KR101648731B1 - 온실가스 유출입량을 모니터하기 위한 복합 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 탄소 유출입량에 대한 데이터를, 예를 들면, 지역적인 네트 탄소 유출입량을 관리하고 탄소 금융 상품의 가격을 책정할 수 있는 범위에서 모니터하기 위한 복합 시스템에 관한 것이다. 상기 복합 시스템은 숲, 토양, 경작지, 수체, 연도 가스 등에서의 탄소 유출입량을 모니터할 수 있다. 상기 시스템은 이산화탄소의 동위이성체의 동시 측정을 기준으로 하여 탄소 공급원, 예를 들면, 산업적 공급원, 농업적 공급원 또는 자연적 공급원을 확인 및 정량화하여 시간 및 공간 면에서 이를 통합하기 위한 수단을 포함한다. 데이터 및 탄소 금융 상품이 조화를 이루게 하기 위해 탄소 표준을 여러 범위로 사용한다.
Description
본 명세서는 일반적으로, 탄소 거래 및 탄소 관리 정책을 지지하는데 사용될 수 있는 온실가스 공급원에 대한 데이터를 측정, 통합 및 분석하기 위한 지리학적 범위의 표준화 시스템에 관한 것이다.
특정하게는 대기 중의 CO2로 구체화되는 온실가스(GHG)에 대한 시장 중심의 거래 시스템(예를 들면, IPCC 2007)의 출현은 범지구 탄소 사이클의 연구에 비해 기술적으로 요구사항이 더 많고 프로젝트 관련성인 접근법을 제공한다(Tans et al., 1996; Steffen et al., 1998). 비용 효율적이고 고도로 정밀하며 탄소 특이적인 모니터링은 지구의 탄소 동력학(예: 전체 탄소 예산)에 대한 우리의 이해를 뒷받침할 뿐만 아니라, 부분적인(국지적 및 지역적인) 탄소 예산을 나타내는 별개의 지리학적으로 정의되는 프로젝트를 갖는 급속하게 출현한 새로운 탄소 경제학의 근간이다(Capoor and Ambrosi 2007). 국지적, 지역적, 국가적 및 범지구적 범위로 배출되는 탄소 부담의 회계는 현행 공급원을 감소시키고 회피하며 다른 방식으로 제거하기 위한 규제적 접근법에서 반영될 뿐만 아니라, 탄소 격리를 통한 부정적인 탄소 결과를 나타낸다.
특정하게는, 1997년 12월의 교토 의정서가 산업화된 국가에 대한 배출 목표 및 시간표와 이러한 목표에 맞춘 시장 중심의 조치를 기술하며(참조: J.W. 1998, The Kyoto Protocol on Climate Change: Resources for the Future), 탄소 유출입량(carbon flux)을 정량화하려는 요구가 상기 교토 의정서를 수행하기 위해 요구되었다. WO 99/42814는 일반적으로 자연적 공급원 및 인위적 공급원으로부터의 범지구적 및 국지적 탄소 배출을 측정하고 모니터하기 위해 CO2의 동위원소의 측정을 기술한다. 그러나, WO 99/42814는 이러한 시스템을 광범위한 견지에서 기술할 뿐이며, 특정한 설비가 어떻게 수행되어야 하는지에 대한 어떠한 세부사항도 제공하지 않는다. 특히, 상기 교토 의정서가 통과된 후 심지어 십년이 지나도, 하나의 설비에서 13C 및 14C를 두 가지 모두 측정하고 모니터하기 위한 시스템들을 조합한 어떠한 실험적 또는 상업적 시스템도 현재 존재하지 않는다. 특히, 탄소 거래를 위해 탄소를 직접 측정, 모니터, 입증 및 회계하기 위한 신뢰성 있는 지리학적 범위의 시스템은 상기 교토 의정서(1997)의 도입 이래로 입수 불가능하다.
본 명세서는 자연적인 탄소 배출과 인위적인 탄소 배출 두 가지 모두로부터의 탄소 유출입량을 우선 통합하고 생물 또는 자연적 배출 및 화석/산업적 배출이 탄소 거래를 위해 별도로 정량화되는 이중 탄소 회계 시스템을 생성시키는 복합 시스템을 제공한다. 따라서, 탄소 거래는 2 탄소 접근법(예를 들면, 화석 연료 C 및 생물 C)으로서 개선될 수 있으며, 생태계 기능 및 인위 작용 두 가지 모두가 임의의 소정 위치에서 임의의 소정 기간에 걸쳐서 각각에 의해 제공되는 탄소 감축 효율 및 기타 인자(예: 생태학적 함수)에 따라 별도로 가격 책정될 수 있는 것으로 인지된다. 지금까지, 탄소 가격 책정 메커니즘은 상기 두 가지 유형의 탄소를 설명하지는 않았지만, 이들은 인조 및 생물 탄소 동력학을 반영하면서 상호연결된다.
이산화탄소(CO2), 메탄(CH4) 및 산화질소(N2O)와 같은 확인 및 정량화 성분들을 제공하는 대기 가스의 동위이성체(isotopologue)의 실시간 정량적 분석을 허용하는 복합 시스템이 기술된다. 대기 가스를 수집하고 동위원소 분석기를 사용하여 샘플링 빈도 요건에 따라 동위원소 조성물에 대해 상기 가스를 분석하고 표준 및/또는 범지구 기준을 사용하여 샘플링 위치에 따른 데이터를 조화시키는 복합 시스템이 기술된다. 데이터는 중심 위치에 제공되고, 특정 양태에 따라 동위원소 중심 데이터 산물을 제공하며, 탄소 거래에 적합한 수십톤의 탄소를 생성시키는 전환방법을 사용한다. CO2의 경우 이러한 산물은 탄소 예산 분석, 탄소 가격 책정 및 탄소 관리에 사용하기 위해 산업, 주, 지역, 정부, 온실가스 거래자, 온실가스 조약을 위한 입증 기관 및 기타 이해관련자에 의해 적용될 수 있는 거래를 위해 2 탄소 시스템(예를 들면, 생물 탄소 및 화석 탄소)을 생성시킬 수 있다.
본 명세서는 상기 계기 내에서 보정되고 또한, 예를 들면, 적어도 일부 경우 풍경에 걸쳐서 기타 계기와 상호적으로 보정될 수 있는 3 전지 레이저 시스템의 설계에 대한 세부사항을 제공하며, 여기서 각각의 계기는 데이터의 지리학적 비교 가능성을 보장하는 공지된 범지구 표준을 기준으로 하거나 이에 따라 이러한 데이터가 연속식 실황 거래 체계로서 또는 불연속식 거래 체계로서의 탄소 거래에 사용되는 경우 화폐 상응물을 기준으로 할 수 있다. 따라서, 본 명세서는 13C 또는 14C에 대한 단일 계기의 역량을 훨씬 넘는 역량을 나타낸다. 이러한 단일 분석 측정은 현재 탄소 동위이성체의 모니터를 위한 표준이며, 탄소 거래를 위한 데이터를 이해하기 위해 필요 성분들을 어드레싱하지도 않고 상기 데이터를 사용하지도 않는다.
본 명세서의 한 양상은 소정 영역에 대해 소정의 샘플링 빈도를 사용하여 소정 기간에 걸쳐서 화석 탄소 및 생물 탄소 두 가지 모두를 반영하면서 탄소 예산과 같은 온실가스의 공급원 견지에서 데이터를 효과적으로 측정, 모니터, 보고, 입증, 분석 및 화폐화하기 위한 복합 시스템을 포함한다.
본 명세서의 또 다른 양태는 주변 공기 스트림 중의 이산화탄소와 같이 가스 중의 한 성분의 하나 이상의 동위이성체의 농도 및 동위원소 비를 측정하기 위해 다수의 동위원소 비를 통합하여 측정하는 계기를 제공한다. 특정 양태에서, 상기 농도 및 동위원소 비를 측정하기 위해 거의 동시에 다수의 동위원소 비를 통합하여 측정하는 계기가 제공된다. 관련 동위이성체는 12C, 13C 및 14C를 포함하지만 이로 제한되지 않으며; 일부 양태에서, 관련 탄소 동위이성체의 측정은 3 전지 레이저 시스템을 사용한다.
본 명세서의 또 다른 양상은 연도 스택과 같은 지점 공급원 또는 대양으로부터 추출된 가스로부터 지구상의 수륙 임의 장소에 걸친 모든 종류의 개방된 공간에 이르기까지 임의의 공급원으로부터 배출된 가스 혼합물 중의 한 성분의 농도 및 동위원소 비를 거의 동시에 정밀하게 측정할 수 있는 현장 배치 가능한 계기를 제공한다.
본 명세서의 또 다른 양상은 대규모의 숲, 경작지, 수체(water body), 자연 보호 지역 및 기타 비산업적 공급원에 대한 지리학적으로 별개의 분석기들의 앙상블들을 기준으로 하여 CO2 배출을 측정, 모니터, 보고, 입증, 분석 및 탄소 거래소로 입수 가능하게 하기 위한 복합 시스템을 사용하면서 산업적 활동 및 기타 인위적 활동으로부터 이를 제공하는 방법을 제공한다. 이러한 별개의 앙상블들의 배치는 특정한 측정 및 모니터링 프로토콜을 위한 하나 이상의 바람직한 배열을 선택하면서 다양한 초기 배열에서 복합 시스템을 사용함으로써 결정된다. 따라서, 상기 복합 시스템은 복합 시스템의 최적 적용을 결정하는 데 있어서 필수적이며, 이러한 복합 시스템 없이는 이와 같이 효과적인 탄소의 측정, 모니터, 입증 및 회계가 전혀 실현될 수 없다. 상기 경우, 본 명세서는 지금까지 보고되지 않은 방식으로 화석 및 생물 기여도를 정량적으로 한정하는 방법을 제공한다.
본 명세서의 또 다른 양상은 원격 제어 및 문의될 수 있을 뿐만 아니라 임의 개수의 데이터 센터, 제어 지점 또는 전자 온실가스 거래 플랫폼으로의 신호송신을 통해 실시간으로 데이터를 제공할 수 있는 계기 또는 계기 그룹을 제공한다.
본 명세서의 또 다른 양상은 가스의 동위이성체를 거의 동시에 여러 종을 분석할 수 있는 계기를 제공하며, 이는 샘플에 대해 비파괴적 방식으로 상기 분석을 제공하여서 동일한 가스 스트림이 토양, 분해된 무기 탄소 및 기타 유형의 관심 탄소를 포함하는 임의 유형의 추가의 분석기에서 사용될 수 있도록 한다. 이러한 동시 분석은 측정되고 모니터되는 생물학적 및 물리적 프로세스의 시간 상수에 따라 1초 미만 내지 수시간의 시간 범위로 수행될 수 있다.
본 명세서의 또 다른 양상은 3 전지 시스템 내에서 이용 가능하며 통합됨에 따라 다양한 기타 센서 및 샘플링 기술을 포함하도록 확장될 수 있는 계기를 제공한다.
본 명세서의 또 다른 양상은 별개의 지점 위치를 포함하는 산업적 공급원, 산업적 복합물, 및 이러한 산업적 공급원이 배치될 수 있는 광대한 영역의 토지로부터의 다양한 탄소 배출에 대한 CO 2 배출 데이터를 측정, 모니터, 확인, 보고, 입증 및 분석하고 이를 탄소 거래소에 제공하는 복합 시스템을 사용하는 방법을 제공한다.
본 명세서의 또 다른 양상은, 시간 및 공간에 거쳐서 모든 계기에 의해 취한 측정치의 실시간 상호비교가능성을 제공하면서, 각각의 동위이성체에 대해 동일하거나 동일하게 만들 수 있으며 계기들의 앙상블(들) 내에 균일하게 분포되는 12C, 13C 및 14C 비와 같은 각각의 동위이성체에 대한 하나 이상의 범용 밀봉된 기준 전지를 사용하는 방법을 포함한다.
본 명세서의 또 다른 양상은, 각각 밀봉된 표준 기준 전지를 갖는 소정 영역을 거쳐서 계기들의 앙상블을 사용하는 방법을 포함하며, 여기서 각각의 계기는 기준 전지에서와 공기 또는 기타 가스의 스트림에서 이산화탄소의 동위원소 비를 측정하고 상기 앙상블 중의 기타 계기와 비교한 다음, 외부 마스터 기준 가스 밀봉된 전지(예: 1차 기준)와 비교한다. 마스터 기준 가스 밀봉된 전지는 실시간으로 공간 및 시간에 거쳐서 동위원소 데이터의 비교 가능성을 보장하고 실시간 탄소 거래에 대해 입증하고 탄소 유도체를 수반하는 모든 형태의 금융 자산에 대해 화폐화하는 중심 기준 설비에서 유지될 수 있다. 이러한 마스터 기준 가스 밀봉 전지는 12C , 13C 및 14C 비에 대한 하나 이상의 국제 가스 표준에 연결되어, 다양한 범위에서 탄소 예산을 관리하면서 탄소 거래에 사용되고 범지구 탄소 사이클을 보다 잘 이해하기 위한 상호-비교 가능한 데이터 세트의 네트웍을 제공한다.
본 명세서의 또 다른 양상은 적합한 모델에서 입력으로서 사용되는 시간 및 공간 좌표에 따라 분석, 종합 및 요약되는 중심 데이터 수집점에 임의 유형의 원격측정을 통해 실시간으로 동위원소 데이터를 송신하는 방법을 포함한다. 이러한 모델 및 데이터는 소정 영역 및 기간에 대해 탄소 배출 총 질량을 생성시켜 탄소 미터 톤과 같은 시장 중심의 탄소 거래 단위를 제공한다.
본 명세서의 또 다른 양상은 탄소 공급원 양을 정밀하게 화폐화하고 탄소 가격 책정, 거래 및 탄소계 금융 상품의 가치 입증과 탄소 배출 규제 체제에 대한 준수를 지지하기 위해 온실가스 거래소 또는 기타 거래 메커니즘과 접속하는 수단으로서 생물 및 화석 유도된 탄소를 회계하는 탄소 배출 유닛, 예를 들면 2 탄소 또는 이중 탄소에 대한 동위원소계 등가물을 생성시키는 방법을 포함한다. 이러한 접속기는 실시간 기상 데이터를 포함하는 대기, 토양, 대양, 특정 생태계의 모델 및 상술한 유형의 커플링된 요소를 갖는 다양한 모델들로 이루어질 수 있다. 데이터-모델 융합 결과는 거래를 위해 미터톤으로서 탄소 단위를 계산하는데 사용될 수 있는 공간적으로 및 시간적으로 규정되는 탄소 유출입량의 실제 질량이다.
본 명세서의 또 다른 양상은 설비 내 또는 지방, 지역, 주, 국가 및 전국적인 지형 내, 또는 지리학적 조약 규정에 따라, 또는 지구의 지표상의 모든 육지 또는 수 영역, 지표하 또는 영공 전체에 걸쳐서 산재된 위치에서 탄소 배출 공급원 및 양을 측정, 보고 및 입증하기 위한 복합 시스템을 배치하는 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 양상은 탄소의 지상 측정 및 위성 측정을 직접 비교하는 방법을 제공한다. 이러한 양태에서, 위성은 밀봉된 전지 1차 기준 표준 뿐만 아니라 탄소 배출을 검측하기 위해 광 스펙트럼의 관련 부분을 측정하기 위한 분석 장치도 수용할 수 있다. 상기 위성이 다중-동위원소 분석기의 앙상블을 갖는 지역 위를 지나감에 따라, 상기 위성이 갖고 있는 밀봉된 기준 전지는 위성 감지 스펙트럼 경로에서 모든 분석기에 대한 단일 기준선을 보장하여, 상기 2가지 방법(예를 들면, 지상 방법, 우주 방법)을 직접 실시간 비교할 것이다. 상기 양태는 또한 상기 위성이 다중-동위원소 분석기의 지리학적 위치를 교차할 때마다 앙상블의 기준선 특징을 입증하고/하거나 교정하는데 사용될 수 있다.
다양한 양태에서, 상기 복합 시스템, 부품들 및 관련 방법들은 가스, 액체 또는 고체 샘플과 함께 사용될 수 있으나, 단 상기 고체 또는 액체 샘플은 가열, 연소 또는 기타 적합한 수단을 통해 먼저 가스로 전환된다. 특정 양태에서, 샘플 가스 혼합물에서 성분의 농도 및 동위원소 비를 측정하는 방법은 다음 단계를 포함한다: 가스 농도를 측정할 수 있는 계기 내에, 그리고 가스 동위원소 비를 측정할 수 있는 계기 내에 샘플 가스 혼합물을 충전한다. 상기 샘플 가스 혼합물에 대해 가스 농도 및 가스 동위원소 비를 측정한다. 일부 양태에서, 상기 방법은 상기 가스 혼합물로부터 간섭 종을 제거하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 양태에서, 상기 샘플 가스 혼합물의 성분들은 이산화탄소이고, 상기 간섭 가스 종은 산소이다. 일부 양태에서, 상기 방법은 측정 정밀도를 개선시키기 위해 샘플 가스 혼합물의 성분, 예를 들면, 이산화탄소의 농도를 증가시키거나 감소시키는 단계를 추가로 포함한다. 일부 양태에서, 가스 농도의 측정 및 가스 동위원소 비의 측정은 탄소의 관련 유형(12CO2, 13CO2, 14CO2) 각각에 대한 3 전지 레이저 시스템에서 거의 동시에 수행된다.
특정 양태들은 샘플 가스 혼합물 중의 성분의 농도 및 동위원소 비를 측정하는 장치를 제공한다. 상기 장치는 상기 샘플 가스 혼합물 중의 성분의 농도를 측정하는 장치; 상기 샘플 가스 혼합물 중의 성분의 동위원소 비를 측정하는 장치; 및 상기 샘플 가스 혼합물을 상기 농도 측정 장치 내로 및 동위원소 비 측정 장치 내로 충전하는 수단을 포함한다. 일부 경우, 상기 농도 측정 장치는 적외선 가스 분석기이다. 일부 양태에서, 상기 동위원소 비 측정 장치는 레이저계 장치이다. 일부 양태에서, 상기 장치는 성기 성분을 측정하기 전에 상기 샘플 가스 혼합물로부터 하나 이상의 간섭 종을 제거하는 수단을 추가로 포함한다. 일부 경우, 상기 샘플 가스 혼합물의 성분은 CO2이고, 간섭 종이 산소이다. 일부 양태에서, 상기 간섭 가스 종을 제거하는 수단은 하나 이상의 화학적 스크러버, 또는 가스 선택성 멤브레인, 또는 상기 샘플 가스 혼합물의 성분으로부터 간섭 가스 종을 극저온적으로 분리하는 수단을 포함한다. 일부 양태에서, 상기 장치는 측정 정밀도를 개선시키기 위해 샘플 가스 혼합물의 성분의 농도를 증가시키거나 감소시키는 수단을 추가로 포함한다. 일부 양태에서, 상기 성분의 농도를 증가시키는 수단은 가스 선택성 멤브레인 또는 극저온 트랩을 포함하고, 상기 농도를 감소시키는 수단은 스테인레스스틸 벨로우와 같은 팽창성 제어 용적 내에서 질소와 같은 불활성 가스를 사용한 샘플 가스의 희석을 포함한다. 특정 양태는 상기 언급된 바와 같은 3 전지 레이저 시스템을 사용하여 탄소의 여러 종에 대한 농도 및 동위원소 비를 동시 측정하는, 예를 들면, 12C에 비교해서 탄소 13 및 탄소 14 동위원소 비를 동시에 측정하는 장치를 제공한다.
특정 양태들은 조합된 분석 시스템에서 사용하기 위한 상술한 바와 같은 방법 또는 장치를 제공하며, 여기서 상기 시스템으로부터의 데이터 결과는 탄소 예산을 창출, 관리 및 화폐화하는데 사용된다. 일부 경우, 상기 시스템은 장치의 지리학적 네트웍을 포함한다. 일부 양태에서, 상기 네트웍은 특정한 산업적 위치, 국가, 주, 지역, 나라, 온실가스 조약(들)의 경계, 또는 측정 및 모니터를 위해 선택된 임의의 기타 규정된 영역을 커버한다. 일부 경우, 탄소 거래에서의 불확실성을 감소시키기 위해 상기 영역 전체에 걸쳐서 결과가 수득된다. 부정방지 수단은 다양한 단체에 의한 탄소 배출 감소를 입증하는데 사용될 수 있다. 임의의 자발적 또는 위임된 배출 감축 정책을 준수하거나 탄소 배출 감축을 위한 여러 국가들의 조약들을 입증하기 위한 수단이 제공될 수 있다. 일부 양태에서, 탄소 배출 평가를 실제 실시간 측정으로 대체함으로써 임의의 탄소계 금융 상품의 매매에서의 불확실성을 감소시키기 위한 수단이 제공된다.
또 다른 양태에서, 상기 복합 시스템은 현장 분석기로부터 분리된 다양한 배위에서 국제 기준 가스에 연계되지만 1차 표준을 임의 유형의 원격측정을 통해 현장 장치에서 사용되는 표준과 비교하는데 사용되는 외부 밀봉된 전지 기준 가스를 포함할 수 있다. 또 다른 양태에서, 외부 밀봉된 기준 전지는 위성 또는 우주 정거장에 우주 계일 수 있고, 여기서 위성에서의 탄소 배출 센서가 위성 지상 수신 범위와 중첩되거나 우주계 기준 신호가 다중-동위원소 분석기의 앙상블을 통과함에 따라 데이터를 교신하고 비교하는 모든 다중-동위원소 분석기에 대한 추가의 기준 가스를 제공하는 지상 다중-동위원소 분석기와 비교된다.
