Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Антропогенное и техногенное влияние приводит к изменению климата [1] и является одним из ключевых факторов, влияющих на экономку и уровень жизни населения. Углекислый газ (CO2) представляет собой важный антропогенный парниковый газ, который влияет на изменение климата и глобальное потепление [2]. Атмосферный CO2 в основном выбрасывается в результате сжигания ископаемого топлива и частично в результате изменений в землепользовании [3]. Городские районы, которые составляют всего около 2 % площади поверхности Земли, но на долю которых приходится более 70 % глобальных выбросов CO2, являются концентрированными источниками сжигания ископаемого топлива [4]. Вводят термин «потенциал глобального потепления» [5], для преобразования количеств других газов в эквиваленты диоксида углерода.
Для решения глобальной климатической повестки разработана сеть карбоновых полигонов. В феврале 2021 года Министерство науки и высшего образования Российской Федерации запустило пилотный проект по созданию на территории регионов России карбоновых полигонов для разработки и испытаний технологий контроля углеродного баланса и уже к октябрю 2022 г. в России площадь карбоновых полигонов составила значение порядка 39 157,3 га [6]. В настоящее время активно развиваются технологии, основанные на фурье-спектроскопии для мониторинга CO2, CH4 и других парниковых газов [7]. Так, измерения, проводимые по открытой трассе, позволяют провести пространственное усреднение концентраций газов посредством измерения оптического спектра поглощения вдоль трассы между источником и фурье-спектрометром [8, 9] и таким образом рассчитывать концентрацию компонентов.
В работе [10] показано, что использование ближнего инфракрксного (ИК) диапазона совместно фурье-спектрометром применяется для выполнения высокоточных измерений (менее 0,2 %) содержания CO2, CH4, и других парниковых газов.
Инфракрасная спектроскопия является хорошо зарекомендовавшим себя методом анализа многокомпонентных газовых смесей [9, 12], что нашло широкое применение в задачах мониторинга атмосферы [8, 11, 12], в том числе в задаче измерения концентрации диоксида углерода трассовым методом на расстоянии до 600 м [13]. В последнее время ИК-фурье-спектрометры наземного базирования проходят валидацию для размещения на орбитальной углеродной обсерватории OCO-2,3.
В табл. 1 приведены основные технические характеристики применяемого в работе ИК-фурье-спектрометра.
Таблица 1. Основные технические характеристики ИК-фурье-спектрометра
№ п/п | Наименование | Единица | Значение |
1 | Рабочий спектральный диапазон | мкм | 3–11 |
2 | Спектральное разрешение | см–1 | 2 |
3 | Температура ИК излучателя | ⁰С | 950 |
4 | Обнаружительная способность ФПУ на λ = 9 мкм | 109 см√Гц/Вт | 3,5–4,0 |
5 | Уголковый отражатель. Покрытие защищенное золото. Диаметр | мм | 127 |
На рис. 1 приведена оптическая схема описанного в эксперименте ИК фурье-спектрометра.
Инфракрасное излучение от источника 1 попадает в интерферометр Майкельсона 2, после чего делится на светоделителе 3, где одна часть излучения попадает на референтный фотоприемник 4, а вторая часть на коллимирующий объектив 6. Модулированное в интерферометре излучение проходит через исследуемое вещество 7 и после отражения от уголкового отражателя 8 попадает на сигнальный фотоприемник 5. Сигналы с фотоприемников 4 и 5 передаются на компьютер, где преобразуются в инфракрасные спектры и подлежат дальнейшему анализу.
На рис. 2 приведен внешний вид экспериментальной установки. Установка состоит из ИК фурье-спектрометра 1 и уголкового отражателя 2 установленных на треноге. ИК-фурье-спектрометр питается от источников вторичного питания 3. Результаты измерений передаются и обрабатываются на ноутбуке 4. На трассе контроля установлен локальных датчик углекислого газа5.
Измерения концентрации углекислого проводились в закрытом помещении объемом порядка 150 м3, в котором постоянно находились три взрослых мужчины. Человек выдыхает за час в среднем 20...25 л CO2, что является основным источником динамики концентрации исследуемого вещества. Хронология проводимых мероприятий для измерения концентрации диоксида углерода в помещении приведена в табл. 2. Измерения начались с при закрытых окнах и двери в помещении. Референтные значения концентраций СО2 регистрировались на локальном датчике Air Quality Detector D9, Z-Y, Китай. Датчик помещался на трассе между ИК=фурье-спектрометром и уголковым отражателем. Диапазон обнаружения CO2 составляет значения 400...4000 ppm, чувствительность обнаружения CO2 составляет значение 1 ppm, что соответствует значению 1,82 мг/м3.
Таблица 2. Описание эксперимента по измерению концентрации CO2
№ п/п | Проводимое мероприятие |
1 | Открыли окно |
2 | Закрыли окно и дверь |
3 | Открыли дверь |
4 | Открыли окно и дверь |
5 | Закрыли окно и дверь |
6 | Зарытые окна и двери. Состояние затрудненного дыхания человека в помещении |
7 | Открыли окна и дверь |
8 | Окна закрыли |
На рис. 3 представлены зависимости измерения концентрации диоксида углерода в закрытом помещении в соответствии с хронологией поведения эксперимента.
Метод определения концентрации по измерениям ИК-фурье-спектрометра основан на минимизации функционала невязки между эталонным и экспериментальным спектрами CO2.
Для приведенных на рис. 3 значений коэффициент детерминации R2 составляет значение более 0,75, что говорит о хорошей аппроксимации получаемых значений концентраций дистанционным методом (ИК-фурье-спектрометр) и данных локального датчика CO2.
Описанный в настояще работе подход позволяет измерять концентрацию диоксида углерода трассовым беспробоотборным методом.
Стоит отметить, что линии 4,3 мкм имеет наибольшее сечение поглощения и при протяженной трассе линии поглощения будут находиться в насыщении. Анализ линий поглощения диоксида углерода на длине волны 1, 61 или 2,06 мкм позволят измерять концентрации диоксида углерода на протяженных трассах до 1 км и более.
В работе представлена экспериментальная установка, основанная на ИК-фурье-спектрометре с уголковым отражателем для обнаружения и определения концентраций широкого круга веществ, в том числе и углекислого газа. Результаты измерений в эксперименте продолжительностью более 6 ч показали, что с коэффициентом детерминации не хуже 0,96 результаты определения концентрации с дистанционным оптическим методом соответствуют значениям, получаемым на локальном датчике углекислого газа. Изменение концентрации исследуемого вещества в ходе эксперимента более чем в 2 раза говорит о возможности исследования продолжительных вариаций концентраций углекислого газа во времени. Широкий спектральный диапазон ИК-фурье-спектрометра 3...11 мкм позволяет исследовать широкий круг веществ и проводить измерения концентраций широкого круга парниковых и промышленных газов. Расчеты показывают, что описанный в работе метод может применяться для анализа трасс протяженностью до 1000 м, что позволит проводить измерения концентраций парниковых газов на карбоновых полигонах.
