Измерение метана с помощью простого газового датчика с открытым контуром

Авторы: Ютака Мацуми, Такахиро Хидемори, Томоки Накаяма, Реичи Имасу и Сурендра Кумар Дакка.

Метод лазерной спектроскопии ближнего ИК диапазона позволяет проводить непрерывные измерения выбросов метана в сельской местности на севере Индии.

Метан является вторым по распространенности парниковым газом после двуокиси углерода и влияет на тропосферный озон и водяной пар, еще больше увеличивая его значение для радиации Земли. Из-за своего короткого срока службы в атмосфере по сравнению с углекислым газом сокращение выбросов метана может привести к быстрому реагированию на замедление изменения климата. Таким образом, мониторинг метана будет важным компонентом нормативно-правовой базы по парниковым газам. Однако ограничить атмосферный бюджет метана оказалось трудно, особенно из-за его многочисленных источников.

В отдаленных и сельских районах проблемы с пространством, газом и электричеством, пылью и температурой могут создавать проблемы при создании наземных станций для измерений атмосферного газа. Часто не хватает инфраструктуры для установки ценных и деликатных анализаторов метана, таких как газовый хроматограф и приборы для кольцевой спектроскопии. В результате часто возникают неопределенности в количественной оценке выбросов метана. Спутниковые наблюдения могут позволить обнаружить метан и получить информацию о содержании газа, но это может быть поставлено под угрозу в районах с частым облачным покровом и высокой оптической глубиной аэрозоля. В конечном счете, нам необходимы подробные сравнения между спутниковыми и наземными измерениями, что требует проведения атмосферных измерений на месте в обширных и быстрорастущих регионах для лучшего и более детального понимания бюджетов метана.

Чтобы получить наблюдения на месте в отдаленных регионах, одним из традиционных и надежных методов измерения газа является отбор проб с воздушного судна с последующим лабораторным анализом. Однако, чтобы быть эффективным, этот метод требует частых отборов проб и измерений для изучения региональных выбросов и адвекции (объемное движение жидкостей).

Чтобы преодолеть эти проблемы, мы разработали систему измерения концентрации метана в полевых условиях, которая обеспечивает непрерывные наблюдения и интерполирует данные, полученные традиционным методом отбора проб, с интервалом в одну неделю. Мы эксплуатировали систему в сарае на рисовом поле в сельской местности на севере Индии, недалеко от источников метана. Мы использовали систему обнаружения LaserMethane miniG (LMm), которая изначально была разработана для выявления утечек газа. Прибор небольшой (W70 × D179 × H42 мм), экономичен, имеет низкое потребление электроэнергии (1 Вт), требует минимального обслуживания и отличается высокой прочностью. Он может непрерывно измерять концентрацию метана в атмосфере и поэтому подходит для полевых наблюдений в сельской местности.

LMm определяет и измеряет метан методом с открытым контуром, используя диодный лазер ближнего ИК диапазона для ИК-спектроскопии поглощения. При полевых измерениях лазерный свет возвращается отражателем, расположенным в десятках метров от устройства, и обнаруживается фотоприемником в приборе (см. Рисунки 1, 2). LMm может быстро и избирательно определять концентрацию метана, интегрированную по открытому оптическому пути, и достигает высокой чувствительности путем обнаружения второй гармоники с использованием спектроскопии с модуляцией длины волны. Относительная погрешность концентрации метана для времени интеграции 10 минут составляет менее 2% при измерении типичной концентрации в атмосфере с длиной пути 50 метров. Мы предоставили приборное шасси и раму для регулировки лазерного выравнивания, а также систему питания с батарейным питанием для обеспечения непрерывной работы, так как в регионе есть только прерывистый источник питания переменного тока (см. Рисунок 1).

Рисунок 1 – Полевая система для измерения концентрации метана с использованием детектора LaserMethane miniG и солнечного источника питания.

Рисунок 2 – Место наблюдения метана в рисовом поле в Сонепате, Хариана, север Индии. (Врезка) Изменение во времени концентрации CH4 на площадке 7–9 июня 2015 г.

Мы проводили непрерывные измерения метана на индийском рисовом поле с декабря 2014 года, чтобы исследовать суточные и сезонные колебания концентрации метана и их связь с источниками и метеорологическими условиями (см. Рисунок 2). Мы калибровали значения концентрации метана по данным, полученным с использованием метода отбора проб в сосуде, один раз в неделю на одном и том же участке. Измерительная система предоставила не только характеристики сезонных колебаний, таких как увеличение содержания метана в сезон муссонов, связанных с фенологией рисовой растительности, но также предоставила подробную информацию о суточных и ежедневных изменениях, связанных с местными метеорологическими условиями и местными условиями. выбросы. Рисунок 2 (вставка) показывает типичные результаты суточных изменений. Полученные результаты наблюдений доказывают долговечность прибора для наблюдений метановой сети.

Наша система достигла недорогой, легко устанавливаемой, практически не требующей обслуживания производительности, обеспечивая измерения в труднодоступных местах вблизи источников метана. Наша будущая работа будет сосредоточена на расширении сети наблюдений на большей территории от равнин до горных районов. Таким образом, мы можем продолжить исследования спутниковых поисков, которые показывают увеличение метана в виде шлейфа над Южной Азией в течение сезона муссонов, что предполагает увеличение выбросов и глубокой конвекции в это время года.

Эта работа спонсируется программами «Зеленая сеть передового опыта» Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии. Мы благодарны доктору Юкио Терао (Национальный институт экологических исследований, Япония) за замеры проб метана в Индии.

Ютака Мацуми, Такахиро Хидемори, Томоки Накаяма
Институт космических исследований Земли и окружающей среды
Нагойский университет
Нагоя, Япония
Рёичи Имасу
Институт атмосферы и океана
Токийский университет
Кашива, Япония
Сурендра Кумар Дакка
Колледж Райдхани
Университет Дели
Нью-Дели, Индия