본 발명의 또 다른 양상은 특정한 관심 분야에 대한 지리학적 관심 지역 전체에 걸쳐서 분포된 미리 결정되거나 바람직하거나 최적인 분석기의 밀도 및 측정 빈도를 제공한다. 탄소 유출입량의 측정, 모니터, 분석 및 입증은 상기 분석기의 최적 밀도 및 상기 분석기의 측정 빈도로의 추가의 통찰력을 제공할 수 있다.
특정 양태에서, 숲 공기에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물을 생성하기 위한 복합 시스템이 기술된다. 상기 복합 시스템은 숲에서의 탄소 유출입량 데이터를 수집하기 위한 탄소 데이터 수집 시스템, 및 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 숲에서의 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키기 위한 데이터 프로세싱 시스템을 포함할 수 있다. 상기 숲에서의 탄소 유출입량 데이터를 수집하기 위한 탄소 데이터 수집 시스템은 숲 전체에 걸쳐서 미리 결정된 대표적인 위치에 배치된 분석기들의 어레이(여기서, 각각의 분석기는 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치, 숲 공기 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하는 샘플 체임버, 및 1Hz 이상, 10Hz 이상, 50Hz 이상 또는 100Hz 이상의 속도에서 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정을 허용하는 타이머를 포함한다); 표준 기준 기준선을 수득하고 상기 표준 기준 기준선을 기준으로 하여 상기 분석기 각각으로부터 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 보정하기 위한 표준 기준 가스 모듈; 및 상기 숲 공기에서 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 데이터 프로세싱 시스템에 송신하기 위한 원격측정 장치를 포함한다.
특정 양태에서, 숲 공기 중의 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물을 생성시키는 방법이 기술된다. 상기 방법은 (a) 숲 전체에 걸쳐서 미리 결정된 대표적인 위치에 분석기들의 어레이를 배치하는 단계(여기서, 각각의 분석기는 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치 및 샘플 체임버를 포함한다); (b) 상기 분석기의 샘플 체임버에서 숲 공기 샘플을 수집하고 1Hz 이상, 10Hz 이상, 50Hz 이상 또는 100Hz 이상의 속도에서 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하는 단계; (c) 표준 기준 가스 모듈을 사용하여 표준 기준 기준선을 수득하는 단계; (d) 표준 기준 기준선을 기준으로 하여 각각의 분석기로부터의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 보정하는 단계; (e) 숲 공기 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 데이터 프로세싱 시스템에 송신하는 단계; 및 (f) 상기 데이터 프로세싱 시스템 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 상기 숲에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키는 단계를 포함한다.
특정 양태에서, 각각의 분석기가 표준 기준 가스 모듈을 포함하여 표준 기준 기준선이 각각의 분석기에서 수득될 수 있다.
특정 양태에서, 상기 복합 시스템은, 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치, 및 범지구 기준 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하기 위한 범지구 기준 샘플 전지를 포함하는 범지구 기준 시스템, 및 범지구 기준 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 기준으로 하는 상기 데이터 수집 시스템의 분석기로부터 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 표준화하기 위한 보정 시스템을 추가로 포함하여, 상기 숲 공기 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량이 범지구 기준 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 기준으로 하여 표준화될 수 있다. 특정 양태에서, 상기 범지구 기준 샘플이 위성에 배치될 수 있다.
특정 양태에서, 적어도 25개, 50개, 75개 또는 100개의 분석기가 숲 전체에 걸쳐서 미리 결정된 대표적인 위치에 배치된다.
특정 양태에서, 상기 미리 결정된 대표적인 위치는 별개의 숲 영역의 경계를 포함하며, 상기 경계가 온실가스 모니터를 요구하는 온실가스 조약 또는 기타 협약을 규정하는 지역, 주, 주 그룹, 경계 배열을 포함한다.
특정 양태에서, 상기 미리 결정된 대표적인 위치는 임관 위, 임관 아래 및 임상을 포함한다.
특정 양태에서, 상기 데이터 프로세싱 시스템은, 상기 데이터 프로세싱 시스템 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 상기 숲에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키기 위해 생물 탄소 및 화석 연료 탄소에 대해 파라미터로 나타낸 하나 이상의 전환 시스템을 추가로 포함할 수 있다.
특정 양태에서, 토양에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물을 생성하기 위한 복합 시스템이 기술된다. 상기 복합 시스템은 토양에서의 탄소 유출입량 데이터를 수집하기 위한 탄소 데이터 수집 시스템, 및 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 토양에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키기 위한 데이터 프로세싱 시스템을 포함할 수 있다. 상기 토양에서의 탄소 유출입량 데이터를 수집하기 위한 탄소 데이터 수집 시스템은 상기 토양 전체에 걸쳐서 미리 결정된 대표적인 위치에 배치된 분석기들의 어레이(여기서, 각각의 분석기는 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치, 토양 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하는 샘플 체임버, 및 1Hz 이상, 10Hz 이상, 50Hz 이상 또는 100Hz 이상의 속도에서 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정을 허용하는 타이머를 포함한다); 표준 기준 기준선을 수득하고 상기 표준 기준 기준선을 기준으로 하여 상기 분석기 각각으로부터 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 보정하기 위한 표준 기준 가스 모듈; 및 상기 토양에서 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 데이터 프로세싱 시스템에 송신하기 위한 원격측정 장치를 포함한다.
특정 양태에서, 토양 중의 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물을 생성시키는 방법이 기술된다. 상기 방법은 (a) 토양 전체에 걸쳐서 미리 결정된 대표적인 위치에 분석기들의 어레이를 배치하는 단계(여기서, 각각의 분석기는 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치 및 샘플 체임버를 포함한다); (b) 상기 분석기의 샘플 체임버에서 토양 샘플을 수집하고 1Hz 이상, 10Hz 이상, 50Hz 이상 또는 100Hz 이상의 속도에서 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하는 단계; (c) 표준 기준 가스 모듈을 사용하여 표준 기준 기준선을 수득하는 단계; (d) 표준 기준 기준선을 기준으로 하여 각각의 분석기로부터의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 보정하는 단계; (e) 토양 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 데이터 프로세싱 시스템에 송신하는 단계; 및 (f) 상기 데이터 프로세싱 시스템 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 상기 토양에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키는 단계를 포함한다.
특정 양태에서, 각각의 분석기가 표준 기준 가스 모듈을 포함하여 표준 기준 기준선이 각각의 분석기에서 수득될 수 있다.
특정 양태에서, 상기 복합 시스템은, 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치, 및 범지구 기준 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하기 위한 범지구 기준 샘플 전지를 포함하는 범지구 기준 시스템, 및 범지구 기준 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 기준으로 하는 상기 데이터 수집 시스템의 분석기로부터 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 표준화하기 위한 보정 시스템을 추가로 포함하여, 상기 토양 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량이 범지구 기준 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 기준으로 하여 표준화될 수 있다. 특정 양태에서, 상기 범지구 기준 샘플이 위성에 배치될 수 있다.
특정 양태에서, 적어도 25개, 50개, 75개 또는 100개의 분석기가 토양 전체에 걸쳐서 미리 결정된 대표적인 위치에 배치된다.
특정 양태에서, 상기 데이터 프로세싱 시스템은, 상기 데이터 프로세싱 시스템 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 상기 토양에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키기 위해 생물 탄소 및 화석 연료 탄소에 대해 파라미터로 나타낸 하나 이상의 전환 시스템을 추가로 포함할 수 있다.
특정 양태에서, 상기 측정된 생물 탄소에 대한 화석 탄소의 측정량이 상기 토양에서의 손상을 지시할 수 있다.
특정 양태에서, 경작지에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물을 생성하기 위한 복합 시스템이 기술된다. 상기 복합 시스템은 경작지에서의 탄소 유출입량 데이터를 수집하기 위한 탄소 데이터 수집 시스템, 및 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 경작지에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키기 위한 데이터 프로세싱 시스템을 포함할 수 있다. 상기 경작지에서의 탄소 유출입량 데이터를 수집하기 위한 탄소 데이터 수집 시스템은 상기 경작지에서의 미리 결정된 지상 및 지표하 위치에 배치된 분석기들의 어레이(여기서, 각각의 분석기는 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치, 상기 지상 및 지표하 위치 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하는 샘플 체임버, 및 1Hz 이상, 10Hz 이상, 50Hz 이상 또는 100Hz 이상의 속도에서 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정을 허용하는 타이머를 포함한다); 표준 기준 기준선을 수득하고 상기 표준 기준 기준선을 기준으로 하여 상기 분석기 각각으로부터 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 보정하기 위한 표준 기준 가스 모듈; 및 상기 경작지에서 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 데이터 프로세싱 시스템에 송신하기 위한 원격측정 장치를 포함한다.
특정 양태에서, 경작지 중의 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물을 생성시키는 방법이 기술된다. 상기 방법은 (a) 경작지에서 미리 결정된 대표적인 지상 및 지표하 위치에서 분석기들의 어레이를 배치하는 단계(여기서, 각각의 분석기는 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치 및 샘플 체임버를 포함한다); (b) 상기 분석기의 샘플 체임버에서 상기 지상 및 지표하 위치에서의 탄소 가스의 샘플을 수집하고 1Hz 이상, 10Hz 이상, 50Hz 이상 또는 100Hz 이상의 속도에서 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하는 단계; (c) 표준 기준 가스 모듈을 사용하여 표준 기준 기준선을 수득하는 단계; (d) 표준 기준 기준선을 기준으로 하여 각각의 분석기로부터의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 보정하는 단계; (e) 상기 지상 및 지표하 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 데이터 프로세싱 시스템에 송신하는 단계; 및 (f) 상기 데이터 프로세싱 시스템 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 상기 경작지에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키는 단계를 포함한다.
특정 양태에서, 상기 지상 위치는 지상 0 내지 20m를 포함할 수 있다. 일부 기타 양태에서, 상기 지표하 위치는 지표로부터 0 내지 100m 아래를 포함할 수 있다.
특정 양태에서, 각각의 분석기는 표준 기준 가스 모듈을 포함하여 표준 기준 기준선이 각각의 분석기에서 수득될 수 있다.
특정 양태에서, 상기 복합 시스템은, 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치, 및 범지구 기준 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하기 위한 범지구 기준 샘플 전지를 포함하는 범지구 기준 시스템, 및 범지구 기준 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 기준으로 하는 상기 데이터 수집 시스템의 분석기로부터 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 표준화하기 위한 보정 시스템을 추가로 포함하여, 상기 경작지 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량이 범지구 기준 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 기준으로 하여 표준화될 수 있다. 특정 양태에서, 상기 범지구 기준 샘플이 위성에 배치될 수 있다.
특정 양태에서, 적어도 25개, 50개, 75개 또는 100개의 분석기가 경작지 전체에 걸쳐서 미리 결정된 대표적인 위치에 배치된다.
특정 양태에서, 상기 데이터 프로세싱 시스템은, 상기 데이터 프로세싱 시스템 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 상기 경작지에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키기 위해 생물 탄소 및 화석 연료 탄소에 대해 파라미터로 나타낸 하나 이상의 전환 시스템을 추가로 포함할 수 있다.
특정 양태에서, 수체에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물을 생성하기 위한 복합 시스템이 기술된다. 상기 복합 시스템은 수체에서의 탄소 유출입량 데이터를 수집하기 위한 탄소 데이터 수집 시스템, 및 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 수체에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키기 위한 데이터 프로세싱 시스템을 포함할 수 있다. 상기 토양에서의 탄소 유출입량 데이터를 수집하기 위한 탄소 데이터 수집 시스템은 상기 수체 전체에 걸쳐서 미리 결정된 대표적인 위치에 배치된 분석기들의 어레이(여기서, 각각의 분석기는 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치, 수체로부터 용해된 가스를 스트리핑할 수 있는 가스 스트리핑 장치, 수체 샘플로부터 스트리핑된 용해된 가스에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하는 샘플 체임버, 및 1Hz 이상, 10Hz 이상, 50Hz 이상 또는 100Hz 이상의 속도에서, 또는 1시간에 1회 이상 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정을 허용하는 타이머를 포함한다); 표준 기준 기준선을 수득하고 상기 표준 기준 기준선을 기준으로 하여 상기 분석기 각각으로부터 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 보정하기 위한 표준 기준 가스 모듈; 및 상기 수체에서 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 데이터 프로세싱 시스템에 송신하기 위한 원격측정 장치를 포함한다.
특정 양태에서, 수체 중의 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물을 생성시키는 방법이 기술된다. 상기 방법은 (a) 수체 전체에 걸쳐서 미리 결정된 대표적인 위치에 분석기들의 어레이를 배치하는 단계(여기서, 각각의 분석기는 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치, 샘플 체임버, 및 수체로부터 용해된 가스를 스트리핑할 수 있는 가스 스트리핑 장치를 포함한다); (b) 상기 분석기에서 수 샘플을 수집하는 단계; (c) 상기 수 샘플로부터 용해된 가스를 스트리핑하는 단계; (d) 상기 분석기의 샘플 체임버 중의 가스를 수집하고 1Hz이상, 10Hz 이상, 50Hz 이상 또는 100Hz 이상의 속도에서 또는 1시간에 1회 이상 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하는 단계; (e) 표준 기준 가스 모듈을 사용하여 표준 기준 기준선을 수득하는 단계; (f) 표준 기준 기준선을 기준으로 하여 각각의 분석기로부터의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 보정하는 단계; (g) 상기 수체 중의 용해된 가스의 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 데이터 프로세싱 시스템에 송신하는 단계; 및 (h) 상기 데이터 프로세싱 시스템 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 상기 수체에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키는 단계를 포함한다.
특정 양태에서, 각각의 분석기가 표준 기준 가스 모듈을 포함하여 표준 기준 기준선이 각각의 분석기에서 수득될 수 있다.
특정 양태에서, 상기 복합 시스템은, 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치, 및 범지구 기준 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하기 위한 범지구 기준 샘플 전지를 포함하는 범지구 기준 시스템, 및 범지구 기준 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 기준으로 하는 상기 데이터 수집 시스템의 분석기로부터 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 표준화하기 위한 보정 시스템을 추가로 포함하여, 상기 수 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량이 범지구 기준 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 기준으로 하여 표준화될 수 있다. 특정 양태에서, 상기 범지구 기준 샘플이 위성에 배치될 수 있다.
특정 양태에서, 적어도 25개, 50개, 75개 또는 100개의 분석기가 상기 수체 전체에 걸쳐서 미리 결정된 대표적인 위치에 배치된다.
특정 양태에서, 상기 데이터 프로세싱 시스템은, 상기 데이터 프로세싱 시스템 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 상기 수체에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키기 위해 생물 탄소 및 화석 연료 탄소에 대해 파라미터로 나타낸 하나 이상의 전환 시스템을 추가로 포함할 수 있다.
특정 양태에서, 상기 데이터 프로세싱 시스템은 수체 중의 영양소 변화를 모니터하기 위한 기간 동안 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 추적한다.
특정 양태에서, 연도 가스에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물을 생성하기 위한 복합 시스템이 기술된다. 상기 복합 시스템은 연도 가스로부터 탄소 유출입량 데이터를 수집하기 위한 탄소 데이터 수집 시스템, 및 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 연도 가스에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키기 위한 데이터 프로세싱 시스템을 포함할 수 있다. 상기 연도 가스로부터 탄소 유출입량 데이터를 수집하기 위한 탄소 데이터 수집 시스템은 상기 연도 가스에 노출된 미리 결정된 대표적인 위치에 배치된 분석기들의 어레이(여기서, 각각의 분석기는 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치, 연도 가스 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하는 샘플 체임버, 및 1일 1,440회 이상, 1Hz 이상, 10Hz 이상, 50Hz 이상 또는 100Hz 이상의 속도에서 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정을 허용하는 타이머를 포함한다); 표준 기준 기준선을 수득하고 상기 표준 기준 기준선을 기준으로 하여 상기 분석기 각각으로부터 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 보정하기 위한 표준 기준 가스 모듈; 및 상기 연도 가스에서 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 데이터 프로세싱 시스템에 송신하기 위한 원격측정 장치를 포함한다.
특정 양태에서, 연도 가스 중의 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물을 생성시키는 방법이 기술된다. 상기 방법은 (a) 연도 가스에 노출된 미리 결정된 대표적인 위치에 분석기들의 어레이를 배치하는 단계(여기서, 각각의 분석기는 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치 및 샘플 체임버를 포함한다); (b) 상기 분석기의 샘플 체임버에서 연도 가스 샘플을 수집하고 1일 1440회 이상, 1Hz 이상, 10Hz 이상, 50Hz 이상 또는 100Hz 이상의 속도에서 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하는 단계; (c) 표준 기준 가스 모듈을 사용하여 표준 기준 기준선을 수득하는 단계; (d) 표준 기준 기준선을 기준으로 하여 각각의 분석기로부터의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 보정하는 단계; (e) 상기 연도 가스의 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 데이터 프로세싱 시스템에 송신하는 단계; 및 (f) 상기 데이터 프로세싱 시스템 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 상기 연도 가스에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키는 단계를 포함한다.
특정 양태에서, 각각의 분석기는 표준 기준 가스 모듈을 포함하여 표준 기준 기준선이 각각의 분석기에서 수득될 수 있다.
특정 양태에서, 상기 복합 시스템은, 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치, 및 범지구 기준 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하기 위한 범지구 기준 샘플 전지를 포함하는 범지구 기준 시스템, 및 범지구 기준 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 기준으로 하는 상기 데이터 수집 시스템의 분석기로부터 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 표준화하기 위한 보정 시스템을 추가로 포함하여, 상기 연도 가스 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량이 범지구 기준 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 기준으로 하여 표준화될 수 있다. 특정 양태에서, 상기 범지구 기준 샘플이 위성에 배치될 수 있다.
특정 양태에서, 적어도 25개, 50개, 75개 또는 100개의 분석기가 상기 연도 가스에 노출된 미리 결정된 대표적인 위치에 배치된다.
특정 양태에서, 상기 데이터 프로세싱 시스템은, 상기 데이터 프로세싱 시스템 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 상기 연도 가스에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키기 위해 생물 탄소 및 화석 연료 탄소에 대해 파라미터로 나타낸 하나 이상의 전환 시스템을 추가로 포함할 수 있다.
특정 양태에서, 상기 데이터 프로세싱 시스템은 규제 또는 자발적 배출 지침에 따라 화석 탄소의 연소 감소를 모니터하는 기간 내내 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 추적한다.
특정 양태에서, 원자력 발전소 부근에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물을 생성하기 위한 복합 시스템이 기술된다. 상기 복합 시스템은 연도 가스로부터의 탄소 유출입량 데이터를 수집하기 위한 탄소 데이터 수집 시스템, 및 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 원자력 발전소 부근에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키기 위한 데이터 프로세싱 시스템을 포함할 수 있다. 원자력 발전소 부근의 탄소 유출입량 데이터를 수집하기 위한 탄소 데이터 수집 시스템은 상기 원자력 발전소 부근의 미리 결정된 대표적인 위치에 배치된 분석기들의 어레이(여기서, 각각의 분석기는 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치, 상기 원자력 발전소의 방출물에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하는 샘플 체임버, 및 1Hz 이상, 10Hz 이상, 50Hz 이상 또는 100Hz 이상의 속도에서 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정을 허용하는 타이머를 포함한다); 표준 기준 기준선을 수득하고 상기 표준 기준 기준선을 기준으로 하여 상기 분석기 각각으로부터 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 보정하기 위한 표준 기준 가스 모듈; 및 상기 원자력 발전소의 방출물 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 데이터 프로세싱 시스템에 송신하기 위한 원격측정 장치를 포함한다.
특정 양태에서, 원자력 발전소 부근의 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물을 생성시키는 방법이 기술된다. 상기 방법은 (a) 원자력 발전소 부근의 미리 결정된 대표적인 위치에 분석기들의 어레이를 배치하는 단계(여기서, 각각의 분석기는 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치 및 샘플 체임버를 포함한다); (b) 상기 분석기의 샘플 체임버에서 원자력 발전소의 방출물의 샘플을 수집하고 1Hz 이상, 10Hz 이상, 50Hz 이상 또는 100Hz 이상의 속도에서 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하는 단계; (c) 표준 기준 가스 모듈을 사용하여 표준 기준 기준선을 수득하는 단계; (d) 표준 기준 기준선을 기준으로 하여 각각의 분석기로부터의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 보정하는 단계; (e) 원자력 발전소의 방출물의 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 데이터 프로세싱 시스템에 송신하는 단계; 및 (f) 상기 데이터 프로세싱 시스템 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 상기 원자력 발전소의 방출물에서 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키는 단계를 포함한다.
특정 양태에서, 각각의 분석기는 표준 기준 가스 모듈을 포함하여 표준 기준 기준선이 각각의 분석기에서 수득될 수 있다.
특정 양태에서, 상기 복합 시스템은, 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치, 및 범지구 기준 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 개별량을 측정하기 위한 범지구 기준 샘플 전지를 포함하는 범지구 기준 시스템, 및 범지구 기준 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 기준으로 하는 상기 데이터 수집 시스템의 분석기로부터 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 표준화하기 위한 보정 시스템을 추가로 포함하여, 상기 원자력 발전소의 방출물 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량이 범지구 기준 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 기준으로 하여 표준화될 수 있다. 특정 양태에서, 상기 범지구 기준 샘플이 위성에 배치될 수 있다.
특정 양태에서, 적어도 25개, 50개, 75개 또는 100개의 분석기가 원자력 발전소 부근의 미리 결정된 대표적인 위치에 배치된다.
