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Fresenius' Zeitschrift für analytische Chemie

, Volume 324, Issue 6, pp 579–588 | Cite as

IR-spectroscopy of the atmosphere

  • Philip L. Hanst
Lectures

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.

Keywords

Water Vapor HCOOH Peroxy H2CO High Frequency Modulation 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Infrarot-Spektroskopie der Atmosphäre

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.

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References

  1. 1.
    Ackerman M, Frimout D, Girard A, Gottingies M, Muller C (1976) Geophys Res Lett 3:81–83Google Scholar
  2. 2.
    Blatherwick RD, Goldman A, Murcray DG, Murcray FJ, Cook GR, Van Allen JW (1980) Geophys Res Lett 7:471Google Scholar
  3. 3.
    Camy-Peyret C, Flaud JM, Laurent J, Stokes GM (1983) Geophys Res Lett 10:35–38Google Scholar
  4. 4.
    Coffey JT, Mankin WG, Cicerone RJ (1981) Science 214:333–335Google Scholar
  5. 5.
    Coffey JT, Mankin WG, Goldman A (1981) J Geophys Res 86:7331–7341Google Scholar
  6. 6.
    Farmer CB, Raper OF, Norton RH (1976) Geophys Res Lett 3:13–16Google Scholar
  7. 7.
    Farmer CB, Raper OF, Robbins BD, Toth RA, Muller C (1980) J Geophys Res 85:1621–1632Google Scholar
  8. 8.
    Farmer CB (1985) A presentation at the 1985 International Conference on Fourier and Computerized Infrared Spectroscopy, Ottawa, CanadaGoogle Scholar
  9. 9.
    Fontanella JC, Girard A, Gramont L, Louisnard N (1975) Appl Opt 14:825Google Scholar
  10. 10.
    Gay BW Jr, Noonan RC, Bufalini JJ, Hanst PL (1976) Sci Technol 10:82–85Google Scholar
  11. 11.
    Goldman A, Fernal FG, Williams WJ, Murcray DG (1978) Geophys Res Lett 5:257Google Scholar
  12. 12.
    Goldman A, Murcray FH, Murcray DG, Rinsland CP (1984) Geophys Res Lett 11:307–310Google Scholar
  13. 13.
    Hanst PL (1971) Spectroscopic methods for air pollution measurement. In: Pitts JN, Metcalf RL (eds) Advances in environmental science and technology, vol 2. John Wiley, New York, pp 91–213Google Scholar
  14. 14.
    Hanst PL, Wilson WE, Patterson RK, Gay BW, Chaney LW, Burton CS (1975) A spectroscopic study of California smog. Environmental Protection Agency Publication EPA 650/4-75-006 Research Triangle Park NC 60Google Scholar
  15. 15.
    Hanst PL, Wong NW, Bragin J (1982) Atmos Environ 16:969–981Google Scholar
  16. 16.
    Herget WF (1979) Air pollution: Ground-based sensing of source emissions. In: Ferraro J, Basile L (eds) Fourier transform spectroscopy, vol 2. Academic Press, New York, pp 111–127Google Scholar
  17. 17.
    Jouve P (1980) Telemesure de HCl, HF, ozone et formaldehyde dans l'atmosphere moyenne par infrarouge haute resolution a partir du sol, in proceedings of a meeting held in Ispra, ItalyGoogle Scholar
  18. 18.
    Mankin WG (1978) Opt Eng 17:39–43Google Scholar
  19. 19.
    Mankin WG, Coffey MT, Griffith DWT (1979) Geophys Res Lett 6:853–856Google Scholar
  20. 20.
    Migeotte M, Neven L, Swensson J (1956) The solar spectrum from 2.8 to 23.7 microns, part I, Photometric atlas. In: Mém Soc R Sci Liege, Special Vol. 1Google Scholar
  21. 21.
    Molina MJ, Rowland FS (1974) Nature 249:810–812Google Scholar
  22. 22.
    Murcray DG, Murcray FH, Williams WJ, Kyle TG, Goldman A (1969) Appl Opt 8:2519–2536Google Scholar
  23. 23.
    Murcray DG, Goldman A, Williams WJ, Murcray FH, Bonomo FS, Bradford CM, Cook CR, Hanst PL, Molina MJ (1977) Geophys Res Lett 4:227–230Google Scholar
  24. 24.
    Murcray DG, Goldman A, Murcray FH, Williams WJ (1979) Geophys Res Lett 6:857–859Google Scholar
  25. 25.
    Niki H, Maker PD, Savage CM, Breitenbach LP (1977) Chem Phys Lett 45:564–566Google Scholar
  26. 26.
    Perner D, Platt U (1979) Geophys Res Lett 6:917–920Google Scholar
  27. 27.
    Scott WE, Stephens ER, Hanst PL, Doerr RC (1957) Proc Am Petrol Inst 37 (III): 171Google Scholar
  28. 28.
    Smith MAH, Rinsland CP (1985) Geophys Res Lett 12:5–8Google Scholar
  29. 29.
    Stephens ER (1969) The formation, reactions, and properties of peroxyacyl nitrates (PANs) in photochemical air pollution. In: Pitts JN, Metcalf RL (eds) Advances in environmental sciences, vol 1. John Wiley, New York, pp 119–146Google Scholar
  30. 30.
    Tuazon EC, Graham RA, Winer AM, Easton RR, Pitts JN Jr, Hanst PL (1978) Atmos Environ 12:865–875Google Scholar
  31. 31.
    White JU (1942) J Opt Soc Am 32:285–289Google Scholar
  32. 32.
    Williams WJ, Kosters JJ, Goldman A, Murcray DG (1976) Geophys Res Lett 3:379–382Google Scholar
  33. 33.
    Williams WJ, Kosters JJ, Goldman A, Murcray DG (1976) Geophys Res Lett 3:383–385Google Scholar
  34. 34.
    Zimmerman PR, Chatfield RB, Fishman J, Crutzen PJ, Hanst PL (1978) Geophys Res Lett 5:679–681Google Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag 1986

Authors and Affiliations

  • Philip L. Hanst
    • 1
  1. 1.Infrared Analysis, Inc.OssiningUSA

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