МОБИЛЬНЫЙ ЛАЗЕРНО-АБСОРБЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МОНИТОРИНГА КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА В МЕСТАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ СТОКОВ
МОБИЛЬНЫЙ ЛАЗЕРНО-АБСОРБЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МОНИТОРИНГА КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА В МЕСТАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ СТОКОВ
Аннотация
Метан (CH4) – это парниковый газ, оказывающий непосредственное влияние на климатические изменения на планете. Одним из источников выбросов метана в атмосфере в процессе сельскохозяйственной деятельности человека является распад навоза животных и органические компоненты сельскохозяйственных стоков. Поэтому актуальным является разработка устройств, осуществляющих дистанционный контроль и измерение концентраций продуктов сельскохозяйственной промышленности (в основном, метана), являющихся по сути антропогенным фактором влияния на атмосферу. В работе рассматривается возможность создания мобильного лазерно-абсорбционного комплекса для мониторинга концентрации метана в местах сельскохозяйственных стоков.
1. Введение
Метан является одним из наиболее важных органических веществ в атмосфере. Наблюдение за уровнем концентрации метана в атмосфере является актуальным вследствие его сильного влияния на климат Земли. Важной задачей является решение научной проблемы детектирования и контроля концентрации метана в атмосфере с применением спектроскопических методов и средств зондирования , , , , для получения фундаментального знания о влиянии антропогенных (добыча угля, свалки, сжигание биомассы, нефтяная и газовая промышленность, рисовые поля, жвачные животные) и естественных (болота) факторов повышения общего содержания парниковых газов на планете и их вклада в изменение климата. Одним из антропогенных источников выбросов метана в атмосферу является сельскохозяйственная деятельность человека, в частности, сюда можно отнести распад навоза животных на сельскохозяйственных фермах и образование органических компонент сельскохозяйственных стоков . Сельское хозяйство оказывает большее воздействие на природную среду, чем любая другая отрасль производства. В сельскохозяйственном секторе метан выделяется при кишечной ферментации (в частности, разложении навоза животных и помета птиц), переработке отходов животных (анаэробные пруды-отстойники), в процессе культивирования риса, и некоторых других сельскохозяйственных производствах. Сельское хозяйство является одним из четырех основных секторов (отраслей) глобальных выбросов метана при условном разделении по антропогенному фактору влияния на атмосферу: сельское хозяйство (навоз), каменный уголь, свалки, нефть и газ. Причем, в сельском хозяйстве открываются самые широкие возможности для сокращения выбросов метана в атмосферу с минимальными экономическими затратами, поэтому дистанционный мониторинг концентрации метана в данной отрасли крайне актуален как в экономическом и экологическом плане, так и в плане безопасности для предотвращения природных катастроф. Хоть пребывание метана в атмосфере и кратковременно, но он является сильным парниковым газом. Мониторинг и контроль концентрации метана и предложенные планы по сокращению его выбросов в атмосферу отдельно по отраслям, вкупе несет в себе важные положительные моменты в секторах экологии, экономики и энергетики. Россия и Бразилия являются ключевыми игроками международного сельскохозяйственного рынка. Бразилия по масштабам сельскохозяйственного производства находится в тройке мировых лидеров. Животноводство является одной из основных отраслей сельского хозяйства и в России и в Бразилии. Поэтому вопрос дистанционного мониторинга и контроля концентрации метана в данном секторе промышленности очень важен, так как локальных пробоотборных измерений газоанализаторами не всегда достаточно. Вследствие этого актуальным является разработка устройств, осуществляющих дистанционный контроль и измерение концентраций метана в местах сельскохозяйственных стоков антропогенного происхождения. В данной работе, международная команда исследователей изучает возможность создания мобильного лазерно-абсорбционного комплекса, совмещающего методики активного и пассивного дистанционного зондирования, для решения задачи мониторинга концентрации метана в местах сельскохозяйственных стоков.
2. Методы и принципы исследования
Мобильный лазерно-абсорбционного комплекс для мониторинга концентрации метана в местах сельскохозяйственных стоков будет включать в себя несколько составных технических частей: лазерная система активного дистанционного зондирования метана, фурье-спектрометр и солнечный трекер, реализующий пассивное зондирование метана.
Среди систем активного зондирования метана все большее распространение получают системы, основанные на диодной лазерной абсорбционной спектроскопии , , . В лазерной системе активного дистанционного зондирования метана целесообразно использовать два узкополосных лазерных диода на on- и off- длинах волн зондирования в спектральном диапазоне ⁓ 1,65 мкм (либо перестраиваемый один лазерный диод). Основной проблемой таких систем является сбор обратно рассеянного сигнала из-за малой мощности лазерных диодов и в соответствии с этим, реализации приемлемого отношения сигнал-шум (SNR), достаточного для регистрации эхо-сигнала. В нашем случае, излучение отправляется в атмосферу и отражаясь от топомишени, попадает на приемный телескоп с апертурой диаметром не более 150 мм (что позволяет обеспечить необходимые расстояния зондирования). Из соотношения сигналов, регистрируемых фотодетектором после телескопа, производится восстановление интегральных значений концентрации метана на трассе зондирования. Также на сбор сигнала и общую производительность (эффективность) системы влияют оптические свойства топографической мишени. На рисунке 1 приведена модель лазерной системы активного дистанционного зондирования метана, которая будет использоваться в мобильном лазерно-абсорбционном комплексе.
