KontaktGrudziądzka 5, 87-100 Toruń
tel.: +48 56 611 3310

Siła zgodności wyników

W laboratorium, pełnym sprzętów i kabli, po prawej stronie stoi kobieta w okularach
Dr Katarzyna Bielska z Katedry Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej w Instytucie Fizyki UMK fot. fot. Andrzej Romański

Trzy grupy doświadczalne i zespół teoretyków, różne laboratoria, odmienne metody, a wyniki ich pomiarów natężeń linii widmowych zgodziły się ze sobą na promilowym poziomie. To pierwszy tego typu przypadek. Duży udział w tym naukowym sukcesie ma zespół fizyków z naszego uniwersytetu.

W badaniach natężeń linii widmowych wzięli udział naukowcy z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu: dr Katarzyna Bielska, dr hab. Agata Cygan, prof. UMK, prof. dr hab. Roman Ciuryło oraz prof. dr hab. Daniel Lisak. Swoje pomiary przeprowadziły również zespoły z National Institute of Standards and Technology w USA i Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) z Niemiec. Obliczeniami teoretycznymi zajęła się zaś grupa z University College London.

O ich przełomowej pracy: przedmiocie badań, metodach, które zastosowali oraz przede wszystkim wynikach, jakie osiągnęli można przeczytać w artykule "Subpromille Measurements and Calculations of CO (3–0) Overtone Line Intensities", który ukazał się w najnowszym czasopiśmie "Physical Review Letters", otrzymując wyróżnienie "Editors' Suggestion".

W literaturze przedmiotu nie było dotąd przypadku, by natężenia molekularnych linii widmowych mierzone różnymi technikami i w różnych laboratoriach zgodziły się na promilowym poziomie ze sobą i jednocześnie z wynikami niezależnych obliczeń teoretycznych – tłumaczy dr Katarzyna Bielska z Katedry Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej UMK, pierwsza autorka artykułu. – Co istotne, tak dokładne pomiary są niezwykle przydatne wszędzie tam, gdzie chcemy spektroskopowo określać zawartość substancji, np. w badaniach atmosfery ziemskiej, a także analizie atmosfer innych ciał niebieskich. Ponadto dokładne poznane natężenia linii widmowych można zastosować do celów metrologicznych, m.in. do opracowania wzorców temperatury czy ciśnienia.

Idealny kandydat: tlenek węgla

Toruńscy badacze zajmują się przede wszystkim spektroskopią molekularną, interesuje ich badanie widm molekuł (widmo stosunkowo małej cząsteczki w dużej rozdzielczości składa się z tysięcy tzw. linii widmowych), a w tym przypadku w szczególności skupili się na pomiarach natężenia linii widmowych.

Wszystkie cztery zespoły zajęły się tlenkiem węgla, który szczególnie dobrze pasuje się do badań tego typu. Z jednej strony jest cząsteczką stosunkowo prostą, ale już z punktu widzenia obliczeń kwantowo-mechanicznych – skomplikowaną – nadaje się więc zarówno do prowadzenia najdokładniejszych pomiarów, jak i do testowania różnych teorii.

Tlenek węgla jest "przyjazny" od strony eksperymentalnej, jest wprawdzie  dla nas niebezpieczny, ale jeśli umiemy sobie z tym poradzić, możemy w pełni wykorzystać możliwości, jakie daje nam do badań – mówi dr Bielska. – Ma dosyć prostą strukturę widma, jest też mniej podatny na komplikacje eksperymentalne spowodowane adsorpcją i desorpcją ze ścian komórek próbki niż np. woda.

Grupom z Polski, Niemiec, Stanów Zjednoczonych oraz Wielkiej Brytanii zależało na jak najdokładniejszych pomiarach natężeń linii widmowych tlenku węgla i uzyskaniu jak największej zgodności wyników. Precyzja w tym zakresie jest bowiem bardzo istotna.

Jeśli znam dobrze natężenie linii widmowej, a następnie zmierzę tę linię w nieznanej próbce, wówczas będę w stanie stwierdzić, jaka jest w niej zawartość tej absorbującej substancji. Tłumacząc jeszcze jaśniej: jeśli zmierzę natężenie linii w mojej próbce tlenku węgla, a następnie dokonam pomiaru np. w powietrzu w konkretnym pomieszczeniu, to jestem w stanie na tej podstawie stwierdzić, że tego tlenku jest dokładnie tyle w tym pomieszczeniu – wyjaśnia dr Bielska. – I właśnie dlatego tlenek węgla, a dokładniej znajomość natężeń jego linii widmowych, jest przydatny w zastosowaniach atmosferycznych.