특정 양태에서, 상기 데이터 프로세싱 시스템은, 상기 데이터 프로세싱 시스템 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소의 측정량을 상기 원자력 발전소의 방출물 중의 생물 탄소 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물로 전환시키기 위해 생물 탄소 및 화석 연료 탄소에 대해 파라미터로 나타낸 하나 이상의 전환 시스템을 추가로 포함할 수 있다.
도 1은 다양한 공급원(코소빅(Kosovic) 2008)으로부터 유도된 1850년부터 2000년까지의 14CO2, 13CO2 및 CO2 농도의 요약 그래프이다.
도 2는 화석 연료의 가스상 배출에 대한 13C 대 14C 동위원소 비, 현대 식물 및 석유화학적 연료의 농도를 변경시킨 액상 바이오연료의 분석의 플롯이다. 상기 13C 대 14C 데이터는 다음과 같이 화석 연료 공급원 및 생물 탄소 공급원 두 가지 모두를 반영하는 생물권에서의 관련 공급원 용어를 나타낸다. 바이오디젤 블렌드(다이아몬드)(Reddy et al., 2008); 천연 가스, 액상 연료 및 석탄에 대한 값(색칠된 사각형)(Widory 2006); 현대 풀(실선 막대)(Riley et al., 2008); 현대 옥수수(색칠된 뒤집힌 삼각형)(Hsueh et al., 2007); 현대 공기(타원형)(Levin et al., 2003); 현대 C4 식물의 범위를 나타내는 안이 비어 있는 박스(O'Leary, 1988); 현대 C3 식물의 범위를 나타내는 안이 비어있는 박스(O'Leary, 1998); 마그마 CO2를 나타내는 실선 박스(Mary & Jambon, 1987); 맘모쓰 산간 지역에서 나무 사멸 및 정상적인 나무 위치로부터의 토양 CO2를 나타내는 안이 비어 있은 삼각형(Farrar et al., 1995).
도 3은 CO 2 의 9개의 동위이성체에 대한 여기 파장을 도시한 것이다. 상기 화살표는 14C16O2(101), 13C16O2(102) 및 12C16O2(103)에 대한 동위원소 비를 측정하는데 사용되는 레이저 천이를 나타낸다.
도 4는 특정 양태에 따른 시스템의 모듈을 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 5는 동위원소 분석이 탄소 거래에 사용될 가스에 대한 주요 공급원으로부터의 탄소 배출을 정량화하기 위해 수행될 수 있는 전형적인 환경을 도시한 것이다.
도 6은 특정 양태에 따른 장치의 요약된 블록 다이어그램이다. 하기 참조 번호가 도 6 내지 도 11에서 사용될 것이다.
2 기밀 유입 튜브
4 적외선 가스 분석기
5 기밀 커플링 튜브
6 전기 접속
7 기밀 커플링 튜브
8 마이크로프로세서에 의한 데이터 수집 유닛
9 기밀 커플링 튜브
10 전기 접속
11 전기 접속
12 전기 접속
14 자급식 전원 공급 유닛
15 내후성 콘테이너
16 전기 접속
18 샘플 컨디셔닝 유닛
20 전기 접속
22 전기 접속
24 동위원소 비 분석기
26 전기 접속
28 전기 접속
29 커플링 튜브
30 격막 펌프
33 배기 튜브
34 가스 유입 튜브
36 산소 스크러버
38 가스 배출 튜브
40 가스 유입 튜브
42 기밀 가스 체임버
44 기밀 커플링 튜브
46 가스 선택 멤브레인
48 기밀 커플링 튜브 티
50 순수 질소 공급원
52 기밀 커플링
54 유량 제어 밸브
56 가스 배출 튜브
58 기밀 커플링 튜브
60 진공 겸용 솔레노이드 밸브
62 기밀 커플링 튜브
64 기밀 유입 튜브
66 진공 겸용 솔레노이드 밸브
68 기밀 커플링 튜브 티
70 기밀 커플링 튜브
72 솔레노이드 밸브
74 순수 질소 공급원
76 4구 2위치 유동 전환 밸브
78 커플링 튜브
80 커플링 튜브
82 극저온 트랩
84 가스 배출 튜브
86 커플링 튜브
88 스테인레스스틸 뚜껑
90 디스크
92 기밀 전기 공급 관통
94 U 튜브의 개방 말단
98 U 튜브의 개방 말단
100 스테인레스스틸 배기 튜브
102 솔레노이드 밸브
104 가스 배출 튜브
106 유리섬유-절연된 전열 와이어
108 스테인레스스틸 "U" 튜브
110 스테인레스스틸 실린더
112 액체 질소 듀어(dewar)
113 미공지 측정을 위한 샘플 체임버(ZnSe 윈도우)
114 캐리어 가스 실린더 또는 발전기
115 스테인레스스틸 팽창성 벨로우
116 샘플 유입구
117 샘플 전지 내로의 가스 유동을 조절하기 위한 모세관 배관
도 7은 도 6의 장치에 혼입된 바와 같은 샘플 컨디셔닝 유닛의 한 양태의 블록 다이어그램이다.
도 8은, 가스 선택성 멤브레인을 사용하는 샘플 컨디셔닝 유닛과 같은, 도 6의 장치에 혼입된 바와 같은 샘플 컨디셔닝 유닛의 또 다른 양태의 블록 다이어그램이다.
도 9는, 극저온 트랩을 사용하는 샘플 컨디셔닝 유닛과 같은, 도 6의 장치에 혼입된 바와 같은 샘플 컨디셔닝 유닛의 한 양태의 블록 다이어그램이다.
도 10은 도 8의 샘플 컨디셔닝 유닛에 혼입된 바와 같은 극저온 트랩의 한 양태의 도식적 단면도이다.
도 11은, 샘플 중의 13C 및 14C를 측정하기 위한 정확도 및 정밀도를 증가시키기 위해 소정 샘플의 희석을 돕기 위해 질소와 같은 캐리어 기체의 적합한 공급원을 사용하는 샘플 컨디셔닝 유닛과 같은, 도 6의 장치에 혼입된 바와 같은 샘플 컨디셔닝 유닛의 한 양태의 블록 다이어그램이다.
도 12는 분석기 계기 기준 전지, 외부 1차 또는 범지구 기준 전지, 및 13CO2(606), 14CO2(608) 및 13CO2 및 14CO2의 혼합물(607)에 대한 위성계(609) 기준 전지로 이루어진 밀봉된 기준 전지의 도식도이다. 기타 실험실이 데이터를 수득하는 세계 표준 세트를 포함하는 14CO2에 대한 밀봉된 기준 표준은 100% 분율 현대 14CO2(600) 내지 0.5% 분율 현대식(601) 내지 0% 분율 현대(602)의 범위일 수 있다. 13CO2에 대한 밀봉된 기준 전지는 -25/mil(603), -5.00/mil(604) 및 +10/mil(605)의 13C 동위원소 비로 이루어질 수 있다. 각각의 1차 또는 범지구 기준 밀봉 전지는 특정 동위원소 조성물에 대한 모든 밀봉 전지가 동일하여(610, 611, 612), 이들이 배치될 수 있는 곳마다 앙상블 내에서 및 앙상블을 가로지르는 분석기들을 비교할 수 있도록 제조된다.
도 13은 3개의 레이저 시스템, 검측 시스템 및 기준 및 표준 하드웨어를 사용하는 특정 양태에 따르는 12C, 13C 및 14C 측정을 위한 3 전지 레이저 시스템의 도식도이다.
도 14는 교정 곡선, 1차 기준 및 외부 위성 기준이 가스 샘플의 12C/13C 및 14C의 조성을 최적으로 측정하는데 사용될 수 있도록 샘플 용량 증가 또는 감소에 대한 요구에 따라 3-전지 시스템의 샘플 운용 서열의 한 양태를 도식화한 것이다. 가스 샘플(300)은 12C, 13C 및 14C의 농도가 측정되는 분석기(301)에 도입된다. 13CO2 및/또는 14CO2의 농도가 너무 낮은 경우(302) 극저온 트랩(도 10 참조)을 사용하여 이들 종을 농축시키거나, 상기 농도가 너무 높은 경우(302) 최적 측정을 위해 벨로우 어셈블리(도 11 참조)를 사용하여 원래 샘플을 캐리어 가스로 희석한다. 샘플 크기를 조정한 후, 미공지 샘플 농도가 보정 곡선의 범위 내에 속하도록 14C에 대한 보정 곡선(303) 및 13C에 대한 보정 곡선(308)을 선택한다. 또한, 1차 기준 가스를 측정하여 14C 측정(304) 및 13C 측정(309)의 함수를 점검할 수 있다. 1차 기준 가스(304, 309)는 바람직하게는 상기 분석기 내의 밀봉 전지 내에 내장되며, 개별 분석기들과 상이한 그룹의 분석기들간의 비교가 보장될 수 있도록 모든 분석기의 이러한 모든 1차 기준 전지에서 동일한 농도의 13C 및 14C를 나타낸다. 분석기 기능 및 겸용성에 대한 추가 점검은 14C에 대한 외부 기준 전지(305) 및 13C에 대한 외부 기준 전지(310)를 사용하는 추가 측정에 의해 수행될 수 있다. 상기 외부 기준 전지(305 및 310)는 두 가지 모두 외부 기준 가스 모듈에 이상적으로 배치되며, 상기 모듈은 미지의 분석을 위해 구비되지 않으며 원격 측정을 통해 실시간으로 접근 가능하고 분석기들의 앙상블이 위치하는 하나 이상의 영역에 배치될 수 있다. 외부 밀봉 전지 기준 가스로서의 305 및 306은 각각의 동위원소 종에 대해 이상적으로 동일하고 바람직하게는 전세계에 걸치 다수의 실험실에서 측정되므로, 기타 데이터 세트를 다중-동위원소 분석기의 이용으로부터 수득한 데이터 세트에 직접 연결시키는 범지구 기준 가스를 포함한다. 이러한 외부 범지구 기준 가스 비교는 이러한 모든 계기를 거쳐 비교 가능성을 보장하기 위한 추가의 항목을 제공하고/하거나 상기 기준 가스의 공지된 값을 사용하여 데이터 세트를 조정하는데 사용될 수 있다. 또한, 외부의 기준 가스 비교는 13C에 대한 외부 기준 가스(311) 및 14C에 대한 외부 기준 가스(306)의 위성 운용을 통해 수행되어, 상기 위성의 센서 빔이 하나 이상의 다중-동위원소 분석기를 통과하는 경우 지상 분석기와 우주상 센서 사이의 즉각적인 비교가 수행될 수 있도록 한다. 샘플 가스가 분석기(307, 312)로부터 축출되거나 반복 분석을 위해 경로 변경된다. 반복적인 분석은 13C 및 14C에 대한 결과를 추가로 특성화하면서 통계학적 데이터를 수집하여 분석기의 정확도 및 정밀도를 보다 잘 측정하게 하는데 유용할 수 있다.
도 15는 단일 장치(100), 기준 전지와 원격측정 안테나를 갖는 장치(102), 선택된 장치들의 어레이(103), 상호비교 및 상호 비교 가능성 옵션을 갖는 선택된 장치들의 어레이(104) 및 외부 1차 기준(PR) 표준에 대한 기준(105)에 대한 특정 양태에 따르는 장치, 위치 및 장치 상호비교 개관 및 조직을 도시한 것이다. 추가의 외부 표준이 또한 계기 및 앙상블에 걸친 비교 가능성을 보장하기 위해 요구되는 분석적 설계에 혼입될 수 있다.
도 16은, 위성 또는 기타 무선 수단(106, 107)을 통해 각각의 장치로부터의 상호보정된 데이터를 중앙 데이터 및 모델 분석 센터(108)로 송신하는, 특정 지리학적 영역을 커버하는 상호보정 장치의 어레이(105)를 나타내는 양태를 도시한 것이다.
도 17은 지구를 가로지르는 3개의 지리학적 영역(L1, L2, L3)을 커버하는 상호보정된 장치의 앙상블(900)을 나타내는 양태들을 도시한 것이다. 상기 3개의 앙상블은 상호보정 루틴(도 14 참조)을 사용하는 앙상블 내에서 및 앙상블을 가로질러 상호보정되는 9개의 개별 분석기, 선택된 별개의 기준 가스(901), 1차 기준 가스 및/또는 범지구 기준 가스(도 14 참조)(902)로 구성되며, 임의로 별개의 기준 가스 모듈로 구체화되고, 임의로 우주로부터의 온실가스를 측정하고 모니터하는데 사용되는 위성(908)에서 구체화된다. 데이터 원격측정은 통신위성(903)을 포함하는 임의의 무선 수단(904)에 의해 수행될 수 있다. 통신위성(903)은 상호보정된 분석기로부터의 데이터(900), 기준 및/또는 범지구 기준 전지 데이터(901, 902)를 데이터 센터 및 탄소 거래소(906)에 중계하여, 기준 전지(901, 902)가 상기 분석기, 보정 루틴 및 상호보정 루틴과 관련된 기술적 인자에 따라 요구되는 바와 같이 13C 및 14C(도 12 참조)의 동일하거나 상이한 조성을 가질 수 있음을 인식한다. 한 양태에서, 이러한 데이터 및 통신은 거의 즉각적이어서 전자적으로 실시간 탄소 거래 플랫폼(906)에 제공된다. 분석기로부터의 데이터는 또한 우주(907)로부터 수득한 온실가스 감지 위성 데이터와 비교하여 이러한 데이터를 추가로 입증할 수 있다.
도 18은 특정한 수집도에서 특정 영역에 대해 통합된 모델 출력을 생성하는 특정 양태(110, 111)에 따르는 데이터/모델 센터(109)의 다이어그램을 나타낸다. 이는 거래용 탄소 단위(예: 미터 톤 CO2)로의 데이터를 적절한 탄소계 거래소(112, 113)로의 해석을 유도한다. 상기 데이터는 생물 탄소(예: 숲 탄소) 대 산업적 화석 연료계 탄소와 같은 나타낸 탄소 유형에 따라, 그리고 특정 거래를 위한 거래 프로토콜에 따라 실시간 시장에서(예를 들면, 즉각적으로) 또는 덜 빈번한 기준으로 접근될 수 있다.
도 19는 소정의 지리학적 영역(401) 및 소정의 기간(402)에 대해 계기(400) 및 분석기에 의해 측정된 샘플로부터의 데이터(406), 분석기들의 그룹 또는 앙상블(400) 및 데이터 앙상블(406), 공유 보정 및 상호 보정 프로토콜(403), 범지구 기준 프로토콜(404) 및 외부 위성계 표준(405)에 대한 복합 시스템의 주성분 프로세스의 요약을 도시한 것이다. 모든 데이터는 원격측정의 무선 또는 기타 수단(407)을 통해 데이터 센터에 송신하며, 상기 데이터 센터는 미터톤의 생물 또는 화석 연료 유도된 탄소(410)로 궁극적으로 전환되는 하나 이상의 모델(409)에서 상기 데이터(408)을 관리 및 혼입시킨다. 이러한 유닛은 적절한 온실가스 거래소, 플랫폼 등(412)에 판매하기 위해 등록되거나 기타 관리면에서 핸들링(411)될 수 있다.
도 20은 분석기(804, 805, 806 및 807)(도 20b)로부터 13C 데이터 세트(도 20a)(801)를 생성시키는 상호보정 구조의 한 예를 도시한다. 상기 분석기(804, 805, 806 및 807)는 별개의 위치에 배치된다(도 20c). 상기 분석기(804, 805, 806 및 807)는 또한 시간 및 공간 면에서 계기들 전체에 걸쳐서 비교 가능성이 보장되도록 임의의 외부 기준 및/또는 범지구 기준 가스 모듈(809)과 통합될 수 있다.
도 21은 개별 또는 그룹을 이룬 동위원소 분석기로부터의 데이터 송신, 임의의 외부 1차 기준 표준과의 비교, 마스터 호스트에 의한 이러한 데이터의 수집, 및 탄소 거래소로의 후속적인 송신을 위한 SCADA 통신 및 네트웍 구조의 한 예를 도시한다.
도 22는 가상적인 부분 탄소 예산, 이중 탄소 회계를 위한 이들의 중첩 구조(도 22a) 및 예시되는 모델 결과(도 22b)를 보여준다.
도 23은 계절에 따라 2.5년에 걸쳐서 숲 셋팅에 배치된 장치 어레이 내의 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. CO2 총 농도, 13CO2 및 14CO2 비에 대한 가상의 탄소 유출입량을 또한 나타내었다.
도 24는 미국 본토 전체에 걸친 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 1차 기준 표준이 주, 지역 및 본토의 보고 목적에 따라 사용될 수 있다.
도 25는 메인주에 대한 탄소 배출 데이터를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 1차 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 26은 코넥티컷주, 델라웨어주, 메인주, 메릴랜드주, 메사추세츠주, 뉴햄프셔주, 뉴저지주, 뉴욕주, 로드아일랜드주 및 버먼트주를 포함하는 지역 온실 발의체(RGGI)에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 27은 아이오와주, 일리노이주, 캔사스주, 마니토바주(캐나다), 미시간주, 미네소타주 및 위스콘신주를 포함하는 중서부 온실가스 협약(2009)에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 28은 워싱턴주, 오레곤주, 캘리포니아주, 몬타나주, 유타주, 아리조나주, 뉴멕시코주, 브리티쉬 콜롬비아주(캐나다), 마니토바주(캐나다), 온타리오주(캐나다) 및 퀘벡주(캐나다)를 포함하는 서부 기후 발의에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 29는 오스트리아, 벨기에, 체코 공화국, 에스토니아, 프랑스, 헝가리, 독일, 아일랜드, 이탈리아, 라트비아, 리투니아, 룩셈베르크, 말타, 네덜랜드, 폴랜드, 슬로바키아, 슬로베니아, 스페인, 스웨덴, 영국, 노르웨이, 아이슬랜드 및 리헨슈타인의 국가를 포함하는 유럽 연합 거래 체제에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 30은 토양 탄소 배출에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 31은 농업 활동에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 32는 대양 거래에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 33은 미국 뉴옥주 뉴욕시를 나타내는 도시 넓이 범위에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 34는 CO2 격리 프로젝트에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 35는 연도 가스에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 2는 화석 연료의 가스상 배출에 대한 13C 대 14C 동위원소 비, 현대 식물 및 석유화학적 연료의 농도를 변경시킨 액상 바이오연료의 분석의 플롯이다. 상기 13C 대 14C 데이터는 다음과 같이 화석 연료 공급원 및 생물 탄소 공급원 두 가지 모두를 반영하는 생물권에서의 관련 공급원 용어를 나타낸다. 바이오디젤 블렌드(다이아몬드)(Reddy et al., 2008); 천연 가스, 액상 연료 및 석탄에 대한 값(색칠된 사각형)(Widory 2006); 현대 풀(실선 막대)(Riley et al., 2008); 현대 옥수수(색칠된 뒤집힌 삼각형)(Hsueh et al., 2007); 현대 공기(타원형)(Levin et al., 2003); 현대 C4 식물의 범위를 나타내는 안이 비어 있는 박스(O'Leary, 1988); 현대 C3 식물의 범위를 나타내는 안이 비어있는 박스(O'Leary, 1998); 마그마 CO2를 나타내는 실선 박스(Mary & Jambon, 1987); 맘모쓰 산간 지역에서 나무 사멸 및 정상적인 나무 위치로부터의 토양 CO2를 나타내는 안이 비어 있은 삼각형(Farrar et al., 1995).
도 3은 CO 2 의 9개의 동위이성체에 대한 여기 파장을 도시한 것이다. 상기 화살표는 14C16O2(101), 13C16O2(102) 및 12C16O2(103)에 대한 동위원소 비를 측정하는데 사용되는 레이저 천이를 나타낸다.
도 4는 특정 양태에 따른 시스템의 모듈을 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 5는 동위원소 분석이 탄소 거래에 사용될 가스에 대한 주요 공급원으로부터의 탄소 배출을 정량화하기 위해 수행될 수 있는 전형적인 환경을 도시한 것이다.
도 6은 특정 양태에 따른 장치의 요약된 블록 다이어그램이다. 하기 참조 번호가 도 6 내지 도 11에서 사용될 것이다.
2 기밀 유입 튜브
4 적외선 가스 분석기
5 기밀 커플링 튜브
6 전기 접속
7 기밀 커플링 튜브
8 마이크로프로세서에 의한 데이터 수집 유닛
9 기밀 커플링 튜브
10 전기 접속
11 전기 접속
12 전기 접속
14 자급식 전원 공급 유닛
15 내후성 콘테이너
16 전기 접속
18 샘플 컨디셔닝 유닛
20 전기 접속
22 전기 접속
24 동위원소 비 분석기
26 전기 접속
28 전기 접속
29 커플링 튜브
30 격막 펌프
33 배기 튜브
34 가스 유입 튜브
36 산소 스크러버
38 가스 배출 튜브
40 가스 유입 튜브
42 기밀 가스 체임버
44 기밀 커플링 튜브
46 가스 선택 멤브레인
48 기밀 커플링 튜브 티
50 순수 질소 공급원
52 기밀 커플링
54 유량 제어 밸브
56 가스 배출 튜브
58 기밀 커플링 튜브
60 진공 겸용 솔레노이드 밸브
62 기밀 커플링 튜브
64 기밀 유입 튜브
66 진공 겸용 솔레노이드 밸브
68 기밀 커플링 튜브 티
70 기밀 커플링 튜브
72 솔레노이드 밸브
74 순수 질소 공급원
76 4구 2위치 유동 전환 밸브
78 커플링 튜브
80 커플링 튜브
82 극저온 트랩
84 가스 배출 튜브
86 커플링 튜브
88 스테인레스스틸 뚜껑
90 디스크
92 기밀 전기 공급 관통
94 U 튜브의 개방 말단
98 U 튜브의 개방 말단
100 스테인레스스틸 배기 튜브
102 솔레노이드 밸브
104 가스 배출 튜브
106 유리섬유-절연된 전열 와이어
108 스테인레스스틸 "U" 튜브
110 스테인레스스틸 실린더
112 액체 질소 듀어(dewar)
113 미공지 측정을 위한 샘플 체임버(ZnSe 윈도우)
114 캐리어 가스 실린더 또는 발전기
115 스테인레스스틸 팽창성 벨로우
116 샘플 유입구
117 샘플 전지 내로의 가스 유동을 조절하기 위한 모세관 배관
도 7은 도 6의 장치에 혼입된 바와 같은 샘플 컨디셔닝 유닛의 한 양태의 블록 다이어그램이다.