![Модель лазерной системы активного дистанционного зондирования метана](/media/images/2023-04-25/0bd3006d-791f-4504-8cf6-58442221f567.png)
Рисунок 1 - Модель лазерной системы активного дистанционного зондирования метана
Примечание: 1 – блок лазерных диодов; 2 – приемный телескоп; 3 – фотоприемный блок
![Внешний вид солнечного трекера](/media/images/2023-04-25/f97393e1-c00c-4b9f-a9c9-7b9f3fa55ba8.jpg)
Рисунок 2 - Внешний вид солнечного трекера
![Штатный фурье-спектрометр ФТ-801 фирмы Симекс](/media/images/2023-05-18/1f864685-da87-479f-881b-864efb830074.jpg)
Рисунок 3 - Штатный фурье-спектрометр ФТ-801 фирмы Симекс
3. Основные результаты
Существуют четыре основные полосы поглощения метана: близ 1,65 мкм, 2,3 мкм, 3,3 мкм и 7,7 мкм Концентрация метана в атмосфере изменяется в широком диапазоне от 2 ppm (фоновое значение ) до 200 ppm и выше в местах, в том числе, сельскохозяйственных стоков. В этой связи для мониторинга лазерно-абсорбционным методом возникает необходимость выбора рабочего спектрального диапазона, обладающего следующими принципиальными свойствами:
1. Наличие двух или более неперекрывающихся линий поглощения;
2. Отсутствие линий поглощения линий других атмосферных газов, в том числе углекислого газа и паров воды;
3. Интенсивность линий поглощения не должна достигать 100% по пропусканию даже при мониторинге на протяженных трассах.
Для этого был проведен полинейный расчет спектров пропускания с использованием модельной атмосферы «USA model, mean latitude, summer, H=0» , состав которой представлен в таблице 1.
Таблица 1 - Состав модельной атмосферы «USA model, mean latitude, summer, H=0»
Молекула | Содержание, % |
H2O | 1,860000 |
CO2 | 0,033000 |
O3 | 0,000003 |
N2O | 0,000032 |
CO | 0,000015 |
CH4 | 0,000170 |
O2 | 20,900001 |
N2 | 77,206000 |
При этом для понимания поведения параметров линий поглощения метана при увеличении концентрации последнего в атмосфере, парциальное давление изменялось от фоновых 2 ppm, или 1,9936•10-6 атм до 200 ppm, или 1,9936•10-4 атм. Параметры, использованные для полинейного расчета представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Параметры расчета спектра пропускания атмосферы
Параметр | Значение |
Температура | 296 |
Форма контура | Фойгт |
Шаг вычислений, см-1 | 9•10-4 |
Аппаратная функция | Гаусс |
Спектральное разрешение, см-1 | 1 |
Оптический путь, м | 100 |
Полученный в результате расчета спектр пропускания атмосферы в диапазоне 1,645-1,655 мкм представлен на рисунке 4.
![Смоделированный спектр пропускания метана в области 1,645-1,655 мкм при разных давлениях](/media/images/2023-04-25/92ecc0c4-571d-4cd0-a396-a64460502429.jpg)
Рисунок 4 - Смоделированный спектр пропускания метана в области 1,645-1,655 мкм при разных давлениях
4. Обсуждение
На основе представленной концепции и результатов спектроскопического расчета создается оригинальный мобильный лазерно-абсорбционный комплекс для мониторинга концентрации метана, совмещающий методики активного и пассивного дистанционного зондирования. Применение разных методик и средств зондирования метана в едином комплексе позволит повысить точность измерений на исследуемых локальных участках при разных атмосферных сценариях наблюдения в условиях лета средних широт, экваториальных и субтропических широт, и проводить валидацию со спутниковыми данными. За счет мобильности разрабатываемого комплекса, он может быть установлен на борту наземного транспортного средства, либо в специально оборудованном кунге.
5. Заключение
Таким образом, разработана концепция мобильного лазерно-абсорбционного комплекса, совмещающего методики активного и пассивного дистанционного зондирования, для мониторинга концентрации метана в местах сельскохозяйственных стоков. Проведен расчет спектров пропускания метана при различных значениях концентраций 2, 4, 10, 50, 100 и 200 ppm. На основе спектроскопического расчета определено, что целесообразно проводить измерения метана методами активного зондирования в местах сельскохозяйственных стоков в спектральном диапазоне 1,645-1,655 мкм, в качестве источника излучения в данном спектральном диапазоне предпочтительно использовать лазерные диоды. В качестве приборов, реализующих пассивное зондирование метана, будут использованы солнечный трекер и фурье-спектрометр.