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碳氮气体同位素同步观测系统

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观测应用

大气中CO2、CH4、N2O等温室气体迅速增加,是造成全球气候变化的最重要因素之一。 痕量温室气体的测定对准确评估大气温室气体源汇至关重要,目前在定量估计温室气体吸收汇方面还存在很大的不确定性,比较而言,甲烷吸收汇和氧化亚氮吸收汇的不确定性比CO2吸收汇大得多。

新一代的Aerodyne稳定碳氮气体同位素光谱仪可以对气体和同位素同步进行高频(10Hz)连续的原位监测,同时可以实现痕量温室气体含量和碳氧同位素的同步观测,为痕量温室气体的监测和溯源提供了新的工具。

生态系统碳氮循环过程中的多种温室气体排放速率(CO2、CH4、N2O等)的实时测定需要提高时间分辨率、空间分辨率,需要原位无损、长时间、全参数、高精度、一体化、自动化和远程操控等技术协助捕获参数的微量变化,并通过同位素13C-CO218O-CO2溯源,了解碳、氮、水循环耦合过程。

系统组成


       该系统主机Aerodyne闭路气体分析仪采用可调谐红外激光直接吸收光谱(TILDAS)技术, 用中红外激光探测气体分子,独有的像散型多光程吸收池技术有效测量光程高达210m,有效提高气体分子的测量精度,达ppt级。
可以同时测量痕量气体及碳氧同位素N2O、 CH4、H2O、CO2、 δ13C-CO2、δ18O-CO2 。

技术特点

1、 用中红外激光直接吸收技术,测量频率可达10Hz,检测限达ppt级。

2、独有的双激光测量技术,一个分析仪同时测量多个痕量气体和同位素,减少多台系统测量时的系统误差。

3、TDLWINTEL软件提供光谱回放模式,可选择HITRAN光谱标库里的标准光谱曲线,对测量的光谱重新拟合,对测量结果重新判定, 其它品牌无法做到。如,若标气不纯、含杂质,可从光谱回放中判定。

4、多气体测量时,可用高纯度氮(99.9992%)冲洗测量室,定期测定零气光谱,去除背景干扰。

5、每次测量时关闭激光,从“Zero”测量光谱绝对值(非差分法、光腔衰荡),测量过程无需标定。

6、专利技术-活性钝化装置可显著提高粘性气体分子如NH3的响应时间,实现粘性气体和非粘性气体的同步观测,如NH3, CO2, O3,N2O, CH4同步观测。

7、专利技术-惯性颗粒物去除接口,专门用于粘性气体测量时,去除进气口颗粒物残余,去除对二次采样的污染。

8、具有激光频点校准腔室,可以在测量过程中实时校准激光吸收光谱频点,防止频点飘移。

技术参数

参数

N2O

CH4

CO2

H2O

精度 1S

0.03ppb

0.1ppb

100ppb

10ppm

精度 100S

0.01ppb

0.25ppb

25ppb

5ppm

测量范围

0-10000ppb

0-10000ppb

0-5000ppm

0-5000ppm

响应时间

1-10HZ可选

1-10HZ可选

1-10HZ可选

1-10HZ可选

参数

CO2

δ13C

δ18O

精度 1S

25ppb

0.1‰

0.03‰

精度 100S

10ppb

0.03‰

0.03‰

测量范围

25ppb

0.1‰

0.1‰

响应时间

1-10HZ可选

1-10HZ可选

1-10HZ可选

技术应用

文献信息:

Long-term eddy covariance measurements of the isotopic composition of the ecosystem–atmosphere exchange of CO2 in a temperate forest

温带森林生态系统同位素组成的长期涡动协方差测量——大气CO2交换

CO2净生态系统-大气交换(NEE)的稳定同位素组成携带了有关生态系统碳循环机制的信息。二氧化碳在水中的羧化、扩散和溶解等过程分馏了二氧化碳的同位素。因此,净CO2交换的同位素组成可用于探测这些过程,并为评估生物物理生态系统模型提供独立的约束条件。它还可以阐明生态系统对大气同位素收支的影响,这对陆地/海洋、源/汇分配有影响。此外,它还可用于将NEE划分为初级生产力总量和生态系统呼吸总量。

NEE通常最直接的测量方法是涡流协方差(EC)法,在缺乏直接同位素通量测量的情况下,一些旨在划分NEE的研究中使用了所谓的EC/烧瓶法(Bowling et al.,1999)间接确定了NEE的碳同位素组成。 13C在1秒到30分钟的时间范围内发生,典型的标准偏差仅为0.02‰(Saleska等人,2006年),在2008年开发出专门的量子级联激光光谱仪(TILDAS)之前,还没有能够直接监测二氧化碳同位素的仪器。与标准EC系统一样,在平静的夜晚观察到“lostflux”,在其他时段也发挥一定作用。

上图.QCLS噪声(σm),单位为C(黑色,ppm)δ13C(绿色,‰),和δ18O(蓝色,‰)与积分时间(τ),对于40 min的校准间隔以及几乎相等的样品和参考池CO2摩尔混合比。细对角线是白噪声的相应期望值。垂直的橙色虚线标志着哈佛森林涡旋输送的主要时间尺度。作为比较,Allan偏差为δ13C,无校准(实线灰线)和校准(虚线灰线)。

     涡动协方差要求较高的采样率,粗略地说,在涡动输送的主要时间尺度上整合数据。我们的共谱(见第4.3节)表明,在哈佛森林,涡动输送在1到1000秒的时间尺度上非常重要,峰值约为50秒或30秒(取决于您是考虑傅立叶还是多分辨率共谱)。因此,上图表明,EC系统的TILDAS仪器噪声约为C=18 ppb,δ13C=0.02‰,δ18O=0.04‰(在40秒时用橙色垂直虚线标记)。

上图.QCLS噪声(σm),单位为C(黑色,ppm)δ13C(绿色,‰),和δ18O(蓝色,‰)与校准间隔(△tcal),积分时间为100 s,样品和参考池CO2摩尔混合比几乎相等。上图展示了光谱仪的特殊稳定性,如使用△tcal等于4分钟(短校准时间间隔)可将噪声降低到2倍左右。


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