлаждает впадину к униформе минус 55 градусов Цельсия и минимизирует температурные колебания, которые отбросили бы измерение.
Создание очень холодной впадины позволяет их инструменту обнаруживать очень слабые сигналы поглощения света, тот же самый способ, которым Вы могли бы быть в состоянии услышать, что булавка понижается, если бы Вы потеснились чрезвычайно тихие.Это и другие улучшения повысили чувствительность инструмента достаточно для точного датирования по радиоуглероду.Чтобы проверить биотопливо и биопластмассы, Вы сначала сожгли бы те материалы, затем собрали бы получающийся CO2 для анализа. Это позволило бы Вам проверять топливную смесь, чтобы определить, какая часть ее – биотопливо.
В авиалиниях, например, это было бы полезно, потому что некоторые страны требуют, чтобы авиационное топливо включало определенный процент биотоплива. Такие тесты могли также использоваться, чтобы проверить, что биопластмассы, которые продают за премию, не содержат полученных из нефти комплексов.Чтобы оценить выбросы ископаемого топлива в географической области, Вы собрали бы много воздушных образцов через ту область и проанализировали бы атмосферный CO2 в тех образцах.
У областей с высокими выбросами ископаемого топлива, такими как города и промышленные зоны, будут ниже-нормального концентрации тяжелого CO2.«Выбросы ископаемого топлива растворяют концентрацию тяжелого CO2 в воздухе», сказал Флейшер. «Если мы можем точно измерить ту концентрацию после того, как она была растворена, мы можем вычислить, насколько выбросы ископаемого топлива находятся в соединении».Отчет из Национальной академии наук оценил, что 10 000 образцов в год, собранный в тщательно выбранных местоположениях по Соединенным Штатам, будет достаточно, чтобы оценить национальные выбросы ископаемого топлива к в 10 процентах фактического значения. Такая система измерений может увеличить надежность национальных оценок эмиссии.
Это было бы особенно полезно в частях мира, где высококачественные данные об эмиссии не легко доступны.