АНАЛИЗ МЕТОДОВ ГАЗОАНАЛИЗА ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ЭМИССИЙ МЕТАНА В АТМОСФЕРЕ

ANALYSIS OF GAS ANALYSIS METHODS FOR DETECTING METHANE EMISSIONS IN THE ATMOSPHERE

Svetlana Verkhoshentseva

Senior lecturer of the Department of Computer Science, School of space and information technology, Siberian Federal University,

Russia, Krasnoyarsk

Alexey Tsipotan

Associate Professor of the Basic Department of Photonics and Laser Technologies Institute of Physics and Radioelectronics, Siberian Federal University,

Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена анализу методов газоанализа, используемых для выявления эмиссий метана в атмосфере. Метан, будучи одним из наиболее эффективных парниковых газов, играет значительную роль в изменении климата, и его контроль имеет первостепенное значение для устойчивого развития. В статье рассматриваются как наземные, так и спутниковые технологии мониторинга, включая спектроскопию, инфракрасные и ультрафиолетовые методы, а также лазерные технологии. Особое внимание уделяется сравнительному анализу этих методов с точки зрения их точности, разрешающей способности, масштабируемости и применения в различных условиях. Дается оценка преимуществ и ограничения каждого подхода, а также их роли в глобальном и локальном мониторинге эмиссий метана. В заключение, подчеркивается необходимость интеграции методов газоанализа и будущих исследований для более эффективного контроля выбросов метана, что, в свою очередь, будет способствовать достижению климатических целей и охране окружающей среды.

ABSTRACT

The article is devoted to the analysis of gas analysis methods used to detect methane emissions in the atmosphere. Methane, being one of the most effective greenhouse gases, plays a significant role in climate change, and its control is of paramount importance for sustainable development. The article considers both ground-based and satellite monitoring technologies, including spectroscopy, infrared and ultraviolet methods, as well as laser technologies. Particular attention is paid to a comparative analysis of these methods in terms of their accuracy, resolution, scalability and application in different conditions. An assessment of the advantages and limitations of each approach, as well as their role in global and local monitoring of methane emissions is given. In conclusion, the need for integration of gas analysis methods and future research is emphasized for more effective monitoring of methane emissions, which in turn will contribute to achieving climate goals and protecting the environment.

Ключевые слова: метан, метод, газоанализ атмосферного состава, спектроскопия.

Keywords: methane, method, gas analysis of atmospheric composition, spectroscopy.

1. Введение

Метан (CH₄) является одним из основных парниковых газов, способствующих глобальному потеплению [1]. Его концентрация в атмосфере возрастает с каждым годом, в основном из-за человеческой деятельности, включая сельское хозяйство, добычу ископаемых и свалочные активы. Повышение уровня метана в атмосфере приводит к ряду негативных последствий. К таковым можно отнести глобальное потепление, загрязнение воздуха и климатические изменения. Анализ концентрации метана является важной частью изучения изменения климата и помогает понять его влияние на окружающую среду и здоровье человека. При газоанализе атмосферного состава и, в частности, выявление наличие метана, к основным источникам эмиссий газа относят четыре укрупненные группы: сельское хозяйство, добыча ископаемых, скрытые свалки, болота и влажные экосистемы.

2. Методы газоанализа

Анализ концентрации метана может проводиться различными методами. В наиболее известных работах [2-6] выделяют такие методы газоанализа атмосферного состава для определения наличия метана как спектроскопия, наземные станции мониторинга и спутниковые системы.

2.1 Наземные станции мониторинга

Наземные станции мониторинга для газоанализа метана в атмосфере играют ключевую роль в оценке уровня выбросов этого парникового газа, его транспортировки и распределения в атмосфере. Вот несколько примеров таких станций и систем мониторинга:

1. Global Carbon Project (GCP) - это международная инициатива, которая включает сеть наземных станций, измеряющих концентрацию CO₂, CH₄ и других парниковых газов. Станции расположены по всему миру и предоставляют данные о глобальных выбросах и поглощении углерода.

