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使用Picarro通量分析儀完成北美大陸甲烷橫斷面測(cè)量

更新時(shí)間:2022-09-23瀏覽:3084次


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加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校海洋科學(xué)研究所Ira Leifer博士

  加利福尼亞州圣巴巴拉 - 加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的科學(xué)家 Ira Leifer博士、Paige Farrell博士和Dan Culling博士最近完成了美國南部的甲烷橫斷面測(cè)量,途中將其 Picarro 通量分析儀交付給路易斯安那州的一艘等候船。Picarro 分析儀和其它設(shè)備最初僅打算用于船上測(cè)量,但Leifer博士認(rèn)為,考慮到運(yùn)輸費(fèi)和到達(dá)港口的費(fèi)用,他們可以開車運(yùn)輸儀器,并借此機(jī)會(huì)收集遠(yuǎn)距離移動(dòng)甲烷數(shù)據(jù)。團(tuán)隊(duì)當(dāng)即租了一輛房車,安裝好儀器,幾乎日以繼夜地開了兩個(gè)星期,從加利福尼亞州圣巴巴拉出發(fā),前往路易斯安那州科科德里和佛羅里達(dá)州圣彼得堡,然后返回加利福尼亞州南部。雖然移動(dòng)測(cè)量日益普及,但就我們所知,這個(gè)團(tuán)隊(duì)是增加車載在線組件,以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)地面測(cè)量的團(tuán)隊(duì)。


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團(tuán)隊(duì)在房車上裝載了氣相色譜儀(GC)、GPS、功率調(diào)節(jié)器、幾臺(tái)帶有手機(jī)調(diào)制解調(diào)器的便攜式計(jì)算機(jī)、一臺(tái) Picarro 通量分析儀以及被稱為“空氣壓力機(jī)"的 30 英尺定制空氣采樣口??諝獠蓸涌谟稍诜寇嚽胺酵怀?10 英尺的 4 英寸 ABS 管材制成。團(tuán)隊(duì)面臨的挑戰(zhàn)是防止 GC 受到地面和墻體振動(dòng)影響。為此,小組將大號(hào)臥鋪區(qū)域改造成臨時(shí)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室,并在壁櫥里配置了氣瓶和真空泵。經(jīng)過大量反復(fù)實(shí)驗(yàn),團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)半充氣的大號(hào)氣墊和幾塊塞滿舒泰龍泡沫塑料填充顆粒的雙層防水布,并在 GC 支腿下墊上帶有“Dr. Scholl"式凝膠支架的膠合板,從而實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)隔離。為了完成任務(wù),團(tuán)隊(duì)使用彈力繩和繩索將其捆綁在了一起。

一旦啟動(dòng)并運(yùn)行,團(tuán)隊(duì)便能每 50 秒從 GC 獲得一次甲烷測(cè)量結(jié)果,而 Picarro 通量分析儀則以 2 赫茲的頻率記錄甲烷、二氧化碳和水汽的數(shù)據(jù)。所采用的測(cè)量方法為:首先使用儀器識(shí)別甲烷特征以及通過視覺識(shí)別地質(zhì)或人為特征,確定興趣點(diǎn)(甲烷熱點(diǎn))。然后,使用從在線網(wǎng)站檢索到的當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù),沿著甲烷濃度增加的方向行駛,直到找到并確認(rèn)源頭。

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在行進(jìn)的過程中,小組能夠不斷完善方法,并迅速適應(yīng)條件的變化。例如:發(fā)現(xiàn)汽車是一個(gè)持久的甲烷來源后,他們調(diào)整了校準(zhǔn)時(shí)間表,在晚上交通減少的時(shí)候進(jìn)行測(cè)量。Daniel還注意到 Picarro 儀器的同步二氧化碳測(cè)量功能在識(shí)別汽車尾氣何時(shí)污染空氣進(jìn)樣方面發(fā)揮了重要作用,這通常會(huì)導(dǎo)致路線的改變。同樣,當(dāng)嘗試在莫哈韋沙漠進(jìn)行本底測(cè)量時(shí),他們發(fā)現(xiàn),即使是不超過 10 座房屋的最小型城鎮(zhèn)的排放也會(huì)導(dǎo)致環(huán)境本底反復(fù)中斷。

由于駕駛房車而無需經(jīng)常停下來找地方用餐、上洗手間或住宿,小組在 11 天的跋涉中可以說實(shí)現(xiàn)了連續(xù)測(cè)量。事實(shí)上,測(cè)量工作通常只在校準(zhǔn)、加注氣瓶或修復(fù)儀器問題時(shí)才會(huì)暫停。當(dāng)小組在偏遠(yuǎn)地區(qū)時(shí)遇到了氣瓶耗盡的情況,但卻有幸避免了長(zhǎng)時(shí)間的延誤。Airgas 公司的路易斯安那州分公司前來救援,更改了本來運(yùn)往加利福尼亞州的一批校準(zhǔn)氣體的路線,使小組能夠繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量。在整個(gè)行程中,幾位研究人員僅在加利福尼亞州南部就記錄了 6000 多個(gè) GC 測(cè)量結(jié)果和 40 多個(gè)小時(shí)的 2 赫茲 Picarro 儀器數(shù)據(jù)。但是,本次行程的可貴之處不僅在于收集的數(shù)據(jù)數(shù)量。數(shù)據(jù)集涵蓋了各種甲烷來源,包括精煉廠和城市等可預(yù)測(cè)的人為來源以及濕地等自然來源。

令人驚訝的是,本次行程測(cè)得的甲烷來源是自然來源。團(tuán)隊(duì)前往拉布雷亞焦油坑時(shí),雖然預(yù)計(jì)會(huì)有明顯的甲烷信號(hào),但從焦油坑及其周邊地區(qū)逸出的地質(zhì)甲烷排放量之大仍遠(yuǎn)超預(yù)期。根據(jù)收集的數(shù)據(jù),這可能占整個(gè)洛杉磯縣總量的四分之一。其它報(bào)告的測(cè)量要點(diǎn)包括:駕車穿越圣貝納迪諾山脈時(shí)獲得的洛杉磯盆地的垂直大氣剖面;以及在附近路易斯安那州發(fā)生大面積山林火災(zāi)時(shí),三次穿過煙霧估算的排放強(qiáng)度。

  Leifer博士在談到這次經(jīng)歷時(shí)說:“大部分人在公路旅行時(shí)會(huì)選擇國家公園,而我們則是穿越了美國的工業(yè)腹地,這也很美妙。相比一般的公路旅行,我們必須集中注意力,密切關(guān)注地形、風(fēng)力和事件的細(xì)節(jié)。這樣的經(jīng)歷使我們能夠以全新視角看待某些事物,這是大部分人一般不會(huì)想到的。"

團(tuán)隊(duì)已將其研究成果投稿給《大氣環(huán)境》(Atmospheric Environments)期刊進(jìn)行發(fā)表;在他們計(jì)劃特別提交的第二部分中,他們將把研究成果與衛(wèi)星數(shù)據(jù)(大氣層制圖掃描成像吸收頻譜儀和溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星)進(jìn)行對(duì)比和聯(lián)系。此行非常成功,團(tuán)隊(duì)已經(jīng)計(jì)劃于夏季前往加拿大北極地區(qū)的麥肯齊三角洲進(jìn)行測(cè)量,并可能在秋季進(jìn)行另一次北美大陸甲烷橫斷面測(cè)量。


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