Pamiętać jednak trzeba o tym, że w przypadku badań zawartości tlenku węgla w atmosferze ziemskiej potrzebną dokładność pomiarów jasno określa World Meteorological Organization – porównania laboratoryjne zawartości tlenku węgla w próbce nie powinny się różnić między sobą o więcej niż 2,5 promila.

Te 2,5 promila to już jest bardzo duża dokładność. Niestety do tej pory przy przeglądaniu literatury naukowej na ten temat okazywało się, że natężenia tych samych linii wyznaczone w różnych laboratoriach lub obliczone teoretycznie przez różne grupy badawcze mogą się różnić między sobą nawet o kilka procent, czyli 10, 20 razy więcej niż dokładności promilowe, których oczekujemy – mówi dr Bielska.

Cząsteczki tlenku węgla są ważne w procesie globalnego ocieplania klimatu. Choć jest ich w atmosferze znacznie mniej niż np. cząsteczek dwutlenku węgla, to mają większy potencjał globalnego ocieplenia ze względu na reakcje chemiczne, w jakich biorą udział w atmosferze, wpływają na czas życia innych ważnych cząsteczek: metanu i ozonu. Dlatego wymagania odnośnie do dokładności pomiarów spektroskopowych tlenku węgla, podobnie jak innych głównych gazów cieplarnianych, szybko rosną.

Różne drogi do celu

Każda z grup obrała inną metodę pomiaru. Fizycy z UMK oparli swoją na dyspersji we wnęce optycznej (CMDS), gdyż ostatnio wykazali, iż prowadzi ona do wyników dokładniejszych niż powszechnie stosowane techniki absorpcyjne. Warto dodać, że sama metoda CMDS została opracowana w tej samej toruńskiej grupie. Amerykanie skupili się na technice CRDS (tzw. metoda strat we wnęce, metoda absorpcyjna), która dodatkowo została poddana niestandardowym procedurom kalibracji, by uzyskać dokładniejsze wyniki. Niemcy natomiast wykonali pomiary metodą spektroskopii fourierowskiej – jest to bardzo często stosowana technika, jednak w tym przypadku i ona została dopracowana przy użyciu niestandardowych procedur kalibracyjnych. Dodatkowo ogromną pracę wykonała grupa teoretyków z Londynu. Wszystkie zespoły uzyskały zgodność na poziomie lepszym niż 1 promil.

Przy monitorach stojących na biurku siedzi, od lewej: kobieta i mężczyzna
Fizycy z UMK oparli pomiary na dyspersji we wnęce optycznej (CMDS). Na zdjeciu dr Katarzyna Bielska oraz prof. dr hab. Daniel Lisak fot. Andrzej Romański

- Pomiar różnymi technikami ma tę olbrzymią zaletę, że pozwala na lepszą weryfikację tego, czy nie pojawił się jakiś systematyczny błąd. Takie błędy się bowiem zdarzają, mogąc np. spowodować, że wszystkie natężenia linii widmowych wyjdą o 2 proc. za duże - wyjaśnia dr Bielska. - Różne techniki, różne laboratoria i niezależnie od siebie przeprowadzone pomiary redukują to ryzyko. Dodatkowo wszystko to spinają i potwierdzają obliczenia teoretyczne 

W zgodzie siła

Na tym polega największe osiągnięcie naszej pracy. Pokazaliśmy nie tylko, że jest możliwe uzyskanie promilowej zgodności, ale też wskazaliśmy, jak to zrobić. Ponadto takie podejście da się zastosować także w przypadku innych, bardziej skomplikowanych cząsteczek. To duże wyzwanie, zarówno ze strony teoretycznej, jak i eksperymentalnej, ale można mu podołać – dodaje dr Bielska.

Wspólny artykuł oraz wcześniejsza współpraca między laboratoriami jest dopiero początkiem. Do nieformalnego "konsorcjum" dołączają już zespoły naukowców z różnych uczelni, instytucji badawczych i metrologicznych – chcą kontynuować rozpoczęte wysiłki i prowadzić symultaniczne pomiary natężeń linii widmowych innych cząsteczek. Wszystko po to, by osiągnąć jak najdokładniejsze wyniki oraz dostarczyć dane referencyjne niezbędne w badaniach atmosfery, metrologii, badaniach podstawowych i wielu innych obszarach współczesnej nauki.

pozostałe wiadomości