Тема: РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТАНА В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ С ПОМОЩЬЮ СПЕКТРОСКОПИИ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ

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.

Купить

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.
Купить