도 8은, 가스 선택성 멤브레인을 사용하는 샘플 컨디셔닝 유닛과 같은, 도 6의 장치에 혼입된 바와 같은 샘플 컨디셔닝 유닛의 또 다른 양태의 블록 다이어그램이다.
도 9는, 극저온 트랩을 사용하는 샘플 컨디셔닝 유닛과 같은, 도 6의 장치에 혼입된 바와 같은 샘플 컨디셔닝 유닛의 한 양태의 블록 다이어그램이다.
도 10은 도 8의 샘플 컨디셔닝 유닛에 혼입된 바와 같은 극저온 트랩의 한 양태의 도식적 단면도이다.
도 11은, 샘플 중의 13C 및 14C를 측정하기 위한 정확도 및 정밀도를 증가시키기 위해 소정 샘플의 희석을 돕기 위해 질소와 같은 캐리어 기체의 적합한 공급원을 사용하는 샘플 컨디셔닝 유닛과 같은, 도 6의 장치에 혼입된 바와 같은 샘플 컨디셔닝 유닛의 한 양태의 블록 다이어그램이다.
도 12는 분석기 계기 기준 전지, 외부 1차 또는 범지구 기준 전지, 및 13CO2(606), 14CO2(608) 및 13CO2 및 14CO2의 혼합물(607)에 대한 위성계(609) 기준 전지로 이루어진 밀봉된 기준 전지의 도식도이다. 기타 실험실이 데이터를 수득하는 세계 표준 세트를 포함하는 14CO2에 대한 밀봉된 기준 표준은 100% 분율 현대 14CO2(600) 내지 0.5% 분율 현대식(601) 내지 0% 분율 현대(602)의 범위일 수 있다. 13CO2에 대한 밀봉된 기준 전지는 -25/mil(603), -5.00/mil(604) 및 +10/mil(605)의 13C 동위원소 비로 이루어질 수 있다. 각각의 1차 또는 범지구 기준 밀봉 전지는 특정 동위원소 조성물에 대한 모든 밀봉 전지가 동일하여(610, 611, 612), 이들이 배치될 수 있는 곳마다 앙상블 내에서 및 앙상블을 가로지르는 분석기들을 비교할 수 있도록 제조된다.
도 13은 3개의 레이저 시스템, 검측 시스템 및 기준 및 표준 하드웨어를 사용하는 특정 양태에 따르는 12C, 13C 및 14C 측정을 위한 3 전지 레이저 시스템의 도식도이다.
도 14는 교정 곡선, 1차 기준 및 외부 위성 기준이 가스 샘플의 12C/13C 및 14C의 조성을 최적으로 측정하는데 사용될 수 있도록 샘플 용량 증가 또는 감소에 대한 요구에 따라 3-전지 시스템의 샘플 운용 서열의 한 양태를 도식화한 것이다. 가스 샘플(300)은 12C, 13C 및 14C의 농도가 측정되는 분석기(301)에 도입된다. 13CO2 및/또는 14CO2의 농도가 너무 낮은 경우(302) 극저온 트랩(도 10 참조)을 사용하여 이들 종을 농축시키거나, 상기 농도가 너무 높은 경우(302) 최적 측정을 위해 벨로우 어셈블리(도 11 참조)를 사용하여 원래 샘플을 캐리어 가스로 희석한다. 샘플 크기를 조정한 후, 미공지 샘플 농도가 보정 곡선의 범위 내에 속하도록 14C에 대한 보정 곡선(303) 및 13C에 대한 보정 곡선(308)을 선택한다. 또한, 1차 기준 가스를 측정하여 14C 측정(304) 및 13C 측정(309)의 함수를 점검할 수 있다. 1차 기준 가스(304, 309)는 바람직하게는 상기 분석기 내의 밀봉 전지 내에 내장되며, 개별 분석기들과 상이한 그룹의 분석기들간의 비교가 보장될 수 있도록 모든 분석기의 이러한 모든 1차 기준 전지에서 동일한 농도의 13C 및 14C를 나타낸다. 분석기 기능 및 겸용성에 대한 추가 점검은 14C에 대한 외부 기준 전지(305) 및 13C에 대한 외부 기준 전지(310)를 사용하는 추가 측정에 의해 수행될 수 있다. 상기 외부 기준 전지(305 및 310)는 두 가지 모두 외부 기준 가스 모듈에 이상적으로 배치되며, 상기 모듈은 미지의 분석을 위해 구비되지 않으며 원격 측정을 통해 실시간으로 접근 가능하고 분석기들의 앙상블이 위치하는 하나 이상의 영역에 배치될 수 있다. 외부 밀봉 전지 기준 가스로서의 305 및 306은 각각의 동위원소 종에 대해 이상적으로 동일하고 바람직하게는 전세계에 걸치 다수의 실험실에서 측정되므로, 기타 데이터 세트를 다중-동위원소 분석기의 이용으로부터 수득한 데이터 세트에 직접 연결시키는 범지구 기준 가스를 포함한다. 이러한 외부 범지구 기준 가스 비교는 이러한 모든 계기를 거쳐 비교 가능성을 보장하기 위한 추가의 항목을 제공하고/하거나 상기 기준 가스의 공지된 값을 사용하여 데이터 세트를 조정하는데 사용될 수 있다. 또한, 외부의 기준 가스 비교는 13C에 대한 외부 기준 가스(311) 및 14C에 대한 외부 기준 가스(306)의 위성 운용을 통해 수행되어, 상기 위성의 센서 빔이 하나 이상의 다중-동위원소 분석기를 통과하는 경우 지상 분석기와 우주상 센서 사이의 즉각적인 비교가 수행될 수 있도록 한다. 샘플 가스가 분석기(307, 312)로부터 축출되거나 반복 분석을 위해 경로 변경된다. 반복적인 분석은 13C 및 14C에 대한 결과를 추가로 특성화하면서 통계학적 데이터를 수집하여 분석기의 정확도 및 정밀도를 보다 잘 측정하게 하는데 유용할 수 있다.
도 15는 단일 장치(100), 기준 전지와 원격측정 안테나를 갖는 장치(102), 선택된 장치들의 어레이(103), 상호비교 및 상호 비교 가능성 옵션을 갖는 선택된 장치들의 어레이(104) 및 외부 1차 기준(PR) 표준에 대한 기준(105)에 대한 특정 양태에 따르는 장치, 위치 및 장치 상호비교 개관 및 조직을 도시한 것이다. 추가의 외부 표준이 또한 계기 및 앙상블에 걸친 비교 가능성을 보장하기 위해 요구되는 분석적 설계에 혼입될 수 있다.
도 16은, 위성 또는 기타 무선 수단(106, 107)을 통해 각각의 장치로부터의 상호보정된 데이터를 중앙 데이터 및 모델 분석 센터(108)로 송신하는, 특정 지리학적 영역을 커버하는 상호보정 장치의 어레이(105)를 나타내는 양태를 도시한 것이다.
도 17은 지구를 가로지르는 3개의 지리학적 영역(L1, L2, L3)을 커버하는 상호보정된 장치의 앙상블(900)을 나타내는 양태들을 도시한 것이다. 상기 3개의 앙상블은 상호보정 루틴(도 14 참조)을 사용하는 앙상블 내에서 및 앙상블을 가로질러 상호보정되는 9개의 개별 분석기, 선택된 별개의 기준 가스(901), 1차 기준 가스 및/또는 범지구 기준 가스(도 14 참조)(902)로 구성되며, 임의로 별개의 기준 가스 모듈로 구체화되고, 임의로 우주로부터의 온실가스를 측정하고 모니터하는데 사용되는 위성(908)에서 구체화된다. 데이터 원격측정은 통신위성(903)을 포함하는 임의의 무선 수단(904)에 의해 수행될 수 있다. 통신위성(903)은 상호보정된 분석기로부터의 데이터(900), 기준 및/또는 범지구 기준 전지 데이터(901, 902)를 데이터 센터 및 탄소 거래소(906)에 중계하여, 기준 전지(901, 902)가 상기 분석기, 보정 루틴 및 상호보정 루틴과 관련된 기술적 인자에 따라 요구되는 바와 같이 13C 및 14C(도 12 참조)의 동일하거나 상이한 조성을 가질 수 있음을 인식한다. 한 양태에서, 이러한 데이터 및 통신은 거의 즉각적이어서 전자적으로 실시간 탄소 거래 플랫폼(906)에 제공된다. 분석기로부터의 데이터는 또한 우주(907)로부터 수득한 온실가스 감지 위성 데이터와 비교하여 이러한 데이터를 추가로 입증할 수 있다.
도 18은 특정한 수집도에서 특정 영역에 대해 통합된 모델 출력을 생성하는 특정 양태(110, 111)에 따르는 데이터/모델 센터(109)의 다이어그램을 나타낸다. 이는 거래용 탄소 단위(예: 미터 톤 CO2)로의 데이터를 적절한 탄소계 거래소(112, 113)로의 해석을 유도한다. 상기 데이터는 생물 탄소(예: 숲 탄소) 대 산업적 화석 연료계 탄소와 같은 나타낸 탄소 유형에 따라, 그리고 특정 거래를 위한 거래 프로토콜에 따라 실시간 시장에서(예를 들면, 즉각적으로) 또는 덜 빈번한 기준으로 접근될 수 있다.
도 19는 소정의 지리학적 영역(401) 및 소정의 기간(402)에 대해 계기(400) 및 분석기에 의해 측정된 샘플로부터의 데이터(406), 분석기들의 그룹 또는 앙상블(400) 및 데이터 앙상블(406), 공유 보정 및 상호 보정 프로토콜(403), 범지구 기준 프로토콜(404) 및 외부 위성계 표준(405)에 대한 복합 시스템의 주성분 프로세스의 요약을 도시한 것이다. 모든 데이터는 원격측정의 무선 또는 기타 수단(407)을 통해 데이터 센터에 송신하며, 상기 데이터 센터는 미터톤의 생물 또는 화석 연료 유도된 탄소(410)로 궁극적으로 전환되는 하나 이상의 모델(409)에서 상기 데이터(408)을 관리 및 혼입시킨다. 이러한 유닛은 적절한 온실가스 거래소, 플랫폼 등(412)에 판매하기 위해 등록되거나 기타 관리면에서 핸들링(411)될 수 있다.
도 20은 분석기(804, 805, 806 및 807)(도 20b)로부터 13C 데이터 세트(도 20a)(801)를 생성시키는 상호보정 구조의 한 예를 도시한다. 상기 분석기(804, 805, 806 및 807)는 별개의 위치에 배치된다(도 20c). 상기 분석기(804, 805, 806 및 807)는 또한 시간 및 공간 면에서 계기들 전체에 걸쳐서 비교 가능성이 보장되도록 임의의 외부 기준 및/또는 범지구 기준 가스 모듈(809)과 통합될 수 있다.
도 21은 개별 또는 그룹을 이룬 동위원소 분석기로부터의 데이터 송신, 임의의 외부 1차 기준 표준과의 비교, 마스터 호스트에 의한 이러한 데이터의 수집, 및 탄소 거래소로의 후속적인 송신을 위한 SCADA 통신 및 네트웍 구조의 한 예를 도시한다.
도 22는 가상적인 부분 탄소 예산, 이중 탄소 회계를 위한 이들의 중첩 구조(도 22a) 및 예시되는 모델 결과(도 22b)를 보여준다.
도 23은 계절에 따라 2.5년에 걸쳐서 숲 셋팅에 배치된 장치 어레이 내의 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. CO2 총 농도, 13CO2 및 14CO2 비에 대한 가상의 탄소 유출입량을 또한 나타내었다.
도 24는 미국 본토 전체에 걸친 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 1차 기준 표준이 주, 지역 및 본토의 보고 목적에 따라 사용될 수 있다.
도 25는 메인주에 대한 탄소 배출 데이터를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 1차 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 26은 코넥티컷주, 델라웨어주, 메인주, 메릴랜드주, 메사추세츠주, 뉴햄프셔주, 뉴저지주, 뉴욕주, 로드아일랜드주 및 버먼트주를 포함하는 지역 온실 발의체(RGGI)에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 27은 아이오와주, 일리노이주, 캔사스주, 마니토바주(캐나다), 미시간주, 미네소타주 및 위스콘신주를 포함하는 중서부 온실가스 협약(2009)에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 28은 워싱턴주, 오레곤주, 캘리포니아주, 몬타나주, 유타주, 아리조나주, 뉴멕시코주, 브리티쉬 콜롬비아주(캐나다), 마니토바주(캐나다), 온타리오주(캐나다) 및 퀘벡주(캐나다)를 포함하는 서부 기후 발의에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 29는 오스트리아, 벨기에, 체코 공화국, 에스토니아, 프랑스, 헝가리, 독일, 아일랜드, 이탈리아, 라트비아, 리투니아, 룩셈베르크, 말타, 네덜랜드, 폴랜드, 슬로바키아, 슬로베니아, 스페인, 스웨덴, 영국, 노르웨이, 아이슬랜드 및 리헨슈타인의 국가를 포함하는 유럽 연합 거래 체제에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 30은 토양 탄소 배출에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 31은 농업 활동에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 32는 대양 거래에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 33은 미국 뉴옥주 뉴욕시를 나타내는 도시 넓이 범위에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 34는 CO2 격리 프로젝트에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
도 35는 연도 가스에 대한 탄소 거래를 측정, 보고, 입증 및 제공하기 위한 복합 시스템의 용도의 한 예를 나타낸다. 임의의 외부 기준 표준이 필요에 따라 사용될 수 있다.
탄소 배출의 직접 측정 및 모니터에 대해 장기간 인식되어 왔던 요구가 충족되지 않음
현재, 가스상 이산화탄소로서의 탄소 배출은 발화된 연료의 양, 연소 효율 및 경제 데이터를 포함하는 다양한 부가 데이터로부터 대체로 추정된다. 기후 변화에 관한 국제연합 기본 협약하에 요구되는 탄소 재고는 자체 보고되고 필수적으로 입증되지 않는다(Ellerman and Joskow 2008). 대기 중의 총 이산화탄소의 실제 측정은 다수의 이해관련인에 의해 이루어지지만 배출 공급원 및 유형은 밝히지 않으며, 기원 및 크기가 다양한 CO2의 개별 공급원(예를 들면, 대양, 숲, 산업, 탄소 포획 및 저장)에 직접 연루되지 않을 수 있다. 실제로, 금융 시장을 지지하기 위한 배출 데이터를 통합하는데 필요한 모니터 수준 및 적합한 기술은 교토 의정서 이전 규제 준수 기간에는 구체화되지 않았다. 유럽 연합 배출권 거래 체제의 짧은 역사((Convery and Redman 2007)는, 직접 측정, 모니터, 보고, 입증 및 화폐화 요구가 가격 변동; 상한 가격 책정에 있어서의 어려움; 및 배출 유출입량의 추정이 총 배출의 10% 정도로 높을 수 있고(Kosovic, 2008) 잠재적으로 아대륙 범위 및 연중 범위에서 훨씬 더 높을 수 있다(예: Turnbull et al., 2006)는 인식에 의해 명백한 바와 같이 성공적으로 충족되지 않음을 보여준다. 더욱이, 상기 교토 의정서는 생태계 기능을 나타내는 진단 탄소 종을 요구하는 CO2 유출입량에 대한 네트워크의 측정, 모니터 및 보고가 불충분함으로 인해 세계의 숲 및 대양과 같은 자연적 공급원으로부터의 탄소 유출입량을 산업적 배출과 함께 포함시키도록 고안되지 않았다. 따라서, 숲에서의 탄소 격리와 같은 대규모 탄소 거래의 측정 및 모니터에 대한 중요성 및 요구가 오랫 동안 인정되어 왔음에도 불구하고, 이러한 시스템은 전혀 준비되지 않았다. 현재 운용 중인 프로토콜하에, 화석 연료 연소 또는 자연적 생물 공급원에 기인하는 탄소 배출의 직접 측정은 조약 규정을 강화하거나 숲 탄소 격리 가능성을 정량화하는데 사용되지 않는다.
최근 생성된 탄소 시장의 양측(예를 들면, 응찰자(구매자) 및 요구자(판매자))는 신뢰성 있는 가격 책정 및 시장 지지를 위해 거래된 탄소 실체를 정량화할 것을 요구하는 한편, 기후 변화 및 생물권 성능에서의 불확실성에 대한 응답으로서 탄소 시장의 효율을 평가하기 위해 세계 범위의 데이터가 요구된다(참조예: Canadell et al., 2007; Raupach et al., 2007, US Climate Change Science Program 2007). 따라서, 여러 범위의 효과적인 측정 및 모니터는 교토 의정서 또는 기타 의정서, 가스 협약 또는 조약(예: 지역 온실가스 협약 2009)에 의해 명시된 바와 같은 교토 약정을 입증하고 상기 풍경 전체에 걸친 탄소 예산을 통합할 뿐만 아니라 탄소 관리 지역 내의 지구 표면의 탄소 유출입량을 정량화하는 독립적인 수단이 될 것이다. 그러나, 이러한 모니터 시스템이 오랫 동안 요구되고 그 중요성이 인식됨에도 불구하고, 직접 측정을 토대로 하여 산정 가능한 탄소 회계 시스템을 전혀 입수할 수 없었다.
측정 및 모니터 요구를 충족시키기 위한 탄소의 희귀 형태의 가능성
탄소의 희귀 형태, 즉 13C 및 14C는 생물 CO2를 화석 유도된 CO2와 구분하는데 있어서 중요하지만, 이들 탄소의 희귀 형태는 신속하고 신뢰성 있으며 필적하고 입증된 측정을 하기 어렵기 때문에 광범위하게 사용되지 않는다. 탄소의 희귀 형태는 CO2 중의 이들의 농도로 인해 이들 형태가 생물학적 및 물리적 방법에 의해 분별되는 방식으로 진단된다(Keeling 1979; Graven et al., 2009). 지구 환경(예를 들면, 전세계의 현장 위치)에 널리 분포된 탄소의 희귀 형태를 신뢰성 있고 비교 가능하게 측정하는 수단은 시간 및 공간을 통한 정량적 탄소 계량법에 대한 기초와 탄소 가격 책정 및 거래의 근거를 제공할 것이다.
CO2의 농도가 고도로 정밀하게 측정될 수 있으며 현재 57개국으로부터 약 252개의 스테이션으로 대표되어 널리 분포되어 있으나(WMO 2009; Peters et al., 2007), 농도 측정만으로는 상기 온실가스의 공급원 및 흡수원의 완전한 디콘볼루션(deconvolution)을 제공하지 않는다. 따라서, 고유한 부분 탄소 회계는 프로젝트 성능, 상한 설정(거래금액 상한제의 경우), 및 궁극적으로 다양한 시장에서의 탄소 가격 책정을 평가하는데 사용되는 생성 예산에 있어서의 불확실성을 창출한다. 그러나, 탄소의 희귀 형태, 특히 생물권 및 대기 중의 모든 범위에서 이산화탄소 동력학에 고유하거나 이에 포함되는 탄소 동위원소는 화석 연료로부터의 이산화탄소 공급원과 같은 특정한 이산화탄소 공급원을 확인하기 위한 수단을 제공할 뿐만 아니라 규정된 풍경 내의 자연적인 탄소 사이클의 작용에 대한 데이터도 제공한다. 13CO2 및 14CO2와 같은 탄소의 희귀 형태에 대한 데이터 묘사 및 데이터 속도(예: 연속식, 매일, 매주, 매달)는 CO2 농도 데이터(Tans et al. 1996)에 비해 미미하며; 14CO2 데이터는 특히 제한된다.
CO2의 동위이성체(13C, 14C)의 측정이 관련 탄소 공급원/흡수원 용어에 대한 유용한 제약을 제공할 수 있음(예: Tans et al., 1996; Turnbull et al., 2010; Graven et al., 2009; Riley et al., 2008)에도 불구하고, 실행 가능한 "복합 시스템"은 탄소 예산의 측정, 모니터, 보고, 입증, 회계 및 관리를 필요로 하며, 탄소 동위이성체의 실제 측정을 토대로 하는 관련 금융 상품이 입수될 수 없다. 오히려, 동위이성체는 상이한 계기 및 방법을 사용하여 특정 위치에서 개별적으로 획득되는 것이 전형적이다. 이들은 상당한 비용 및 시간으로 고진공 자기 부채꼴 동위원소 비 질량 분광계(IRMS)에 의해 순차적으로 분석되는 플라스크 샘플의 별개의 단일 분석에 의해 주로 측정된다(예: Tans et al., 1996; Vaughn et al., 2010). 또는, 대기 14CO2 분석의 경우, 이러한 분석은 샘플 크기 및 처리에 따라 다양한 β-방출자 검측기 및 가속기 질량 분광분석계(AMS)를 사용하여 수행된다(예: Stork et al., 1997; Tuniz 2001).
