大气环境监测

发布网友 发布时间：2022-04-23 09:15

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热心网友 时间：2023-08-03 12:01

大气环境中CO₂浓度的监测是目前确定CO₂是否泄漏较为有效和快捷的手段之一，其主要目的是发现来自于储存工程可能的泄漏，以及项目周边环境有没有受到负面影响。目前最常用的技术有红外线气体检测技术、大气CO₂示踪、陆地生态系统通量观测三种。

1.光学CO₂传感器

绝大多数CO₂浓度监测技术都是基于CO₂近红外（IR）吸收光谱特征设计的，并且都可以做到实时监测和在线数据传输。由于CO₂在一些近红外光谱段有着较强的吸收特性，同时其他气体在相应的光谱范围内的吸收特性较弱，从而使得一些近红外波段成为探测和监测CO₂的良好途径。CO₂对于近红外4.25μm太阳辐射具有较强的吸收特征，因此该波段对于探测大气中的CO₂非常敏感（图10-2）。大部分固定和移动式的商业化CO₂监测设备都是利用这一近红外通道设计和制造的。CO₂另一个较强的近红外吸收通道是2.7μm，但其吸收强度仅有4.25μm处的1/10。这个通道对于监测CO₂也非常敏感，并且基本不受其他气体的干扰。该通道被美国国家航空航天局（NASA）的火星探险号用于探测CO₂浓度。2μm处也是一个比较有潜力的通道，但CO₂在该通道的吸收率仅为在4.25μm处的1/250，这一弱吸收通道已经被用来探测燃烧环境中的CO₂浓度。在4.41～4.45μm处，¹³CO₂具有较强的吸收特性。由于¹3C的浓度要远低于¹²C的浓度（大约为其的1/100），所以这一通道可以用来探测CO₂浓度较高的环境，探测范围可以达到0.27％。CO₂在1.57μm处仍有一个吸收谷，在这一波段的吸收率很低，约为在2μm 处的1/100。但这一波段几乎完全不受其他气体的干扰，所以这一弱吸收波段不适宜短程CO₂监测（例如燃烧室等），但却在CO₂浓度处于典型大气浓度范围时，是长程CO₂浓度监测的理想波段（Shu1er et al.，2002）。

图10-2 CO₂红外光谱曲线

CO₂近红外（IR）吸收光谱监测分两种类型：非色散红外气体分析（NDIRs）和红外二极管激光仪。非色散红外气体分析使用一个较宽的红外波段，并且辐射光线通过一个装有分析设备的密闭室，是一个封闭短程监测技术；红外二极管激光仪既可以被用于封闭短程监测，也可以被用于开放长程监测，在开放长程监测情况下，分析采样对象直接来自大气。短程监测可以控制在2m以内，而长程监测可以达几百米，其监测结果是长程路径上的CO₂浓度平均值。

2.大气CO₂示踪

大气中天然示踪剂可用于监测CO₂是否泄漏。天然示踪剂是与地下、近地表或大气CO₂相关联的一种化合物， 包括甲烷、氡、惰性气体和CO₂同位素等。但使用示踪剂需要注意的是在空气中与CO₂不同的扩散速率。某些示踪剂扩散速率比CO₂要快，这会导致在空气中示踪剂形成的背景范围超出实际CO₂的羽流范围。

我国目前使用的大气示踪剂品种较为单一，主要是六氟化硫（SF6），某些特殊场合使用氟卤甲烷等。SF6示踪剂具有以下优点：分析灵敏度高，气相色谱电子捕获检测器（ECD）的探测下限为0.5×10^-14（以体积分数计）；大气本底较低，空气中的平均浓度为8.5×10^-13（以体积分数计）；对空气呈惰性；取样和测量简便快速；造价和分析费用较低。尽管如此，SF6的大气扩散示踪距离仍不宜超过100km。

SF。、全氟化碳和稀有气体等人工示踪剂的检测使用气象色谱仪（图10-3）。载气自钢瓶经减压后输出，通过净化器、减压阀、稳压阀或稳流阀以及流量计后，以稳定的流量连续不断地流过气化室、色谱柱、检测器，最后放空。被测物质随载气进入色谱柱，根据被测组分的不同分配性质，它们在柱内形成分离的谱带，转换成相应的输出信号，并记录成色谱图。

图10-3 气象色谱仪示意图

示踪剂检测在CO₂地质储存中具有潜在的应用优势，关于其检测技术方法需要进一步深入的研究探讨。同时，质谱仪、气相色谱仪等检测装置价格昂贵、无法适应野外长期监测。研制具有便携快速或在线功能的检测装置是一个急迫和值得大力探索的课题。

3.陆地生态系统通量观测

陆地生态系统通量观测即涡度相关法（EC），该技术是在地面一定高度，以较高的频率监测大气CO₂浓度和通量的技术，同时监测各类气象变量，例如风速、 相对湿度、温度等。涡度相关法的优势主要包括：①自动监测；②不干扰周围环境；③其结果代表了空间和时间上的平均值，因此其空间尺度要相对比其他地面CO₂浓度监测设备更大。涡度相关法的不足之处在于，其假设条件是水平较为均一化的地表环境，而大多数自然条件都难以完全满足。

涡度相关法已经成为CO₂地质储存重要监测手段之一，并被许多CO₂地质储存项目采用。将仪器安装在地表之上一定高度，用来测量CO₂气体浓度，垂直风速度、相对湿度和温度。根据这些实地测量的数据计算CO₂浓度和瞬时垂直风速的协方差高于或低于两者平均值。结合塔的高度，由此估算出多达数平方千米面积上产生的平均CO₂通量。单位时间可以是几天，一年甚至更长。近年来，涡度相关技术的进步使得长期的定位观测成为可能，目前已成为直接测定大气与群落CO₂交换通量的主要方法，也是世界上CO₂和水热通量测定的标准方法，所观测的数据已成为检验各种模型估算精度的权威资料。该方法已得到微气象学和生态学家们的广泛认可，成为目前通量观测网络FLUXNE T的主要技术手段。

以上三个监测技术方法的比较如表10-5所列。

表10-5 大气监测技术概况表

CO₂浓度监测仪和涡度相关法都只能监测较小范围内的CO₂浓度。当需要监测较大范围（几公里范围）的大气中CO₂浓度变化情况时，就需要采用开放路径监测设备，例如使用激光发射出电磁波（选择CO₂较为敏感的吸收波段），然后接收从地表反射回来的电磁波，由于发射和反射的电磁波受到了不同物质的吸收（例如大气中的CO₂），所以可以通过分析接收到的电磁波的衰减程度，在较大范围内监测CO₂浓度变化。激光雷达技术就是一种光探测技术，当前激光及差分吸收雷达技术已经被用于CO₂浓度监测。

如果需要在更大范围内监测CO₂浓度，例如几千平方千米或者更大，则就需要使用卫星遥感技术（激光也属于遥感技术的一种）。尽管当前已经有利用卫星遥感探测大气CO₂浓度的技术和应用，例如日本的温室气体观测卫星（GOSAT）、欧洲太空局ENVISAT卫星上搭载的SCIAMACHY等，但当前的CO₂遥感监测精度相对CO₂地质储存的需求仍存在较大差异。但这类技术无疑是高效、高频率、低成本CO₂浓度监测的最佳选择，随着技术进步，遥感技术必将在CO₂地质储存环境监测中发挥越来越重要的作用。

热心网友 时间：2023-08-03 12:02