АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Современное состояние в области разработки газоанализаторов для
анализа атмосферного воздуха 5
2. Физические основы комбинационного рассеяния света 10
3. Методы увеличения интенсивности сигнала комбинационного
рассеяния 17
3.1. Многопроходная система 17
3.2. Повышение концентрации молекул за счет увеличения давления 18
3.3. Увеличение угла сбора и рассеивающего объема 19
4. Экспериментальная часть 21
4.1. Компоненты КР спектрометра 21
4.2. Экспериментальный КР спектрометр 21
4.3. Условия эксперимента 25
4.4. Получаемые спектры КР 27
4.5. Описание процесса извлечения концентраций и результаты 31
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 41
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 42
Как известно, приходимое от солнца в видимой области излучение, поглощается поверхностью планеты, а после переизлучается в инфракрасном диапазоне. Некоторые газы, находящиеся в атмосфере, имеют способность поглощать часть этого инфракрасного излучения, после возвращая накопленную ими энергию во всех направлениях, как в космос, так и к поверхности Земли. Эти газы естественным образом присутствуют в атмосфере, создавая парниковый эффект и носят название парниковых газов.
Наиболее распространенными парниковыми газами являются диоксид углерода CO2, метан CH4. К естественным источникам метана можно отнести болота за счет активного газообмена, также жвачные животные в процессе своей жизнедеятельности производят метан, но не в таких количествах, как при производстве. Помимо естественных источников происхождения молекул данной группы, существуют дополнительные антропогенные вклады, то есть они возникают в результате деятельности человека, их концентрация растет за счет производства. Антропогенная эмиссия метана связана в большей степени с добычей нефти на их месторождениях, а также с процессами горения (степные и лесные пожары, выхлопы автомобилей). В случае молекулы СО2 около половины эмиссий, вызванных сжиганием ископаемого топлива, уходит на фотосинтез и поглощение океаном, поскольку происходит обмен газом между водой и атмосферой. Так что другая половина СО2 остается в атмосфере.
Молекулы имеют достаточно длительное время жизни в атмосфере, что позволяет им там накапливаться даже при снижении выбросов. Любое изменение концентрации парниковых газов в атмосфере вызывает изменение климатического равновесия. Большое скопление этих молекул чревато разрушением озонового слоя, ухудшением экологии. Несмотря на то, что у метана более короткое время жизни в атмосфере, чем у CO 2, CH 4 более эффективно улавливает излучение, удерживая тепло, что вносит значительный вклад в нагревание поверхности Земли, вызывая глобальное потепление планеты примерно в 25 раз больше, чем CO2 за столетний период [1].
Резкое ускорение за последнее время технического прогресса, рост промышленной и сельскохозяйственной деятельности, увеличение количества транспортных средств вызвали изменения в нашей окружающей среде, постепенно изменив химический состав атмосферы на глобальном уровне. В силу этого в 1997 году был принят Киотский протокол, который обязует развитые страны ограничивать и сокращать выбросы парниковых газов в атмосферу, не допуская опасного антропогенного воздействия на климат планеты. А с 2020 года взамен Киотскому протоколу в силу вступило Парижское соглашение, в рамках которого регулируются меры по снижению содержания углекислого газа в атмосфере земли. На основании этого у всех развитых странах, подписавших данное соглашение, возникает необходимость контролировать выбросы парниковых газов.
Также в 2021 году в Российской Федерации одним из ключевых направлений является изучение экологии, уделяется особое внимание климату. Планируется запуск нового большого научного проекта по созданию карбоновых полигонов с целью разработки методики измерения концентрации основных парниковых газов. При помощи этой разработки появится возможность контроля основных участков местности, где происходит выделение и поглощение газов данной категории. Принятое решение также связано с планированием ввода «углеродного налога» в Евросоюзе с 2023 года. В общей сложности будет насчитываться семь таких полигонов в России в разных областях страны. Ближайшей областью, в которой будет установлена система измерения баланса парниковых газов, к Томской области является Новосибирская. Учитывая всю актуальность темы контроля выбросов парниковых газов, необходимо локальное высокоточное оборудование для быстрого зондирования атмосферного воздуха в области географических пробелов. В связи с этим данная работа посвящена разработки метода определения концентрации метана и углекислого газа в атмосферном воздухе. Разберем имеющееся на текущий момент состояние по мониторингу баланса метана и углекислого газа.
В результате проделанной работы, выполнив обзор современного состояния в области анализа атмосферного воздуха при помощи спектроскопии комбинационного рассеяния, была разработана методика регистрации спектров КР, которая позволяет проводить измерения концентрации метана с чувствительностью менее 100 ppb, что на порядок превосходит существующие аналоги.
Разработанная методика обработки спектра в области метана, учитывающая с высокой точность вклад азота в анализируемый спектр, позволяет измерять концентрацию метана в атмосферном воздухе с погрешностью до 74 ppb. Измеренные концентрации имели хорошее согласие с данными сертифицированного CRDS - газоанализатора.
В ходе работы также было проведено измерение концентрации углекислого газа при помощи того же КР - газоанализатора, значение которых, как и в случае с метаном, с хорошей точностью согласуются с эталонными, что доказывает потенциал использования КР - газоанализаторов для получения концентраций основных парниковых газов при помощи лишь одного прибора.
В перспективе точность данного метода может быть улучшена за счет использования детектора с охлаждением до -70°C.