대기 CO2 중의 14C의 직접적이고 신속하며(예를 들면, 초단위 이하의 데이터로부터 필요에 따라 보다 긴 데이터까지의 범위) 광범위한 측정은 화석 연료 공급원에 대한 명확한 정량적 데이터를 제공할 것이다. 이러한 분석은 14CO2 및 13CO2에 대한 1차 표준 뿐만 아니라 범지구 기준 체계(Boaretto et al., 2002; Vaughn et al., 2010)로서 사용하기 위한 표준 기준 물질을 나타내는 국제 공인 표준(예: Stuiver and Polach 1977)에 연결될 수 있다. 13CO2 및 14CO2에 대한 대기의 조성은 수스(Seuss) 효과에 반영된 바와 같이 범지구적인 관점으로부터 잘 이해되지만(Levin et al., 1989; 1995; Keeling 1979), 14CO2의 광범위한 분석은 특정 영역으로부터의 배출을 추적하는데 중요한 다양한 범위로, 특히 국지적 및 지역적 범위에서 화석 연료계 배출을 독립적으로 입증하는 것으로서 작용할 것이다(Turnbull et al., 2006). 탄소의 희귀 형태의 자연 상태의 존재비의 차이가 크다는 점(예, 13C 1.1%; 14C 10-10%)은 사용된 기기, 신뢰성 있는 측정을 하는데 있어서의 어려움 및 각각의 종에 대한 데이터 속도 모두에서 반영된다. 고정밀 13C 및 14C 측정에 대한 데이터 속도 또는 샘플링 속도(예: 1일당 샘플 수 또는 초당 샘플 수)는 총 CO2 농도에 대해 수집된 데이터에 비해 훨씬 낮으므로, 탄소 거래를 지지하기에는 측정 회수가 너무나 적다. 따라서, 동위원소 측정이 오랫 동안 필요로 해 왔고 이의 과학적인 타당성이 수립되었음에도 불구하고, 탄소 배출 데이터를 탄소 거래 및 탄소 관리에 직접 연결시키는 방법 또는 방법들을 기본으로 하는 널리 분포되고 통합된 분석기는 없다.
따라서, 13C 및 14C의 중요한 동위이성체에 대한 직접적이고 신속하며 동시에 여러 범위로 여러 개의 동위원소를 분석할 수 있으며 연속식 또는 거의 연속식 기준으로 현장에서 운용할 수 있는 시스템은 탄소 예산, 탄소 거래 및 지구 기후 변화를 측정, 모니터, 보고, 입증, 회계 및 관리하기에 매우 유용한 시스템일 것이다. 지금까지, 탄소 거래용 탄소 매출을 측정 또는 모니터하거나 현행 탄소 또는 관련 온실가스 금융 상품의 사용을 지지하거나 규제 또는 자발적 배출 체계에 대한 준수도를 평가하는 시스템에 대한 요구가 분명하고도 잘 인식되었음에도 불구하고 동위원소 데이터는 상기 시스템에 사용된 적이 없다(UNFCC 2009).
로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)에 의해 수행된 연구에 따르면(Kosovic et al., 2008), 화석 연료계 CO2의 주요 공급원을 나타내는, 연료 소비 및 산화 효율에 있어서의 불확실성은 ± 10% 이상인 것으로 추정된다. 1290억 미국 달러로 거래되는 탄소 용량의 2008년도 달러의 맥락에서, 상기 불확실성은 ±129억 달러에 달할 수 있다. 따라서, 경제적인 불확실성을 감소시킬 수 있는 복합 시스템은 탄소 배출권의 구매자 및 판매자를 대표하는 이해관련인에게 매우 유용할 것이며, 탄소계 거래 시스템이 적절하게 관리되고 투명하며 안정하며 사기로부터 보호될 수 있음을 정책입안자 및 대중에게 보장할 것이다. 이러한 복합 시스템이 경제적 불확실성을 감소하고 추정을 직접 측정으로 대체한다는 것이 널리 인식되고 있으나, 이러한 시스템이 고안된 적도 없고 현재 운용 중인 것도 없다.
탄소 예산
탄소의 동위원소 형태를 사용한 탄소 예산의
디컨볼루션
화석 연료 배출 및 이로 인한 탄소 예산 변화는 교토 의정서 메커니즘(예: IPCC 2008) 및 기타 탄소 거래 및 강령에 초점을 맞춘다. 이들은 EU, 및 시카고 기후 거래소(CCX 2009)와 같은 미국에서 대두되는 자발적 시장에서의 탄소 거래 및 탄소계 금융 상품의 근거이다. 탄소 예산은 성분 공급원에 대한 정보 없이 세우기 어렵다. 통상적으로 측정되는 총 CO2가 공급원 또는 성분 정보를 제공하지 않으므로, 위에서 논의한 바와 같은 탄소의 희귀 형태에 대한 동위원소 데이터는 화석 연료 배출을 측정, 모니터, 입증 및 회계하는 데 있어서 매우 유용하며 중요할 것임은 분명하다.
탄소 13에 대해, 상기 동위원소 단독으로는 화석 연료 CO2와 자연적인 CO2를 구분할 수 없으므로 상기 동위원소 단독으로 측정하는 것이 불가능해진다. 대기 중의 14CO2를 화석 연료 유도된 CO2로 희석시키는 방법은 익히 공지되어 있고 이해된다. 도 1(코소빅 등으로부터 채택, 2008)은 14CO2(사각형), 13CO2(색칠된 원), 및 각각 나이테, 빙핵 및 현대 대기로부터 유도된 CO2의 대기 농도(비어있는 작은 원)의 측정에 관한 1850년부터 2000년까지의 그래프를 나타낸다. 상기 기간에 걸쳐서 대기 중의 14CO2 의 감소는 상기 대기의 CO2 농도 증가와 연관되는 화석 연료 첨가와 직접 관련된다. 14C의 반감기는 약 5730년이어서, 화석계 CO2 배출에 대한 이상적이고 직접적이며 민감한 트레이서가 된다. 화석 연료는 14C를 함유하지 않으며, 석탄 및 천연 가스가 형성되는 수백만년 동안 자연적으로 부식되므로 긴 반감기를 갖는다. 따라서, 14C가 없는 화석 연료 CO2의 첨가는 천연 14C 생성(Libby et al., 1949) 및 원자폭탄으로부터 방출되는 14C(Randerson et al., 2002)로 구성된 현대 14C 배경을 강하게 희석시킨다. 역시 감소하는 것으로 나타낸 13CO2 기록 역시 화석 연료 기록에 연결되는데, 그 이유는 식물계 화석 연료(예: 목탄 및 천연 가스)가 대기에 대해 13C이 고갈되기 때문이다. 2/mil(o/oo) 정밀도로 대기 중의 14CO2 농도를 측정하면 380ppm의 배경 내에서의 약 2ppm의 화석 연료 CO2의 모델 계산을 허용하므로, 소정의 공급원에 대한 화석 연료 입력량을 규정한다(Kosovic et al., 2008; Graven et al., 2009; Riley et al., 2008). 상기 그래프는 또한 13C 단독으로는 화학 연료 탄소를 생물 탄소와 구분할 수 없음을 명백하게 보여준다.
따라서, 14C 측정 및 13C 측정이 총 CO2 측정에 비해 희귀한 것으로 인식되면서, 실시간으로 화석 연료 및 생물 배출과 관련하여 동위원소를 효과적으로 추적하기 위해 허용되는 정밀도 및 민감도를 갖는 13C 및 14C에 대한 장치 및 복합 시스템은 관리 및 화폐화를 위해 의미 있는 공간 범위에서의 화석 연료 배출 및 조약 규정들을 입증하는 중요한 방법으로서 명백하게 요구되고 오래 동안 추구되었다. 그러나, 이러한 시스템은 입수되거나 운용되지 않는다.
13C 측정 및 14C 측정 두 가지 모두를 사용하는 값은 도 2에서 설명되었다. 도 2는 도면의 상세한 설명에서 지시된 바와 같이 공개된 탄소 13(y-축) 대 탄소 14 (x-축) 동위원소 비를 나타낸다. C3 형태의 현대 식물(대부분의 식물 및 나무를 나타냄) 및 화석 연료와 이의 배출은 탄소 13 비(-20 내지 -38/mil, 도 2)에 대해 거의 완전히 중첩되는 것으로 관찰되었다. 그러나, 상기 14C 데이터는 100% 화석 연료 탄소를 나타내는 -1000Δ14C/mil로부터 현대 배경 14C를 나타내는 약 +50/mil의 범위를 가지면서 현대 공급원을 화석 연료 공급원과 명백하게 분리한다. 특정하게는, 석탄으로부터 유도된 탄소 13에 대한 값은 13C 중의 현대 C3 가스에 대한 값과 매우 유사하지만, 14C 비가 명백하게 상이하다. 화석 연료 공급원은 14C 함량이 없으므로, 이들 공급원은 모두 일관되게 0% 14C이거나 분석시 -1000Δ14C/mil로서 등록된다. 더욱이, 천연 가스 및 석탄을 포함하는 산업용 연료로부터의 탄소 배출은 13C를 기준으로 하면 다소 서로 구분되지만 14C를 기준으로 하면 구분되지 않는다. 자동차 생성 CO2 탄소 동위원소 비는 또한 그래프에 나타낸 화석 및 현대 그룹들에 의해 지시되는 바와 같이 탄소 13에서는 구분되지만 탄소 14 비에서는 구분되지 않는다. 따라서, 13C 및 14C 조성 두 가지 모두를 측정할 수 있는 복합 시스템은 분석될 수 있는 임의의 가스 스트림 중의 화석 및 생물 성분들을 측정하는데 유용할 것이다. 예를 들면, 발전 설비에 대해 점점 더 많이 위임되는 바이오연료 블렌드 조성물(Reddy et al., 2008)은 광고된 생물/화석 연료 조성물에 대해 용이하게 입증될 수 있다(도 2에서의 다이아몬드 기호를 주목한다). 따라서, 화석 연료 유도된 CO2 및 자연 또는 생물 CO2를 구분하기 위해 제공된 복합 시스템은 화석 연료 배출 및 자연 생태계에 대한 이러한 배출의 잠재적 효과를 측정, 모니터, 입증 및 회계하기 위해 다년간 많이 추구되어 왔던 시스템을 만족시킬 것이다. 그러나, 이러한 시스템은 존재하지 않거나 현재 운용 중이지 않다.
추가로, 13C 및 14C 비는 C4 식물(O'Leary 1998)(-19 내지 -11/mil 범위의 13C 값, 도 2) 대 C3 식물(O'Leary 1998)에 관한 경우 자연적 CO2 공급원을 확인하는데 사용될 수 있음을 확인할 수 있다. C4 식물은 평야 및 기타 숲이 없는 영역을 대표하는 건조한 불모지에서 흔하다. 이러한 구분은, 강우 및 C3 대 C4 조성 변화와 관련하여 생물계에 의한 탄소 방출 또는 흡수의 증가로 지역 기후 변화 예보를 수립할 수 있는 세상의 많은 생태계(탄소가 CO2의 흡수원 또는 공급원이거나 그 반대인 영역들을 포함)를 모니터하는데 유용할 것이다. 그러나, 탄소 흡수 또는 방출에 있어서의 이러한 변화를 모니터하는 것의 중요성이 인식됨에도 불구하고, 이러한 변화를 직접 측정하는 복합 시스템은 현재 전혀 사용되고 있지 않다.
도시된 그래프의 추가의 특징은 탄소 배출에 의해 영향을 받는 바와 같이 생태계 기능의 평가에 관한 것이다. 천연 마그마의 CO2가 방출되는 공지된 익히 연구된 지역인 맘모쓰산으로부터의 제시된 데이터는 색칠되지 않은 삼각형으로 나타내었으며, 이는 자연적 생태계 기능 영역에서 토양 CO2으로부터의 나무 사멸과 관련된 토양 CO2를 분명하게 묘사한다. 상기 맘모쓰산 데이터는, 지하에서의 CO2를 포획 및 저장하는 대규모 프로젝트로부터 CO2의 방출에 의해 잠재적으로 영향을 받는 바와 같이 생태계 기능을 모니터하기 위해 14C 및 13C 데이터 두 가지 모두를 다 사용하는 것이 탄소 배출권에 사용될 이러한 배출을 측정, 모니터, 입증 및 회계하기에 효과적이고 민감한 수단임을 분명하게 보여준다. 탄소 포획 및 저장은 석탄계 발전으로부터의 탄소 배출을 관리하는 수단으로서 널리 인지되어(Zwaan and Gerlagh 2009, Friedmann 2007), 탄소 배출의 회피를 근거로 하는 탄소 배출권이 이루어지게 한다. 그러나, 이러한 시스템이 긴급하게 요구된다는 사실이 널리 인정됨에도 불구하고(Ha-Duong and Loisel 2009), 이러한 탄소 포획 및 저장 프로젝트로부터의 누출에 대한 조기 경보 시스템을 측정, 모니터, 평가 또는 제공하기 위한 확실한 수단을 입수할 수 없었다. 따라서, 자연적 유출입량 및 산업적/인위적 탄소 유출입량을 통합하여 탄소계 금융상품과 혼환 가능한 데이터를 생성시키는 수단을 갖는 복합 시스템을 갖는 것이 매우 유용할 것이다. 탄소 포획 및 저장과 같은 탄소 감소 기술을 근거로 하는 탄소 배출권을 측정, 모니터, 입증 및 회계할 수 있는 능력을 개선시키기 위해 이러한 시스템이 요구됨에도 불구하고 이러한 시스템은 현재 존재하지 않는다.
현재, 가스 수집 및 분석 네트워크는 미국 국립 해양 대기 학회(NOAA) 및 호주 과학 산업 연구 기구(CSIRO)와 같은 정부 조직에 의해 관리된다. 13C 및 14C 분석 두 가지 모두가 NOAA 및 CSIRO와 같은 다양한 그룹에 의해 수행되는 위치는 주로 대양 샘플 위치를 나타내는 약 20군데의 위치에서 작다. 예를 들면, 턴불(Turnbull) 등(2007)은 북미에서 14CO2의 변화에 대한 연구를 위해 단 2개의 위치로부터의 측정을 사용한다. 턴불(Turnbull) 등의 데이터 결과(2007)는,14CO2의 데이터 속도의 엄청난 증가가 탄소 배출의 고도의 해법을 위해 요구됨을 분명하게 지시한다. 따라서, 정부 기관에 의한 14CO2 샘플링의 현행 프로그램은 탄소 거래 및 관련 시장을 지지하는데 사용될 수 있는 데이터를 제공하기에 충분하지 않다.
지금까지의 데이터를 근거로, 10-4 또는 0.1/mil 정도로 상이한 동위이성체의 상대 존재비 변화가 특히 13C에 대한 공급원 및 흡수원 분석(Keeling 1958)에서 중요하다. 더욱이, 숲에서의 CO2의 대기-생태계 교환을 충분히 측정하기 위해 요구되는 현장 연구에서, 예를 들면, 에디 공분산 측정이 요구된다(Saleska 2006; Gulden et al., 1996). 이 경우, 0.1/mil 13C 비의 최소한의 정밀도를 갖는 분석 시간에 대해 1Hertz 이하 정도에 대한 13CO2 의 분석을 위한 매우 신속한 반응시간은 다양한 인자에 대한 간헐적인 기간 및 숲의 주간 기간에 걸친 전체 생물학적 반응을 포획하기 위해 요구된다(Saleska et al., 2006). 따라서, 신속한 반응 시간, 안정성 및 높은 정밀도는 CO2의 숲 교환이 필요한 경우에도 유용할 것이다. 현재, 앞서 논의한 바와 같이, 숲은 중요하고 유용한 것으로 인정되기는 하지만 토양 및 지상 바이오매스 중에 저장된 탄소의 숲 유출입량을 측정 및 정량화하기 어렵다는 점으로 인해 교토 의정서하에 오프셋(offset)으로 포함되지 않는다(예: Saleska et al., 2006). 따라서, 숲의 생물학적 반응에서 미세한 범위 및 주간 변화를 포획하기 위해 매우 신속한 샘플링 기간을 포함하는 다양한 시간 범위에 대해 숲의 탄소 유출입량을 측정 및 정량화할 수 있는 복합 시스템은 탄소 관리되고 탄소 감축된 패러다임에서 세계의 숲들을 포함시키도록 현행 교토 의정서 및 기타 조약 또는 협약하의 숲 탄소 배출권의 근거를 제공하는데 있어서 중요할 것이다.
더욱이, 숲 유출입량의 신뢰성 있고 입증된 회계를 사용하여 골드 표준(Gold Standard) 및 기타 표준과 같은 임의 개수의 자발적 거래에서 탄소 거래 가격 및 용적을 수립할 수도 있다(Hamilton et al., 2008). 숲의 14C 유출입량 모니터 추가는 탄소 거래 강령에서 사용되거나 탄소 금융상품의 근거로서 제공된 적이 없다. 숲에서의 탄소 저장을 측정, 모니터, 입증 및 회계하는 데 있어서 14C 데이터의 추가는 탄소 유출입량 측정을 제한하는 추가의 항목을 제공하고 숲이 화석 연료 배출을 흡수하는 정도를 지시하여, 이러한 배출을 경감시키는 숲의 가치가 평가될 것이다. 따라서, 숲 탄소 프로세스의 중요성 및 이의 과학적 이해가 잘 수립되고 광범위한 측정, 모니터, 입증 및 회계에 대한 요구가 중요한 것으로서 널리 인지되지만, 이러한 복합 시스템이 고안된 적도 없고 현재 운용 중인 것도 없다.
탄소 배출 측정을 위한 데이터 제한 모델
현재, 신뢰성 있는 탄소 유출입량을 유도하는 방법은 상기 설명한 바와 같이 탄소 동위원소를 측정, 모니터, 입증 및 회계하기 위한 광범위한 시스템이 입수될 수 없기 때문에 데이터 제한적이다. 전형적으로, 지상 스테이션 및 위성으로부터 수득한 대기 중의 CO2 농도 측정은 추적자-수송 역위로도 지칭되는 프로세스에서 지면으로부터의 배출을 추론하기 위한 대기 순환 모델과 통합한다. 이러한 접근은 생태계 탄소 교환, 계절성 및 복잡한 대기 상황으로 인해 CO2의 자연적인 편차가 크기 때문에 단지 CO2 농도 데이터를 사용하는 것만으로는 근본적으로 어렵다.
그러나, 화석 연료 유도된 탄소로서 또는 생물 탄소 유출입량으로부터 생성된 탄소 배출의 동위원소 조성은 소정 면적(예: 평방 미터 및 마일 등과 같은 공간적인 단위) 및 소정 기간(예: 일시적인 규정, 매일, 매달, 계절마다)의 분석을 나타내는 독특한 데이터를 제공할 수 있다. 소정 면적에 대해 분포된 다중-동위원소 분석기들의 앙상블은 CO2 농도의 자연적인 편차가 큰 경우에도 미지의 CO2 공급원에 대한 데이터를 제공할 수 있는 복합 시스템의 중요한 부품이다. 한군데 이상의 위치에서 직접 측정된 총 CO2, 13CO2 및 14CO2에 대한 농도 데이터가 요구되지만, 이것만으로는 탄소 거래 및 탄소 금융상품에 사용될 수 있는 탄소 유출입량 데이터를 계산하기에 충분하지 않다. 전형적으로, 관심 특징들을 해석하기 위한 데이터와 관련하여 모델이 사용되고, 탄소 거래의 경우 소정의 지리학적 영역에 대한 탄소 미터톤 또는 탄소 상응물 미터톤으로서 제공되는 최종 결과가 요구된다. 대기중 CO2의 동위원소 조성에 대한 데이터 부족으로 인해, 여러 범위에 걸친 탄소 예산이 공간적 및 시간적인 해법에서 제한된다(Pacala et al., 2009; Tans et al., 1996).
그러나, 동위원소 데이터 부족으로 인해 모델들이 심각하게 제한됨이 널리 인정됨에도 불구하고, 13C 및 14C에 대해 증가된 데이터 속도를 제공하는 복합 시스템을 입수할 수 없다. 13C 및 14C에 대한 부족한 데이터를 사용하는 현행 모델의 수고는 탄소 거래에 대한 엄격하고 신뢰성 있는 회계에 요구되는 바와 같이 모델의 한계를 용이하게 설명한다(예: Kosovic 2008). 또한, 13C 및 14C 동위원소 분석기의 배치는 지형, 식피율, 계절성 및 바람 패턴을 포함하는 다양한 인자에 따라 좌우된다. 다양한 배치 위치로 현장에서 배치될 수 있는 복합 시스템 없이는 동위원소 센서의 전략적 배치가 평가될 수 없다. 현재 데이터를 근거로, 소정의 모니터 위치 또는 영역에 대한 화석 및 생물 탄소의 첨가량이 분석기의 검측 한계 내에 있도록 동위원소 분석기가 배치되어야 한다. 따라서, 효과적인 측정, 모니터, 입증 및 회계를 촉진시키기 위한 13C 및 14C에 대한 고정밀 신속한 동시 분석은 현재 입수될 수 없는 복합 시스템 없이는 달성될 수 없다. 더욱이, 인위적 탄소 배출을 측정, 모니터, 입증 및 회계하기 위해, 탄소 배출을 나타낼 수 있거나 아니면 탄소 포획 및 저장의 경우와 같이 탄소 격리가 이루어질 것으로 사료되는 도시, 특정 산업 및 넓은 영역과 같은 거대 배출 영역에 샘플링 지점들 및 분석기 앙상불이 배치되어야 한다. 다양한 정부 기관에 의해 지원된 기존 모니터링 네트웍은 거대 지방 및 지역 공급원으로부터의 탄소 배출을 측정하도록 특정하게 설계되지 않는다. 이러한 정부 지원 샘플링 위치는 대양과 대륙을 가로지르는 경우와 같이 대규모에 걸쳐서 자연적 공급원 및 흡수원을 검측하도록 선택되었다. 그러므로, 이러한 데이터는 인위적 탄소 배출을 측정, 모니터, 입증 및 회계하거나 탄소 배출권에 대한 근거로서 작용하기에 적합하지 않다(예: Vaughn et al., 2010).