2. NOAA Global Monitoring Laboratory (GML) - национальное управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA) управляет сетью мониторинга атмосферы, которая включает станции, фиксирующие концентрацию метана. Одним из важных мест является станция в Малуэне, Гавайи. Используются высокочувствительные газовые хроматографы и методы спектроскопии.

3. European Monitoring and Evaluation Programme (EMEP) - сеть мониторинга качества воздуха в Европе, которая также включает измерение уровней метана на различных станциях, расположенных по всему континенту. Комбинация наземных и спутниковых данных позволяет отслеживать концентрацию метана и его источники.

4. Integrated Carbon Observation System (ICOS) - европейская сеть, обеспечивающая систематическое измерение концентраций парниковых газов, включая метан. Станции расположены в разных странах Европы. Использование автоматизированных анализаторов и методов инфракрасной спектроскопии.

5. Total Carbon Column Observing Network (TCCON) - международная сеть станций, которая использует метод солнечной спектроскопии для измерения парниковых газов, включая метан. Станции находятся в различных климатических зонах по всему миру. Спектроскопия высокого разрешения для измерения концентрации метана в атмосфере.

6. Methane Emissions from Natural and Anthropogenic Sources (MethaneSAT) - проект, который сочетает наземные станции и спутниковые технологии для мониторинга выбросов метана от различных источников. Использует комбинацию наземных измерений и удаленных наблюдений с помощью спутников для повышения точности мониторинга.

7. University of California, Irvine: Alpine Laboratory - университетская лаборатория с несколькими станциями, которые ведут постоянный мониторинг атмосферы на предмет содержания метана. Исследования включают использование передовых методов анализа в реальном времени для отслеживания изменений в концентрации газов.

2.2 Спектроскопия.

Спектроскопия является одним из наиболее эффективных методов газоанализа метана в атмосфере, позволяя точно измерять его концентрацию и анализировать источники эмиссий [7]. Вот основные аспекты и методы спектроскопии, используемые для анализа метана:

1. Инфракрасная спектроскопия - метан (CH₄) поглощает инфракрасное излучение на определенных длинах волн (например, около 3.3 мкм) [8]. Изменения в интенсивности поглощения света на этих длинах волн позволяют определить концентрацию метана в образце воздуха. Для измерений используются инфракрасные датчики, такие как лазерные абсорбционные спектрометры.

2. Фурье-образная трансформная инфракрасная спектроскопия - этот метод использует фурье-образное преобразование для анализа спектров поглощения множества газов одновременно, включая метан [9].

3. Ультрафиолетовая спектроскопия - объединяет различные спектральные методы для анализа состояния метана в атмосфере [10]. UV-спектроскопия позволяет определить метан через его характерные поглощения в ультрафиолетовой области спектра.

4. Рамановская спектроскопия - этот метод основан на расчете рассеяния света молекулами метана при взаимодействии с лазерным излучением. Он позволяет получить информацию о молекулярных структурах и концентрации газа [11].

5. Спектроскопия с использованием сверхширокоспектрального анализа - этот подход использует широкий спектр видимого и инфракрасного излучения для анализа газов в атмосфере [12].

3. Заключение. Анализ методов газоанализа для выявления метана в атмосфере представляет собой важный шаг в понимании и контроле этого мощного парникового газа, который существенно влияет на изменение климата. Современные технологии, такие как спектроскопия, радиолокационные методы и спутниковый мониторинг, обеспечивают высокую точность и надежность измерений, позволяя выявлять источники и оценивать уровень эмиссий метана в различных географических и климатических условиях. Каждый из представленных методов обладает своими уникальными преимуществами и ограничениями. Например, наземные станции обеспечивают детальные локальные данные, в то время как спектроскопические методы обеспечивают возможность анализа различных газов одновременно, что актуально для комплексного понимания атмосферной химии. С учетом продолжающегося роста концентрации метана в атмосфере и его воздействием на климат, дальнейшие исследования и совершенствование методик газоанализа играют ключевую роль в разработке стратегий по снижению выбросов и управлению качеством воздуха. Совместное использование различных технологий, их интеграция и обмен данными между научными и государственными учреждениями помогут более эффективно решать задачи мониторинга и контроля метана, что, в свою очередь, будет способствовать устойчивому развитию и охране окружающей среды.

