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使用Picarro通量分析仪完成北美大陆甲烷横断面测量

更新时间:2022-09-23浏览:2842次


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加利福尼亚大学圣巴巴拉分校海洋科学研究所Ira Leifer博士

  加利福尼亚州圣巴巴拉 - 加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的科学家 Ira Leifer博士、Paige Farrell博士和Dan Culling博士最近完成了美国南部的甲烷横断面测量,途中将其 Picarro 通量分析仪交付给路易斯安那州的一艘等候船。Picarro 分析仪和其它设备最初仅打算用于船上测量,但Leifer博士认为,考虑到运输费和到达港口的费用,他们可以开车运输仪器,并借此机会收集远距离移动甲烷数据。团队当即租了一辆房车,安装好仪器,几乎日以继夜地开了两个星期,从加利福尼亚州圣巴巴拉出发,前往路易斯安那州科科德里和佛罗里达州圣彼得堡,然后返回加利福尼亚州南部。虽然移动测量日益普及,但就我们所知,这个团队是增加车载在线组件,以实现移动地面测量的团队。


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团队在房车上装载了气相色谱仪(GC)、GPS、功率调节器、几台带有手机调制解调器的便携式计算机、一台 Picarro 通量分析仪以及被称为“空气压力机"的 30 英尺定制空气采样口。空气采样口由在房车前方突出 10 英尺的 4 英寸 ABS 管材制成。团队面临的挑战是防止 GC 受到地面和墙体振动影响。为此,小组将大号卧铺区域改造成临时分析化学实验室,并在壁橱里配置了气瓶和真空泵。经过大量反复实验,团队使用了一个半充气的大号气垫和几块塞满舒泰龙泡沫塑料填充颗粒的双层防水布,并在 GC 支腿下垫上带有“Dr. Scholl"式凝胶支架的胶合板,从而实现了振动隔离。为了完成任务,团队使用弹力绳和绳索将其捆绑在了一起。

一旦启动并运行,团队便能每 50 秒从 GC 获得一次甲烷测量结果,而 Picarro 通量分析仪则以 2 赫兹的频率记录甲烷、二氧化碳和水汽的数据。所采用的测量方法为:首先使用仪器识别甲烷特征以及通过视觉识别地质或人为特征,确定兴趣点(甲烷热点)。然后,使用从在线网站检索到的当地的风力数据和气象数据,沿着甲烷浓度增加的方向行驶,直到找到并确认源头。

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在行进的过程中,小组能够不断完善方法,并迅速适应条件的变化。例如:发现汽车是一个持久的甲烷来源后,他们调整了校准时间表,在晚上交通减少的时候进行测量。Daniel还注意到 Picarro 仪器的同步二氧化碳测量功能在识别汽车尾气何时污染空气进样方面发挥了重要作用,这通常会导致路线的改变。同样,当尝试在莫哈韦沙漠进行本底测量时,他们发现,即使是不超过 10 座房屋的最小型城镇的排放也会导致环境本底反复中断。

由于驾驶房车而无需经常停下来找地方用餐、上洗手间或住宿,小组在 11 天的跋涉中可以说实现了连续测量。事实上,测量工作通常只在校准、加注气瓶或修复仪器问题时才会暂停。当小组在偏远地区时遇到了气瓶耗尽的情况,但却有幸避免了长时间的延误。Airgas 公司的路易斯安那州分公司前来救援,更改了本来运往加利福尼亚州的一批校准气体的路线,使小组能够继续进行测量。在整个行程中,几位研究人员仅在加利福尼亚州南部就记录了 6000 多个 GC 测量结果和 40 多个小时的 2 赫兹 Picarro 仪器数据。但是,本次行程的可贵之处不仅在于收集的数据数量。数据集涵盖了各种甲烷来源,包括精炼厂和城市等可预测的人为来源以及湿地等自然来源。

令人惊讶的是,本次行程测得的甲烷来源是自然来源。团队前往拉布雷亚焦油坑时,虽然预计会有明显的甲烷信号,但从焦油坑及其周边地区逸出的地质甲烷排放量之大仍远超预期。根据收集的数据,这可能占整个洛杉矶县总量的四分之一。其它报告的测量要点包括:驾车穿越圣贝纳迪诺山脉时获得的洛杉矶盆地的垂直大气剖面;以及在附近路易斯安那州发生大面积山林火灾时,三次穿过烟雾估算的排放强度。

  Leifer博士在谈到这次经历时说:“大部分人在公路旅行时会选择国家公园,而我们则是穿越了美国的工业腹地,这也很美妙。相比一般的公路旅行,我们必须集中注意力,密切关注地形、风力和事件的细节。这样的经历使我们能够以全新视角看待某些事物,这是大部分人一般不会想到的。"

团队已将其研究成果投稿给《大气环境》(Atmospheric Environments)期刊进行发表;在他们计划特别提交的第二部分中,他们将把研究成果与卫星数据(大气层制图扫描成像吸收频谱仪和温室气体观测卫星)进行对比和联系。此行非常成功,团队已经计划于夏季前往加拿大北极地区的麦肯齐三角洲进行测量,并可能在秋季进行另一次北美大陆甲烷横断面测量。


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