대기 중의 생물 및 화석 유도된
CO
2
에 대한 동위원소 질량 수지 및 동일한 관계
소정 위치에서의 탄소 동위이성체 중의 하나 또는 두 가지 모두의 측정 자체는 미터톤의 탄소를 기준으로 하는 탄소 거래에 대해 궁극적으로 요망되는 13C 또는 14C에 대한 탄소의 총 질량을 측정하기에 충분한 데이터를 제공하지 않는다. 제한된 동위원소 데이터에 대한 단순한 수적 처리는 과학 문헌에 잘 나타나 있지만 탄소 거래 요구를 충분히 만족시키지 않는다. 이산화탄소의 희귀 형태의 측정은 동위원소 표준에 대해 제공되고 하기 등식에 따르는 델타 비로서 표현된다:
13C 동위원소 비의 경우: δ13C (mil당 o/oo) = [(13/12C 샘플 /13/12C 표준) - 1] × 1000
14C 동위원소 비의 경우: δ14C(mil당 o/oo) = [14/12C 샘플 / 14/12C 표준) - 1] × 1000.
그러나, 소정 위치 또는 영역에 대한 13C 및 14C에 대해 한정된 공간 및 시간 데이터로 인해, 이러한 데이터가 탄소 거래 요구를 지지하기에는 너무 부족하다는 점이 널리 인정된다. 대부분의 간단 용어에서와 당분야의 숙련가에 의한 동위원소 물질 수지에서 친숙한 바와 같이(예: Levin et al., 2003), 하기 질량 수지 등식을 사용하여 측정된 14CO2 및 CO2 농도로부터 지역적인 화석 연료 CO2를 추정할 수 있다:
CO2 측정치 = CO2 생물학적 + CO2 배경 + CO2 화석 연료; 및
CO2 측정치 (δ14C측정치 + 1000 o/oo) = CO2 배경 (δ14C배경 + 1000 o/oo) + CO2 생물학적 (δ14C생물학적 + 1000 o/oo ) + CO2 화석 연료 (δ14C + 1000 o/oo )
상기 등식에서, CO2 측정치는 소정의 위치 또는 위치로부터 관찰된 CO 2 농도이고, CO2 배경은 기준 청정 공기 위치에서의 CO 2 의 농도(예: Globalview 2006)이며, CO2 생물학적은 지역적인 생물 성분이고, CO2 화석 연료는 상기 측정 지역에 대한 화석 연료 성분이다. 델타 표기에서 이들 성분들의 14C/12C 비는 각각 델타 14C측정치, 델타 14C생물학적 및 델타 14C 화석 연료이다. 델타 14C는 미국 국립 표준국(NBS)의 부식에 대해 보정된 옥살산 표준 활성으로부터의 14C/12C 비로부터의 mil당(o/oo) 편차이다(Stuiver and Polach 1977).
따라서, CO 2 화석 연료에 대해 풀면 하기 등식이 수득된다:
CO2 화석 연료 = [CO2 배경 (δ14C배경 - δ14C생물학적) - CO2 측정치(δ14C 측정치 - δ14C 생물학적) ] / δ14C 생물학적 + 1000 o/oo .
유사한 등식 세트가 대기 중의 CO 2 의 13C 비에 대해 세워질 수 있다. 또한, 시간 및 공간에 걸쳐서 동위원소 데이터로부터 총 탄소 값을 계산하기 위한 다수의 모델이 당분야의 숙련가에게 공지되어 있지만, 코스빅 등(2008)에 의해 강조된 바와 같이 탄소 거래에 사용되기에 충분한 정보를 제공하기에는 데이터가 너무 제한적이다. 레빈 및 로덴벡(Levin & Rodenbeck, 2008)은 1985년부터 2006년까지의 기간에 걸쳐서 2개의 위치를 대표하는 공기 샘플의 수집에 의해 측정된 14C에 대한 데이터를 제공한다. 대기 중의 운반 모델 TM3(Heimann 1996)을 사용하여, 레빈 및 로덴벡(2008)은 14C의 연중 심한 변동이 화석 연료 공급원 배출 경향 변화에 대해 회계되어야만 하고 거대한 관찰 네트워크로부터의 고정밀 14C 데이터가 요망된다고 결론지었다. 이러한 관찰 네트워크는 본원에 기재되어 있다. 따라서, 교토 의정서의 측정, 모니터, 입증 및 회계 요구를 충족시키기 위해 요구되는 14C에 대한 데이터의 막대한 증가 요구가 상기 모델 커뮤니티 내에서 인지됨에도 불구하고, 이러한 복합 시스템은 전혀 운용되고 있지 않다.
마찬가지로, 상기 과학 문헌은 숲(예: Urbanski et al. 2008; Uchida 2008), 흩어진 위치(예: Lai et al. 2006; Graven et al. 2009) 및 대양의 탄소 유출입량(Randerson et al., 2002)과 같은 다양한 세팅에서의 탄소 유출입량을 명료하게 하기 위해 13C 및 14C와 관련 모델을 분리해서 측정한 다수의 경우들을 제공한다. 그러나, 이러한 연구들은 전형적으로 탄소 거래용 탄소 데이터를 생성시키지 않는다. 추가로, 사용되는 다수의 모델 접근법은 지리학적으로 널리 분포된 별개의 위치에 대한 결과의 비교 기준을 제공하지 않는다.
관심 영역과 관련된 격자 내에 위치하고 익히 공지된 표준에 대해 비교 데이터를 제공하는 다중-동위원소 분석기를 제공하는 데 있어서의 어려움은 이러한 시스템의 부재에 의해 인정된다. 상기 어려움은 현장 준비 동위원소 계기 설치에 있어서의 고유한 어려움, 연속식 데이터 보정, 다수의 계기에 의한 풍경 규모의 피복율 및 계기들이 설치될 수 있는 장소마다 모든 계기로부터의 비교 데이터를 확보하는 수단 등과 같이 다수이다. 따라서, 상기 과제를 달성하는 이러한 복합 시스템은 널리 분포된 탄소 거래에 의해 제시되는 요건을 다루는데 매우 바람직하고 필요할 것이다.
대규모 모델에 대한 동위원소 데이터를 제공하는데 있어서의 어려움은 상술한 바와 같은 제한된 모델에 대한 데이터를 제공하는 것에 비해 훨씬 더 어렵다. 미터톤 탄소의 견지에서 탄소 값을 구하는데 필요한 최종 결과는 삼차원 구조를 나타내는 소정 영역 및 소정 기간에 대해 엄격하게 측정되어야 한다. 본질적으로, 혼합 및 기상 조건과 같은 대기의 특징은 13C 및 14C 동위원소 종의 실시간 유출입량에 매칭되어야 한다. 예를 들면, 피터스(Peters) 등(2007)은 다양한 위치로부터의 28,000 탄소 몰분율 관찰 세트로부터의 매일 CO2 농도를 기상 분야에 의해 구동되는 대기 운반 모델 및 CO2 운반 모델과 조합하는 북미에 대한 대규모 3차원 모델 접근법을 기술한다(Peters et al., 2007). 상기 모델 결과는 매우 유용한 것으로 널리 인식되지만, 앞서 논의한 바와 같이 CO2 농도 데이터가 기저 탄소 공급원(예를 들면, 화석 연료 CO2 배출 대 생물 CO2 배출)을 드러내지 않기 때문에 탄소 거래 요구를 충족시키지 않는다. 실제로, 이러한 접근법은 CO2 농도 데이터와 동위원소 데이터 사이의 격차를 현저하게 설명한다.
앞서 기술한 바와 같이, 약 100군데 위치가 탄소 동위원소에 대해 현재 샘플링되고, 14C에 대한 보정 및 분석 위치는 약 25군데의 위치로 나타낸다. 또한, 대부분의 경우, 13C 및 14C 분석은 실시간으로 수행되지 않으며 연속식이 아니고, 이들은 동일한 공기 샘플 도입 잠재적 오차에 대해 전형적으로 동시에 측정되지 않는다. 적합한 모델의 추가 예는 대기 중규모 기상학적 용도에 유용한 MM5 모델 (Grell et al., 1995), 대규모 지표 모델을 나타내는 LSM1 모델(Bonan 1996), 수백미터 면적을 나타내는 TAPM 대기 모델(Hurely et al, 2005), 및 역시 수백미터에 걸친 대기 맵핑에 사용되는 bLs 모델(Flesch 2004)을 포함한다. 13C 및 14C 분석이 화석 연료 배출 측정에 필요할 정도의 예는 릴리(Riley) 등(2008)의 작업에 의해 제공된다. 공기 샘플의 직접 측정에 의해 수득된 14C 분석이 부재하는 이러한 작업에서, 릴리 등(2008)은 캘리포니아주 전체에 걸친 128군데의 위치로부터의 식물들을 나타내는 식물 샘플을 대기 중의 14C에 대한 대용물로서 사용하였다. 상기 식물 샘플은 가속기 질량 분광계를 사용하여 14C 함량에 대해 분석하였다. 릴리 등(2008)은 이들의 측정으로부터, 캘리포니아주의 대형 공급원으로부터의 화석 연료 CO2가 흔히 추정되는 바와 같이 동쪽이 아니라 주로 남쪽으로 유동한다고 결론지었다. 따라서, 이러한 작업은 캘리포니아 AB32 (ARB 2010) 법에 의해 규정된 바와 같은 주 범위의 배출 규제 및 보다 큰 지역의 배출 패턴의 전개를 위한 14CO2 측정의 중요성을 명백하게 지시한다. 전체 공기 샘플의 분석 대신 릴리 등(2008)에 의한 식물 샘플의 사용은 14CO2 측정의 막대한 증가 요구를 강조한다. 그러나, 여러 범위에 걸친 다양한 모델에서 사용될 수 있는 충분한 공간 및 시간 범위의 동위원소 데이터가 요구되는 것으로 인식됨에도 불구하고 상술한 바와 같이, 상기 모델 요구를 달성하기 위해 복합 시스템에 의해 가능한 동위원소 데이터의 수집이 이루어질 수 없다.
따라서, 다수의 위치(예를 들면, 수천군데)에 배치될 수 있고 동시 13C 및 14C 측정이 연속적으로 이루어질 수 있으면서 기상학적 및 풍경 규모의 생태계 데이터를 혼입한 3D 모델과 결합시킨 복합 시스템은 고도로 바람직할 것이며, 이는 화석 연료 관련 배출 및 생물 탄소 배출에 대한 탄소 예산과 지점 공급원으로부터 도시, 주 및 지역에 이르는 여러 범위에서의 순환에 대한 이해를 엄청나게 개선시킬 수 있다. 이러한 복합 시스템의 중요성은 분명하게 인식되고 오래 동안 추구되어 왔음에도 불구하고, 동위원소 비를 측정하는 기존 방법 및 탄소 거래를 가능하게 하기에 적합한 구조에서 이들의 용도에 있어서의 고유한 어려움으로 인해 이러한 시스템은 존재하지 않는다.
탄소 동위이성체의
레이저계
분석
CO 2 및 기타 관심 온실가스(N2O 및 CH4 포함)의 동위원소 비는 자기 부채꼴 동위원소 비 질량 분광계(IRMS)에 의해 전통적으로 측정된다. 이들 계기는 기계적 이중 유입 시스템을 사용하며 고진공을 필요로 하며 별개의 순수 가스의 샘플 제조를 조심스럽게 할 필요가 있으며 CO2의 13C에 대해 0.05/mil 정도의 정밀도를 제공한다(Vaughn et al., 2010). 그러나, 자기 부채꼴 장치는 현장 측정에 요구되는 동일계 연속식 유동 분석에 적합하지 않다. 생물계 중의 13C의 자연 존재비는 총 탄소에 대해 약 1.1%이다. 또한, 14C 조성의 측정은 전형적으로 방사성 분석을 필요로 하거나, 동위원소 특이적 이온 계수 뿐만 아니라 고진공 저샘플 처리량에도 의존하는 가속기 질량 분광분석법(AMS) 설비를 필요로 한다(Boaretto et al., 2002). 14C의 측정은 총 CO2에 대해 약 1 × 10-12에서의 낮은 자연 존재비로 인해 당분야의 숙련자들이 인식하는 바와 같이 기술적으로 더 어렵다. 두 경우 모두, 13C 및 14C에 대한 기존의 분석 체계는, 동위원소 분별이 샘플 수집으로부터 샘플 분석까지의 가스 조작(Werner & Brand 2001) 동안 원래의 동위원소 신호를 불명료하게 하면서 일어나기 쉽기 때문에 어렵다. 온도, 압력, 수증기, 계기 성능, 계기 표준, 및 산업적 실험실에서 종종 특이적인 기타 내부 인자의 변화로 인해 동위원소 분별이 일어날 수 있다.
13C 및 14C 비 두 가지 모두에 대한 고정밀도 요구는, 범지구 성장율 및 계절적 동위원소 변동이 약 1.9ppm CO2 및 0.025/mil 13/12C로 이루어진 잘 교반된 공기 중에서 작다는 점을 고려할 때 용이하게 이해된다(Vaughn et al., 2010). 고정밀도 13C 동위원소 비는 전통적인 동위원소 비 질량 분광분석법을 사용하여 ±0.01/mil(1 표준 편차)의 정밀도로 이루어질 수 있다(Vaughn 2010). 14C의 경우, 약 2(예를 들면, 2.8)/mil의 변화는 화석 연료 CO2 중의 약 1ppm 변화를 나타낸다(예: Riley et al., 2008). 따라서, 14C 측정 중의 약 2/mil의 현재 정밀도는 화석 연료 CO2 중의 1ppm 변화를 확인하기에 충분하다. 그러나, 13C 및 14C를 요구되는 정밀도로 연속적으로 동시에 분석하며 현장 배치 가능한 분석기는 입수될 수 없다. 또한, 13C 및 14C 분석에 대해 사용된 샘플은 분석 동안 소비되며 여러 번 재분석될 수 없어, 동일한 샘플 및/또는 보다 긴 분석 시간의 반복 분석을 통해 수득될 수 있는 정밀도를 제한하는 결점을 갖는다(Werner and Brand 2001). 따라서, 13C 및 14C에 대한 전통적인 고정밀 분석방법은 계기 배치 관점으로부터 현장 배치 및 신속 분석하기에 적합하지 않으며 탄소 가격책정, 거래 및 탄소 관리를 지지하기 위해 다수의 분석기를 좌표화하여 사용하기에도 적합하지 않다. 이러한 시스템은 고도로 유용하고 오래 동안 추구된 것으로 인식되지만 입수할 수 없다.
동위원소 비 질량 분광분석법의 결점 중의 다수를 피하기 위한 한 가지 접근법은 레이저 흡수 분광분석법을 사용하는 것이다. 레이저 흡수 분광분석법은 또한 CO2를 포함하는 다수의 가스의 동위이성체를 정량화하는 데 사용될 수 있다. 레이저 흡수 분광분석법은 1990년대 초반에 우선 CO2에 적용되었다(Becker et al., 1992; Murnick and Peer 1994). 레이저계 접근법은 미세하게 조정된 레이저를 사용하여 가스 분자의 진동-회전 전이의 특정 여기로 인해 가능하다. 따라서, 예를 들면, CO2의 희귀 종의 레이저 여기는 가스 스트림 중의 이러한 분자의 농도를 탐침 및 정량화하는데 사용될 수 있다. 도 3은 관련 CO2 동위이성체의 주파수 및 파장 영역과 상응하는 레이저에 의한 전이를 설명한다(Freed 1990). 화살표는 14CO2(101) 및 13CO2(102)의 동위이성체와 CO2의 가장 풍부한 형태(12CO2)(103)의 검측에 대해 선택된 레이저에 의한 천이를 지시한다. 레이저계 분석기의 사용은 고정밀도 중량 측정 가스 제조를 토대로 공기 및 첨가된 CO2로부터 다량 제조될 수 있는 표준 가스를 갖는 밀봉된 기준 가스 전지를 사용하는 옵션을 제공한다(예: Amico di Meane et al., 2009). 이러한 밀봉된 기준 가스 전지는 다수의 다중-동위원소 분석기 내에 배치될 수 있으므로, 계기들 사이를 비교하는 토대를 제공할 뿐만 아니라 고도의 안정성을 제공하며 복합 시스템의 한 가지 주요 부재가 될 수 있다. 그러나, 이러한 밀봉된 기준 가스 전지는 전략적으로 배치된 다수의 다중-동위원소 분석기에서 사용되지 않는다. 밀봉된 CO2 레이저(예: LTG Lasers, 캐나다 온타리오주 소재)의 제조분야의 숙련가에게 인지될 수 있는 바와 같이, 이러한 밀봉된 기준 가스 전지가 다수 달성될 수 있다.
지금까지, 다수의 레이저계 장치가 CO2의 가장 흔한 동위이성체, 즉 13C16O16O를 성공적으로 측정하여 왔다. 펄스형 양자 폭포 레이저는 이상적인 실험실 조건하에 20초의 평균 시간을 사용하여 0.1 o/oo 미만의 정밀도로 13CO2를 측정하는 것으로 보고되었다(Tuzson et al., 2008). 2006년 12원 26일에 공개된 미국 특허 제7,154,595호에 기재되고 시판 중인 공동 광자 감쇠 레이저 분광법(Cavity ring down laser spectroscopy)은 10초의 평균 시간을 사용하는 피카로(Picarro) G1101-I 모델을 사용하여 0.3 o/oo의 정밀도를 보고한다. 미국 매사츄세츠주 빌레리카 소재의 에어로다인 리서치 인코포레이티드(Aerodyne Research Inc.)는 1초 평균 시간을 사용하는 0.2/mil의 정밀도를 제공하는 펄스형 양자 폭포 레이저를 제공한다. 비광학적 측정 접근법을 사용하는 레이저계 시스템, 광 갈바니 방법은 10초의 평균 시간을 사용하는 0.1 o/oo의 13C 정밀도를 보고하면서 미국 특허 제5,394,236호(공개일: 1995.2.28), 제5,783,445호(공개일: 1998.7.21), 제5,818,580호(공개일: 1998.10.6), 제5,864,398호(공개일: 1999.1.26)에 기재된다. 따라서, 레이저 분광분석 분야의 숙련가에게, 13CO 2 비의 측정은 시판 장치로 달성될 수 있지만, 현재는 요구되는 정밀도(예: < 0.1/mil)를 충족시킬 수 없으며 14CO2에 대해서도 특이적이지 않다.
더욱이, 언급된 광 갈바니 방법을 제외하고 상술한 시스템은, 이러한 접근법의 정확도 및 정밀도면에서 제한된, 여기된 13C 동위이성체의 광학 측정방법에 의존한다. 특정하게는, 상기 언급된 13C에 대한 레이저계 장치는 14C의 자연 존재비가 대기 중에서 1×10-10%이라는 검측시의 한계로 인해 14C를 검측할 수 없다. 상술한 13C 시스템은 14C를 검측하는 방법 또는 접근법을 교시하지 않을 뿐만 아니라 14C 시스템을 12C 및 13C 시스템과 조합시킨 방법 또는 접근법도 교시하지 않는다. 13C, 14C 및 12C를 동시에 측정하는 다중-동위원소 분석기는 명백하게 중요하지만, 현재 입수할 수 없다. 또한, 현재 입수할 수 있는 이러한 13C 레이저계 시스템은 널리 공지되고 분포된 13C 밀봉된 가스 기준 전지와 함께 배치되지 않으며 복합 시스템 내에 연결되지 않으므로, 단독으로 운용되는 이러한 분석기는 탄소 거래 및 탄소 금융상품을 지지하기 위해 탄소 유출입량을 측정하는데 사용될 수 없다.
지금까지, 연속식 유동 조건하에 대기 공기 중의 14C를 측정하기 위한 시판 중인 레이저계 시스템은 없었다. 배기된 플라스크 내에 수집된 500cc 내지 3리터 범위의 별개의 공기 샘플들의 분석(Vaughn et al., 2010)만이 기존의 계기로 사용되었다(예: Tans et al. 1996). 그러나, 미국 특허 제7,616,305호(공개일: 2009.11.10)에 기재되고 무르닉(Murnick) 등의 논문(2008)에 기술된 시스템은 14C 측정 기술을 제공한다. 미국 특허 제7,616,305호 및 무르닉 등(2009)의 교시는 본원에 참조로 인용되며 실행 가능한 14C 실험실 시스템에 대한 토대를 제공한다. 미국 특허 제7,616,305호에 기재된 무르닉의 시스템은 14CO2 및 12CO2용 특정 레이저로 구성된 2개의 전지 시스템을 나타내지만, 공기 중의 CO2의 14C의 분석을 교시하는 것이 아니라 순수한 CO2 중의 14C을 분석한다. 약 1%(10/mil)의 정밀도가 보고된다. 무르닉 등(2009)은 공기 중의 14CO2의 낮은 농도에 대한 보정 곡선의 사용 뿐만 아니라 범지구 기준 물질을 갖는 표준화도 교시하지 않으며, 이들 범지구 기준 물질들은 모두 14CO2의 복잡한 거동과 CO2의 농도 변화에 따른 상응하는 레이저 신호로 인해 논무르닉 등의 논문(2008)을 토대로 하여 실험자들에게 명백하지 않는 특수한 프로토콜 및 방법을 요구할 것이다. 14CO2 측정에 있어서의 어려움은, 이의 자연적인 존재비가 대기 중의 모든 탄소의 약 1×10-10% 라는 점에서 용이하게 이해될 수 있다. 하나의 시스템에 통합된 12CO2, 13CO2 및 14CO2 레이저로 구성된 3 전지 시스템은 지금까지 기술된 바 없고, 탄소 및 생물 배출에 관한 대기 조성을 분석하기 위해 상기 분석기를 사용하기 위한 요건인, 고안된 전형적인 공기 샘플 중의 14CO2의 분석을 하지 않음을 유의한다.