Финансирование. Исследование выполнено за счет средств РНФ (грант №23-27-10035), Красноярского краевого фонда науки.

Список литературы:

1. Бажин, Н. М. Метан в окружающей среде = Methane in the environment : аналит. обзор / Учреждение Рос. акад. наук Гос. публич. науч.-техн. б-ка Сиб. отд-ния РАН. ñ Новосибирск : ГПНТБ СО РАН, 2010. - 56 с. - (Сер. Экология. Вып. 93).
2. Schmidt M., Reith S., Bussmann I., Schroll M., Palzer A., Sander L., Couret C., Wietzel J., Polag D., Keppler F.: CH4 emissions from a marine aggregate extraction site offshore Sylt (eastern North Sea, Germany), EGU General Assembly 2024, Vienna, Austria, 14–19 Apr 2024, EGU24-18936, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu24-18936, 2024.
3. Liu X., Alves Gouveia D., Henzing B., Apituley A., Hensen A., van Dinther D., Huang R., Dusek, U.: Aerosol optical properties within the atmospheric boundary layer predicted from ground-based observations compared to Raman lidar retrievals during RITA-2021, Atmos. Chem. Phys., 24, 9597–9614, https://doi.org/10.5194/acp-24-9597-2024, 2024.
4. Tettenborn, J., Zavala-Araiza, D., Stroeken, D., Maazallahi, H., Hensen, A., Velzeboer, I., van den Bulk, P., Vogel, F., Gillespie, L., Ars, S., France, J., and Röckmann, T.: Improving Consistency in Methane Emission Quantification from the Natural Gas Distribution System across Measurement Devices, EGU General Assembly 2024, Vienna, Austria, 14–19 Apr 2024, EGU24-18491, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu24-18491, 2024.
5. Chen Huilin, Tong, Xin, van Heuven Steven, Scheeren Bert, Kers Bert, Liu Yihao, Hutjes Ronald W. A., Denier Van Der Gon Hugo, Hensen Arjan.: On The Understanding Of Emissions Of N2O And CH4 From Urban Areas, AGU Fall Meeting 2023, held in San Francisco, CA, 11-15 December 2023, Session: Atmospheric Sciences / New Developments in Urban Greenhouse Gas Emissions Quantification and Related Uncertainty I Oral, id. A51F-07.
6. Xin Tong, Bert Scheeren, Fred Bosveld, Arjan Hensen, Arnoud Frumau, Harro A.J. Meijer, Huilin Chen, Magnitude and seasonal variation of N2O and CH4 emissions over a mixed agriculture-urban region, Agricultural and Forest Meteorology, Volume 334, 2023, 109433, ISSN 0168-1923, https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2023.109433.
7. Vitha, Mark F.. Spectroscopy: Principles and Instrumentation. Великобритания, Wiley, 2018. P 336.
8. Ельяшевич, Михаил Александрович. Атомная и молекулярная спектроскопия / М. А. Ельяшевич. — 3-е изд., стер. — Москва: Директмедиа: Дистрибьюшн, 2021 (Санкт-Петербург, 2021).
9. Yahui Gong, Xuerong Chen, Wei Wu, Application of fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy in sample preparation: Material characterization and mechanism investigation, Advances in Sample Preparation, Volume 11, 2024, 100122, ISSN 2772-5820, https://doi.org/10.1016/j.sampre.2024.100122.
10. Misra, Prabhakar; Dubinskii, Mark, eds. (2002). Ultraviolet Spectroscopy and UV Lasers. New York: Marcel Dekker. ISBN 978-0-8247-0668-5
11. Hoffmann, Günter G.. Infrared and Raman Spectroscopy: Principles and Applications. Германия, De Gruyter, 2023. P 444.
12. Xie, C.; Fang, X.; Yang, X. Improved Kalman Filtering Algorithm Based on Levenberg–Marquart Algorithm in Ultra-Wideband Indoor Positioning. Sensors 2024, 24, 7213. https://doi.org/10.3390/s24227213