동위 이성체(13C, 14C)가 두 가지 모두 측정되는 경우, 샘플의 측정은 수득된 데이터가 거래 가능한 탄소 배출권의 측정에 사용될 수 있음을 보장하지 않는다. 생물 또는 화석 연료의 근원에 따른 탄소 배출권의 측정은 계기 하드웨어, 소프트웨어 및 데이터 분석 및 합성에 의해 지지되는 통상적이고 반복 가능하며 안정한 보정, 상호 보정 및 범지구 기준 시스템을 갖는 다수의 분석기를 필요로 한다. 따라서, 동위이성체 중의 하나 또는 두 가지 모두를 측정할 수 있는 계기 단독으로는 거래 가능한 탄소 데이터를 신뢰성 있게 제공하기에 충분하지 않다. 본원에 기술된 바와 같은 복합 시스템 접근법은 탄소 유출입량 데이터를 수집, 분석, 입증하여 특정 영역 및 특정 기간에 걸쳐서 화석 또는 생물 근원의 수미터톤의 CO2로 변형시키기 위한 공간 및 시간 구조를 제공할 필요가 있다. 또한, 검측 시스템과 상관 없이 13C 및 14C 레이저계 장치에 대해 통상적으로 사용될 수 있는 기준 물질을 표준화하는 방법을 입수할 수 없다. 따라서, 탄소 거래를 지지하기 위한 복합 시스템의 접근법의 주요 요소들을 입수할 수 없다.
탄소의 희귀 형태의 보정, 상호 보정 및
범지구
표준화
전형적으로, 앞서 기술한 바와 같이, 탄소의 동위이성체는 다양한 위치로부터의 배기된 플라스크 중에 공기를 포획함으로써 수득한 별개의 측정들에 의해 제조되며 널리 분포된 위치에서 소수의 실험실에서 분석된다. 이러한 실험실은, 원칙적으로 다양한 위치로부터의 데이터의 상호 비교 및 비교 가능성을 허용하는 상기 두 동위이성체(13C 및 14C)에 대한 내부 표준 및 공유된 표준 세트를 유지한다. 이러한 상호-비교는 동위 이성체 내의 시간 및 공간 경향을 세우는데 필요하지만, 개별 실험실에서 표준의 분석 과정 및 제조상의 차이는 대기 중의 CO2의 13C 및 14C에서의 경향을 혼란시킬 수 있는 정확도 및 정밀도로 동위원소 편차를 도입할 수 있으며 데이터 세트에 대해 복잡한 보정을 필요로 할 수 있다(예: Masarie et al., 2001; Werner and Brand 2001; Rozanski 1991; Vaughn et al., 2010). 13C 표준 프로그램 중의 기존 시스템은 현재 제한된 개수의 데이터 및 위치로 인해 탄소의 능동적 거래를 지지할 수 없다. 추가로, 개별 실험실의 관례 및 분석기의 유형에 따른 상기 표준 물질의 처리 및 분석으로부터 발생된 각각의 실험실로부터의 오차는 이러한 분석기로부터 말미암은 분석 및 데이터베이스 전체를 통한 오차로 전개된다. IRMS에 의한 13C 비의 분석은 0.03/mil의 잠재적 쉬프트를 생성시키는 17O의 존재에 의해, 그리고 약 0.22/mil의 쉬프트를 생성시키는 N2O의 존재에 의해 영향을 받는다(Vaughn et al., 2010). 실험실 전체에 걸친 13C 데이터의 상호 비교는 목적 정밀도에 비해 10배까지 더 큰 차이를 나타낸다(Allison et al., 2002, 2003). 차이는 CO2의 정제에 관한 가스 핸들링, CO2의 분석에 관한 가스 핸들링 및/또는 다양한 동위원소 비 질량 분석분광법의 특정한 운용에 기인할 수 있다. 따라서, 내부적으로 사용되는 표준 또는 공유되는 표준은 다양한 위치에 배치된 하나 이상의 계기로부터의 데이터가 요구되는 경우의 요건인 엄격한 상호 계기 비교를 제공하지 않는다. 따라서, 다수의 널리 배치된 분석기에 의해 13C를 즉각적으로 측정하고 공유된 표준과 직접적으로 및 즉각적으로 비교할 수 있는 복합 시스템이 13C의 변동을 모니터, 입증 및 회계하는데 있어서 매우 바람직할 것이다. 그러나, 고정밀 비교 가능한 13C의 네트워크를 장기간 목적으로 해 왔고 이러한 네트워크가 중요함에도 불구하고, 이러한 복합 시스템을 입수할 수 없었다. 이러한 복합 시스템은 생물 탄소 유출입량(예: 숲 탄소 격리)과 관련된 탄소 거래를 목적으로 하고 시간 및 공간의 함수로서 탄소 질량을 계산하는데 필요한 적합한 생태계 모델 및 기상학적 모델에 13C 데이터를 혼입시키기 위한 이러한 데이터 요건에 맞도록 화석 연료 탄소로부터 구분되는 생물 탄소를 측정, 모니터, 입증 및 회계할 필요가 있을 것이다.
14C 존재비가 13C에 비해 훨씬 더 적으므로(예: 1.1% 13C 대 10-10% 14C), 보다 소형화된 샘플 및 보다 복잡한 계기가 요구됨에 따라 14C 표준 및 상호 보정의 경우가 더 까다롭다. 총 탄소 0.5mg 만큼 작은 샘플은 대형의 복잡한 가속기 질량 분광분석기에서 분석되며, 14C 조성을 변경시킨 표준에 대한 요건은 14C 오염 없이 유지하기 어렵다(Stork et al., 1997). 14CO2를 분석하고 AMS 설비를 유지하는 데 있어서의 어려움 및 비용으로 인해, 이러한 AMS 설비 중의 소수가 고정밀 분석용으로 입수 가능하다(예: Boaretto et al., 2002). 화석 연료 CO2가 현대 14C의 분획을 증가시키는 경우와 같이 0% 14C 범위의 표준이 요구되는 경우, 어떠한 분별도 일어나지 않도록 보장하기 위해 가스를 적절하게 핸들리하는 데 있어서의 기술적 요구가 매우 높으며 지금까지 본원에서 기술된 바와 같은 복합 시스템 내로 도입된 적이 없다. 동위원소 차이가 또한 샘플 농축 동안의 분별(예: CO2의 극저온 분리), 가스 조작, 및 흑연으로의 전환 및 분석에 관한 것일 수 있다(Werner and Brand 2001). 미지의 가스와 AMS 측정에 대해 상술한 바와 같은 샘플 농도 및 조작을 수반하지 않으며 다수의 관련 계기에 의해 용이하게 참조되는 표준 기준 가스 두 가지 모두의 계기 이용 방법은 매우 바람직하고 분명히 중요할 것이지만 현재 입수할 수 없다. 따라서, 13C의 경우에서와 같이, 공기 샘플의 14C 조성을 측정할 수 있는 계기 단독으로는 탄소 거래 및 탄소 금융 상품을 지지하기에 충분하지 않다. AMS 방법을 사용하여 14C 샘플을 분석하는 어려움 이외에도 다수의 샘플이 샘플당 $400 내지 $600 범위의 샘플당 비용이 높기 때문에 통상 금지된다. 14C 연속식 현장 분석기는 훨씬 더 낮은 비용으로 AMS 분석에 요구되는 시간 분획 내에 수천번 측정할 것이다.
모두 광범위한 위치에서 정적 계기에 의해 제공되는 13C 및 14C 표준화를 위한 역사적 데이터는 부분적으로는 탄소의 희귀 형태의 분석에 필요한 비용 및 전문지식으로 인해 비교 가능한 표준의 전세계 네트웍을 유지하는 데 있어서 분명하고도 지속적인 문제들을 보여준다. 따라서, 탄소 거래를 위해 13C 및 14C 두 가지 모두에 대해 이들 시스템에서 전통적인 동위원소 분석을 토대로 이러한 네트웍을 사용한다는 것은 높은 비용, 범지구적으로 비교될 수 있는 표준을 분석 및 유지하는데 사용되는 계기 네트웍, 계기 장치 및 방법의 한계로 인해 조합되지 않으며 조합될 수도 없다. 따라서, 이러한 시스템의 요구 및 가치가 인식됨에도 불구하고, 탄소 거래 및 관련 탄소 금융 상품을 지지하기 위한 이러한 복합 시스템은 존재하지 않는다.
상기 언급한 바와 같이, 지금까지, 한 계기 내에 13C 및 14C을 두 가지 모두 측정 및 모니터하기 위한 시스템들을 조합한 실험용 또는 시판 시스템은 현재 존재하지 않는다. 특정하게는, WO 99/42814는 생물 탄소 및 화석 탄소 유출입량 두 가지 모두에 대한 미터톤 C와 같은 거래 가능한 단위의 견지에서 탄소를 계산하는데 사용되는 공유된 표준 및 범지구 기준 표준에 의해 연결된 다중 분석기를 혼입시킨 복합 시스템은 제기하지 않는다. 레이저계 방법을 사용하는 14C 분석의 기술은 당분야의 숙련가들이 이러한 분석기를 구축하기에 충분히 상세하게 기술되지 않음을 추가로 주목한다. 총 CO2가 10 내지 10%인 대기 중의 14CO2 의 낮은 농도는 13C에 대한 자연 존재비에서 10-9 정도의 소량을 분석하기 위한 방법에 대해 WO 99/42814에서 설명되지 않았다. WO 99/42814는 미국 특허 제5,394,236호를 참조한다. 그러나, 이러한 참조는 13C의 측정을 위한 레이저계 장치에 관한 것이고, 14C 측정에는 적용되지 않는다. 13C는 이의 분석을 위해 용이하게 이용 가능한 옵션을 제공하면서 총 CO2 중의 양 1.1%로 존재한다. 따라서, WO 99/42814는 상기 14C 분석기를 갖지 않는다. 추가로, 이러한 13C 및 14C 분석기는 탄소 거래 가능한 유닛을 생성시키는 통합형 부품들을 사용하는 복합 시스템에 사용되지 않는다. WO 99/42814는 주로 13C 분석과 14C 분석의 조합을 교시하지만, 분석 스테이지를 넘어 확장하지는 않는다. 본 발명자들이 후술하는 바와 같이, 13C 및 14C 동위원소 비 단독으로는 탄소 금융 플랫폼에 대해 거래하기 위한 탄소 배출권을 생성하기에 충분하지 않다.
중요하게는, 오랜 요구에도 불구하고, 상이한 기준이 상이한 용도를 토대로 세워짐에 따라 실제 또는 시판 시스템으로서 WO 99/42814에 기술된 시스템의 계기 배치가 특히 어렵다는 점이 인식되었다. 예를 들면, 탄소 가스가 물로부터 스트리핑되어야 하므로(이는 기술되거나 제안된 바가 없다) WO 99/42814의 교시는 대양수 중의 탄소 유출입량을 측정 및 모니터할 수 없다. 측정의 적절한 공간 밀도와 커플링된 적절한 데이터 샘플링 속도가 기술되거나 제안된 바 없고 용이하게 인식되지도 않기 때문에 숲, 경작지, 토양 등에서의 탄소 측정 및 모니터와 같은 기타 용도는 어려운 것으로 판명되었다.
탄소 거래
탄소 거래 및 탄소 금융 상품
현재, 탄소계 금융상품은 미터톤(1.1 숏 톤)의 CO2-당량(mtCO2e)으로 표현된 바와 같은 탄소용 표준 단위에 집중된다(IPCC 2008). 그러나, 미터톤으로 표현된 CO 2 의 유출입량의 직접 측정을 부족하다. 또한, 미터톤으로 표현된 탄소용 데이터를 사용하여, 소정의 프로젝트에 의해 달성된 온실가스(GHG) 배출의 감축, 회피 또는 격리에 의해 상쇄가 생성되는 경우의 탄소 오프셋을 수립한다. 그러나, 실제 수의 mtCO 2 e 배출이 생성됨을 확인하는 직접 측정, 또는 (상쇄시) 배출이 감축되거나 회피되는 경우 배출의 부재를 직접 측정에 의해 확인하는 것이 부족하다. CO 2 배출의 평가는 유럽 연합 배출 거래 체계(IPCC 2008)와 같은 거래 그룹을 포함하는 소정 위치 또는 다수의 위치에서 연료 소비(및/또는 이전 수준으로부터의 감축)를 토대로 사용된다. 따라서, 실제 측정의 부재시, 배출의 정량화방법에서 치명적인 문제를 나타내는 불활실성은 공지되어 있지 않으며; 작은 초항 오차가 금융 상품 및 이들의 파생 상품을 토대로 한 탄소의 가격 책정과 같이 다운스트림 프로세스 오차를 전개 및 확대시킨다. 불확실성 감소는 지역 또는 거래 영역의 풍경 전체에 걸친 고정밀 측정에 의해서만 달성될 수 있다. 현재, 탄소계 금융상품에 대한 불확실성의 감소에 사용되는 탄소의 희귀 형태에 대한 다중-동위원소 장치를 사용하는 지역 측정 스테이션이 없다. 따라서, CO 2 및 관련 온실가스에 대해 대륙 정도로 큰 거래 풍경 전체에 걸쳐 비교 가능한 탄소 배출(배출 감소)을 측정, 보고 및 입증하기 위해 광범위한 다중-지리학적 시스템을 사용하는 것이 매우 바람직할 것이다. 탄소계 상품에서 불확실성을 감소하기 위한 이러한 시스템은 현재 입수할 수 없다.
마찬가지로, 기존의 국내 및 국제 탄소 거래소(예: 시카고 기후 거래소(CCX), www.chicagoclimatex.com; 유럽 배출 거래 시스템(EUETS), www.ec.eurpa.ed))는 탄소계 금융상품을 지지하는데 요구되는 탄소 데이터의 생물 또는 화석 형태나 직접 측정을 특정하지 않는다. 상기 CCX는 GHG 배출의 격리, 파괴 또는 감소 추정치를 토대로 하는 적합한 프로젝트의 소유자 또는 수집자에 대한 거래 가능한 카본 파이낸셜 인스트루먼츠(Carbon Finantial Instruments)R(CFIR) 계약서를 발급한다. 모든 CCX 오프셋은 소급 기준으로 발급되며, CFI 빈티지는 GHG 감소가 수행되는 프로그램 년도에 적용된다. 프로젝트는 CCX 승인된 입증자에 의한 제3자 입증을 수행해야 한다. 이어서, 모든 입증 리포트는 미국 지원금융산업규제기구(FINRA, 이전에는 NASD)에 의해 완전성에 대해 조사되었다. 오프셋 프로젝트는 구성원, 오프셋 제공자 및 오프셋 모집자에 의해 등록될 수 있다. CCX 구성원이 메탄(경작지, 탄광, 매립지), 토양 탄소(경작지, 방목지 관리), 입업, 재생 에너지 및 오존 고갈 물질 파괴를 포함하는 하기 유형의 프로젝트에 대한 CFI 계약서를 발급하기 위한 표준화 규칙을 개발함에 따라, GHG 배출이 현저한 주체는 이들 자체의 배출 감소를 CCX 배출 감소 스케쥴에 위임하는 경우에만 오프셋 프로젝트 제안서를 제출할 자격을 가질 수 있다. 그러나, 탄소 배출/감소의 모든 경우, CO2에 대한 배출 오프셋의 직접 측정은 CCX 또는 제3자 입증자에 의해 총 CO2로서 또는 CO2의 관련 동위이성체(예: 13C, 14C)로서 사용되지 않는다(CCX, www.ccx.com). 측정 부족은 미지의 규모의 불확실성 및 오차와, 탄소 가격책정, 시장 동력학에 영향을 미칠 수 있고 사기를 용이하게 할 수 있는 복잡성을 도입한다.
토양 탄소의 경우, CCX 기준은 지리학적 위치에 따라 1에이커당 기준으로 CO 2 에 대한 표준 오프셋으로서 제공된다. 예를 들면, 토양 탄소 오프셋은 매년 1에이커당 기준으로 발급된다(CCX, www.ccx.com). 상기 오프셋 발급율은 상기 실행이 이루어지는 영역에 달려 있다. 예를 들면, 일리노이주에서의 등록된 생산자는 매년 1에이커당 0.6미터톤의 CO 2 의 발급율로 오프셋을 발급할 수 있으며, 중앙 캔사스에서의 생산자는 매년 1에이커당 0.4미터톤의 CO 2 의 발급율로 오프셋을 발급할 수 있다. 상이한 오프셋 발급율은 임의의 소정 위치에서 토양의 상이한 탄소 격리 성능을 반영하기 위해 취해진다. 따라서, 실제 측정 없이 지상 영역에 대한 탄소 격리에 대해 추정이 이루어진다. 탄소 토양 및 생태계 동력학 분야의 숙련가에서, 이러한 방법은 결함이 있으며 격리된 탄소의 추정에서 상당하 오차를 전개시킬 가능이 있다. 예를 들면, 숲에 배치된 계측탑으로부터의 데이타는 분명히 해마다 순수 탄소 유출입량의 넓은 편차를 보여주며, 가상의 숲 및 기타 지상 생태계에 대한 단순한 연산에 오차가 있을 가능성이 있음을 강력하게 제안한다(예: Urbankski et al., 2007). 마찬가지로, CCX에 의한 모든 열거된 오프셋 프로젝트는 측정, 모니터, 보고 또는 입증 방법을 상세하게 기술하지 않으며 평가 오차의 추정을 필요로 하지 않는다. 따라서, 모든 주요 탄소 거래소와 마찬가지로 CCX는 실제적이고 직접적인 측정, 모니터, 보고 및 입증을 위한 표준을 설정하지 않는다. 이들 과업은 광범위한 추정 프로그램을 사용하는 제3자 입증자에게 남겨진다. 안정한 동위원소는 입증 목적으로 사용되지 않으며, 추가로 한 주의 상이한 영역들, 상이한 대륙으로부터의 주들의 그룹으로부터의 탄소 유출입량의 비교를 허용하는 국제 범지구 표준의 세트에 연결되지 않는다. 따라서, 현행 탄소 시장은 지정된 거래 지역에 걸쳐서 데이터, 기준 신호 및 공간 및 시간 범위를 캡쳐하는데 요구되는 계기적 측정, 표준 및 범지구 기준 시스템을 토대로 하는 것이 아니라 오히려 미지의 불확실성을 갖는 추정을 토대로 한다. 따라서, 상기 열거된 결함을 보정한 복합 시스템이 매우 바람직하지만 입수할 수 없다.
표준
ASTM
방법에서의
14
C의 기존 용도
전통적인 신틸레이션 계수 방법 및 가속기 질량 분광분석법(AMS)를 사용하여 고체 및 고체의 연소에 의해 생성된 가스에 대한 14C 비를 ASTM D-6866(ASTM 2008)의 맥락에서 사용하여, 생물계 공급원 재료, 주로 식물 바이오매스(도 2 참조, 바이오디젤 혼합물)의 양을 변화시키면서 생성시킨 연료 및 연도 가스의 생물계 함량을 수립한다. 상기 가스 스트림 분석은 배기된 플라스크 내에 수집된 가스의 별개 샘플들을 기준으로 하며, 대규모 화석 연료 기여를 평가하는데 사용되는 것이 아니라 규격과 비교해서 생물계 함량에 대한 지점 공급원 배출을 입증하는데 사용된다. 생물계 물질% 및 생성된 CO2는 특정 산업에 대한 탄소 배출 상한에 대해 계수하지 않는다(Hamalainen et al. 2007). 특정하게는, 현행 방법론을 토대로 하는 13C 및 14C에 대한 데이타는 측정들이 이루어질 때마다 상호 비교가능하도록, 그리고 측정들이 탄소 거래 유닛을 수립하고 탄소 금융상품용 기준을 수립하기 위해 균일하고 정확하게 사용될 수 있도록 함께 측정된 13C 및 14C에 대한 연속식 분석 또는 연결된 표준을 혼입시키지 않는다. 따라서, 본원에 기재된 바와 같은 다중-동위원소 분석기를 사용한 14C의 측정은 14C에 대한 기존의 단일 샘플 분석에 비해 기본적인 진보를 제공할 뿐만 아니라 이전에 기술된 바와 같은 다수의 동위원소용 분석의 값을 확장시킨다. ASTM D-6866의 사용은 본원에 기재된 교시에 의해 엄청나게 확장되는 기본적인 방법론을 제공한다.
따라서, 이전 섹션에서 주어진 설명을 토대로, 탄소 거래 및 거래된 탄소 단위에서의 오차의 불확실성 감소를 목적으로 대기 중의 동위원소의 농도와 배출 및 흡수의 화폐화와의 상응 관계를 특정하는 표준 및 기준 및 시스템 수준 보고 및 참조가 이루어질 수 없음이 명백하다. 따라서, 탄소 예산 성분들을 구분하고 정량화하는 수단 및 시간 및 공간 범위에 걸쳐서 데이터를 상호비교하는 수단 뿐만 아니라 지구 탄소 관리 및 탄소 거래에 요구되는 범지구 기준 시스템 내의 모든 측정 기준에 대한 요구가 있다. 그러나, 이러한 복합 시스템은 동위원소 분석 분야의 숙련가의 수고를 토대로 현재 입수할 수 없다.
탄소 배출을 정량화하는 추가의 접근은 다양한 분광분석계를 사용하여 CO2의 우주 측정을 토대로 한다. 탄소 관측 위성(OCO), 온실가스 관측 위성 (GOSAT) 및 대기 적외선 음향기(AIRS)와 같은 위성 활동은 CO2의 다양한 측정 및 기타 온실가스 측정을 제공한다(Pacala et al., 2009). 각각의 위성은 특정한 원격 감지 능력을 가지며 화석 연료 배출을 측정할 것을 약속한다. 그러나, 위성 접근법은 위성이 지구 둘레를 우주에서 주행함에 따라 작은 센서 경로 및 영역을 커버한다. 위성이 온실가스 측정 및 모니터에 매우 적합한 반면, 이러한 데이터는 임의의 소정 위치 및 영역에 대한 요건에 따라 소정의 시간에 걸쳐서 탄소 거래에 사용되는 배출의 상세한 재고를 지지할 수 있는데, 그 이유는 상기 위성이 정적 데이터 수집으로 특정 위치로의 경로를 조작하는 것이 아니라 설계된 경로에 따라 움직이기 때문이다. 더욱이, 위성 시스템은 매우 고비용이고 새로운 위성의 런칭을 요구하는 제한된 관측연수가 도래할 수 있다(Pacala et al., 2009). 그러나, 위성 센서 데이터 및 지상 관측(예를 들면, 화석 CO2 배출로부터의 데이터가 신뢰성 있도록 보장하는 상호 보정, 기준 프로토콜 및 적합한 모델을 갖는 다중-동위원소 분석기들의 어레이로부터의 지상관측)의 조합은 매우 바람직할 것이다.
CO2 센서를 갖는 위성이 어레이 또는 다중-동위원소 분석기의 앙상블을 통과하면서 지상 데이터와 위성 데이터의 상호 비교를 허용하는 배열이 CO2 배출을 측정하기 위한 추가의 제3자 입증을 제공하는 데 있어서 매우 바람직하고 대단히 유용할 것이다. 추가로, 지상 및 위성 통합 측정 프로그램은 밀봉된 기준 전지 중의 지상 표준 가스를 위성 페이로드의 일부로서 수송되는 이러한 전지 세트와 직접 비교하기 위해 추가의 마스터 기준 밀봉된 전지 신호를 제공할 수도 있다. 따라서, 위성 보드상 탄소 센서와 지상 탄소 동위원소 데이터 사이의 상호 비교가 유효함을 확신할 수 있다. 따라서, 지상 프로그램과 위성 프로그램의 통합이 매우 유용할 것이고 우주 CO2 측정 시스템 분야의 숙련가들이 이를 인지하지만, 이러한 통합 시스템은 입수할 수 없었다.
본원에 기재된 복합 시스템의 다양한 양태는 이러한 어려움을 제기하며 기준 기술에 비해 이의 적용면에서 뛰어난 새로운 접근법을 제공한다.
특정 양태는 공유 보정 루틴, 공유 기초 및 마스터 기준 데이타 및 루틴을 토대로 하는 실시간 데이터를 보고하고 데이터를 분석하는 장치들의 다양한 공간 어레이로부터 13C, 14C 및 12C를 포함하는 대기 중의 CO2 동위이성체에 대한 농도 및 동위원소 데이터와 같은 농도 및 동위원소 데이터를 수집하고 이러한 데이터를 다양한 모델 접근법과 조합하여 소정의 공간 및 시간 프로젝트 영역에 대한 탄소 질량이 드러나게 하는 시스템을 제공한다. 이와 같이 유도된 탄소 질량은 미터톤 탄소 또는 상응물로서 주어지거나 탄소거래용 금융상품에 의해 및/또는 정책 입안자를 인도하기 위해 사용된다. 탄소거래용 데이터의 보고는 실시간 금융 거래를 가능하게 하면서 높은 빈도로 이루어 질 수 있거나 보다 낮은 빈도로 불연속적 탄소 금융 거래에 유용한 기간 평균으로 이루어질 수 있다. 특정 양태에서, 본원에 기재된 시스템은 주변 공기 중에서 다수의 동위원소 종의 동시 측정을 허용하여, 공급원(흡수원) 조건이 미터톤의 탄소 또는 미터톤의 탄소 상응물과 같은 표준 CO2 배출 및 오프셋 단위에 대한 동위원소 상응물로서 확인, 정량화 및 인식되게 한다. 본원에 기재된 복합 시스템 접근법은 모든 분석기 위치와 데이타 수집 기간에 걸쳐서 비교 가능한 탄소 데이터를 준비하는 소정 영역에서의 모든 분석기에서 동일하고 효율적으로 사용되는 밀봉된 기준 전지를 이용한다. 이러한 능력의 중요성은 실제 측정이 아니라 추정을 토대로 하는 현행 탄소 거래 메커니즘 및 접근법에서 명백한 바와 같이 성분 공급원에 대한 정보 없이 탄소 예산을 세우는데 있어서의 어려움을 고려함으로써 이해될 수 있다.
복합 시스템
특정 양태들은 다수의 동위이성체에 대한 데이터를 동시에 유지 및 보고하기 위한 복합 시스템을 제공한다. 도 4는 한 양태에 따른 복합 시스템의 부품으로서의 계기 팩키지의 블록 다이어그램을 도시한다. 상기 장치는 내후성 하우징(517); 13C 레이저 모듈(501), 12C 레이저 모듈(502) 및 14C 레이저 모듈(503)을 포함하지만 이로 제한되지는 않는 각각의 동위이성체에 대한 하나 이상의 레이저를 하우징하는 광학 모듈(500); 냉각 모듈(504); 각각의 동위이성체에 대한 하나 이상의 밀봉된 기준 전지(507) 및 하나 이상의 샘플 전지(508)를 내장한 샘플 모듈(505); 표준 기준 가스 모듈(509); 발전 모듈(510); 원격측정 안테나(516)를 갖는 cpu 및 원격측정 모듈(515); 하나 이상의 수 제거 유닛(512) 및 하나 이상의 입자 제거 유닛(513)을 내장한 샘플 예비-컨디셔닝 모듈(511); 및 동위원소 데이터를 보충하기 위해 요구되는 추가의 센서용 플랫폼으로서 작용하는 모듈(514)을 포함한다.
도 5는 도 4에 도시된 계기 팩키지의 예시되는 복합 시스템 분석 위치를 요약한 다이어그램을 도시한다. 기술된 바와 같은 전형적인 위치는 예시이며 기타 샘플 위치를 배제하지 않는다. 다수의 동위원소에 대한 분석기(600)는, 동일계에서 추출되거나 상기 장치에 도입될 수 있는 해수 또는 기타 수체에 용해된 CO2와 같은 용해된 대양 가스를 추출하기 위한 대양 표면 상(601), 산업적(석탄, 천연 가스) 및 자동차 CO2 배출을 도시 규모로 측정 및 모니터하기 위한 도시 내(602), 토양 대기의 대규모 샘플링이 높은 위도의 표면 온난화에 대응하는 토양 탄소 방출에 대한 "조기 경보" 시스템으로서 사용될 수 있는 높은 탄소 함량을 갖는 높은 위도 토양과 같은 지구 상의 취약한 위치에서의 토양 대기 내 또는 토양 표면 상의 샘플링(606), 다량의 탄소가 지구 온난화와 관련된 CO2의 매우 거대한 잠재적 흡수원 또는 공급원과 숲 관리를 나타내는 토양, 수목 및 잎 바이오매스에 묶이는 세계의 자연 숲 영역 내(605), 농작법, 급수 체계 및 비료 시용에 따라 공급원 또는 흡수원으로도 작용할 수 있는 경작지의 탄소 유출입량을 측정하기 위한 농업용지 내(604), 및 저장 위치로부터의 화석 연료의 누출이 저장 프로세스의 효과적인 관리 및 발전에 있어서 중요한 발전 설비 스택 및 관련 CO2 격리 프로젝트로부터의 연도 가스 내(603)를 포함하는 다양한 위치에서 사용될 수 있다.
도 6을 참조하여 요약하면, 전형적인 시스템은 시스템(2) 내로 샘플 가스 혼합물을 끌어들이는 펌프(30)를 사용한다. 상기 샘플은 이어서 문제의 목적하는 종의 총 농도를 측정하기 위한 검측기(4)를 통과한다. 상기 목적하는 종의 총 농도는 적외선 가스 분석기(4)를 통해 측정될 수 있거나 측정되는 배위 및 종에 적합한 임의의 기타 방식에서 측정될 수 있다.
이어서, 상기 샘플은 임의로 예비컨디셔너(7)를 통과한다. 상기 예비컨디셔너는 하기 운용 중의 하나 이상을 수행한다: 입자 샘플을 청소하기 위한 입자 제거, 샘플로부터 하나 이상의 성분 가스를 제거하기 위한 성분 제거(즉, 후속 가공 및 검측을 간섭할 수 있는 성분 제거), 특정 종의 농축, 및 가공을 용이하게 하기 위한 캐리어의 첨가. 특히 혹독한 환경에서, 입자 여과는 상기 샘플 경로의 보다 이른 위치에서 적용될 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 상기 시스템은 샘플을 하나 이상의 동위원소 비 분석기(24)에 통과시킨다. 상기 분석기는 목적하는 종의 소정의 동위원소의 농도를 검측한다. 상기 분석기는 임의의 기존의 동위원소 분석기일 수 있다. 일부 양태들은 소형의 정확한 레이저계 유닛을 사용한다. 예를 들면, 목적하는 종의 소정의 동위원소에 적합한 파장에서 방사선을 방출하도록 조정된 레이저를 사용하여 상기 동위원소 종을 여기 상태로 여기할 수 있다(참조: 도 3). 동시에, 상기 레이저는 동위원소 종의 공지된 표준을 여기한다. 광 다이오드 검측기 또는 광 갈바니 검측기와 같은 임의의 적합한 유형의 검측기를 사용하여 상기 샘플 및 상기 표준 둘다의 여기도를 측정할 수 있으며, 이에 따라 상기 동위원소의 농도를 검측한다. 상기 동위원소 비는 동위원소 종 농도를 상기 경로에서 좀 더 일찍 측정된 전체 종 농도와 비교함으로써 계산한다.
일부 양태에서, 하나 이상의 검측기, 예비컨디셔너 및 동위원소 분석기를 조합하여 상기 샘플 내의 여러개의 동위원소 비를 동시 측정할 수 있게 한다. 이들은 일부 유닛은 직렬로 운용하고 나머지 유닛은 병렬로 운용하는 다양한 시스템 구조로 배열될 수 있다. 도 7을 참조하면, 산화구리 및 산화알루미늄을 함유하는 유입 공기스트림(34)로부터 산소를 제거하여 산소 비함유 가스(38)을 수득하기 위해 텔레다인 인스트루먼츠(Teledyne Instruments)로부터 입수할 수 있는 모델 TAI O2 스크러버와 같은 예비컨디셔너 모듈(36)의 한 유형을 사용할 수 있다. 도 8을 참조하면, 나피온(Nafion)이라는 명칭으로 판매되는 것과 같은 가스 선택성 멤브레인(46)을 사용하여 유입 가스 스트림(40)으로부터 수증기를 제거한 다음, 이를 캐리어 가스(50)과 혼합하여 분석용 가스(56)으로서 존재하게 할 수 있다. 도 9를 참조하면, 극저온 트랩(82)을 사용하여 CO2를 농축시킬 수 있으며 일부 양태에서 유입 가스(64)를 취하여 필요에 따라 캐리어 가스(74)와 혼합한 다음, 액체 질소가 도입되는 트랩(82)로 유동시키는데, 이때 가스 유동은 4포트 2위식 유동 전환 밸브(76)에 의해 작동된다. 트랩 작동에 이어서, 농축된 가스는 분석을 위해 가스 배출구(84)를 향한다. 도 10을 참조하면, 상기 극저온 트랩은 스테인레스스틸 튜빙(94)으로 구성되며 트랩핑 후 전열선 히터(106)로 가열된다. 상기 트랩은 듀어(dewar: 진공 절연 용기)(112)에 배치하여 상기 트랩이 작동되는 동결 주기 동안 액체 질소를 수용한다. 도 11을 참조하면, 유입 샘플 가스(64)의 농도가 가스 농도 분석기(4)(도 6)에 의해 측정된 바와 같이 효과적이고 정확한 분석을 하기에 지나치게 높은 경우 스테인레스스틸 벨로우(83)를 사용하여 유입 샘플 가스(64)의 농도를 감소시킨다. 상기 유입 샘플을 밀폐된 위치 또는 압축된 위치에서 상기 벨로우에 유입시키고 밸브(78,80)를 닫는다. 이어서, 상기 벨로우를 팽창시키고, 캐리어 가스(74)를 유입시켜 목적 농도가 가스 분석기(4)에 의해 측정되는 바와 같이 희석에 의해 수득될 수 있도록 한다. 후속적으로, 상기 가스를 모세관 유동 또는 기타 수단을 통해 동위원소 비 분석기(24)로 유동하게 한다.
일부 양태에서, 도 6을 다시 참조하면, 상기 시스템은 퍼스널 컴퓨터와 같은 마이크로프로세서계 데이터 수집 및 제어 유닛(8)에 의해 제어된다. 상기 데이터 수집 및 제어 유닛은 시스템의 각 위치의 작동을 제어하고 측정치를 수집하고 데이타 프로세싱 및 데이터 요약을 수행하고 상기 데이터를 저장하고 상기 데이터를 송신한다. 상기 데이터 수집 및 제어 유닛은 또한 시스템 외부 조건(예: 온도, 풍향, 풍속, 압력 및 습도와 같은 기후 조건, 범지구 위치파악 시스템(GPS)을 통한 위도 및 경도와 같은 위치 정보, 및 수계 유닛의 경우 수온 및 염도) 및 시스템 내부 조건(예: 전력 조건, 온도, 시스템 기능 등)을 측정 및 모니터하도록 외부 센서에 연결시킬 수 있다. 모든 정보는 라디오 송신기를 통해 데이타를 수집하고 시스템 운용을 모니터하며 외부 조건을 모니터할 수 있는 중앙 기지국으로 송신할 수 있다. 상기 시스템이 컴퓨터에 연결된 수신기와 함께 배열되는 경우 상기 기지국은 상기 시스템 내로 새로운 프로그램을 임의로 송신할 수 있다. 당분야의 숙련가에게 익히 공지된 전형적인 무선 통신용 시스템, 및 계기의 원격 운용은 다수의 기타 시판 중인 통신 및 제어 구조물 중에서, 예를 들면, 오메가 엔지니어링 인코포레이티드(Omega Engineering, Inc.)(www.omega.com)로부터 입수한 감시 제어 및 데이터 수집(SCADA)을 포함한다.
최종적으로, 상기 데이터는 공간 및 시간 범위로 사용되고, 탄소 거래 및 교환의 맥락에서 탄소를 화폐화하는데 필요한 시간 및 공간 범위에 걸쳐서 탄소 유출입량을 통합하기 위한 용적을 부여하는 모델을 제공하면서 대기권 및 생물권의 적합한 모델 및/또는 이들이 커플링된 모델과 연결하였다. 상기 최종 결과는 표준 및 기준을 토대로 하는 독특한 동위원소 특성화 탄소 배출 유닛이며, 여기서 대기 중의 CO 2 의 생물 성분 및 화석 연료 성분이 두 가지 모두 정량화될 수 있으므로 적합한 온실가스 및/또는 탄소 거래에 대해 화폐화될 수 있다.
특정 양태에서, 상기 시스템은 모듈형, 휴대용 및 완비형이도록 설계된다. 상기 시스템은 통상적인 전선 전력을 사용하지만 배터리를 사용할 수도 있다. 배터리가 사용되는 경우, 상기 시스템은 또한 태양 전지 어레이를 통해 상기 배터리를 충전할 수 있으므로 원격 운용이 허용된다. 일부 양태에서, 상기 시스템은 외부 센서용 플랫폼, 라디오 안테나 및/또는 태양 전지 어레이도 제공하는 내후성 하우징에 내장된다.
상세한 양태
상기 기재된 복합 시스템 및 관련 방법을 전체적으로 이해하도록 예시용 비제한적 양태가 이제 기술될 것이다. 예시용 양태들 중의 하나 이상의 예는 도면에 도시되어 있다. 특정 양태에서, 복합 시스템은 하우징 및 원격 운용되기에 적합한 현장 배치 가능한 하우징에서 동위원소성 계기, 센서, 표준, 세게 기준 및 데이터 원격측정의 독특한 조합을 나타내는 범지구 모니터 플랫폼(GMP)으로서 지칭한다. 상기 GMP는 부분 및 범지구 온실 유출입량을 판독하는 능력을 제공하므로 지구 온난화의 결과를 감소시키는 것을 돕기 위해 지구의 온실 배출을 관리하기 위한 독특한 접근법을 제공한다. 특정 양태에서, 주변 공기 중의 CO2의 12C, 13C 및 14C 조성을 측정하기 위한 임의의 입수 가능한 장치(들)은 후술한 바와 같인 샘플 핸들링 및 샘플 컨디셔닝 특징을 갖는 모듈형 인자와 조합된다. 또한, 복합 시스템은 임의의 가스의 농도 및 동위원소 조성에 대한 임의의 분석기를 사용할 수 있다.
방법 및 복합 시스템의 예시 양태들은 도 6 내지 도 35에 도식적으로 도시되어 있다. 도 6 내지 도 14는 복합 시스템의 한 성분으로서 사용되지만 분석 성분 및 운용 특징이 상이한 분석기들의 양태를 도시한다. 도 15 내지 도 22는 계기 장비 어레이를 포함하는 복합 시스템의 추가의 운용 및 방법론적 부품들, 계기의 보정 및 상호 보정, 범지구 기준, 시스템 구조물 및 데이터 송신, 및 부분적 탄소 예산의 맥락에서 시장성 있는 총체적 데이터를 생성시키기 위한 모델을 사용하는 방법의 양태들을 기술한다. 도 22를 참조로 하면, 부분적 탄소 예산은 지방, 지역 및 기타 지리학적으로 한정된 영역을 반영하는 지구 탄소 예산의 서브세트이다.
상기 방법 및 복합 시스템은, 도 5에서 언급된 적용 영역 전체에 걸쳐 배치된 장치들의 공간 어레이에 요구되고 도 23 내지 35에서 도시된 바와 같은 지점, 지방, 국가 및/또는 주 경계 및 온실가스 협약에 따르는 1개 내지 임의 개수의 장치들을 사용한다. 한 양태에서 강건함(ruggedization) 및 완전 원격 운용을 특징으로 하는 장치는 실질적으로 지상 및 임의 수체상, 임의의 표면상 또는 표면하, 및 지구의 임의의 상공 중의 어느 곳에나 배치될 수 있다. 상기 방법 및 복합 시스템은 공간 해상도에 대한 요구(바람직하게는, 평방마일당 1개의 장치로부터 4×5°위도/경도당 1개의 장치)에 따라 또는 소정 위치에서 특정 환경 및 지질학적 조건에 따라 탄소 거래 가능한 결과를 생성하기 위한 최적 기능을 위한 복합 시스템의 초기 운용 및 시험에 의해 측정된 바와 같이 장치들을 배치한다. 추가로, 특정 양태들은 토양 컬럼, 토양 및/또는 초목 표면(들)로부터의 공기, 및 지상으로부터 나무 줄기/가지, 빌딩, 탑 및 높은 구조물을 포함하지만 이로 한정되지는 않는 임의의 구조물에 의해 지지되는 임의 높이까지 연장되는 수직 프로필 내의 공기를 나타낼 뿐만 아니라 비행기, 벌룬 또는 기타 수단에 의해 수득된 샘플들을 포함하는 샘플 채취 도입을 포함한다.
일부 양태들은 적외선 가스 분석기(IRGA)(도 6에서 아이템 4로서 도시됨) 및 동위원소 비 분석기(도 6에서 아이템 24로서 도시됨)에 의해 생성된 데이터를 준비 및 저장할 수 있는 마이크로프로세서계 데이터 수집 및 제어 유닛(도 6에서 아이템 8로서 도시됨)을 사용한다.
보정 및 계기 상호 비교 및 1차 기준 프로토콜
전술한 바와 같이, 동위원소 조성물의 분석은 공지된 기준 표준에 대한 비공지된 것에 대한 데이터로서 가장 간단하게 기술되는 비로서 표현한 데이터를 생성시킨다. 안정한 동위원소 및 방사성 동위원소 두 가지 모두에 대한 비 접근법 및 적절한 표준은 잘 개발되어 왔으나 탄소거래의 요건이란 맥락에서 사용되지 않는다. 그러나, 다수의 동위원소 분석기를 사용하는 경우, 개별적이거나 그룹을 이룬 보정 및 상호-비교와 범지구 기준에 대한 연결의 주요 문제는 전술한 바와 같이 어렵고 시간 집약적 노력을 요해서 탄소 거래 및 탄소 관리를 지지하기 위한 복합 시스템의 계기 장비에 대한 방해물로서 인정된다는 것이다.
그러나, 본원에서 기술한 바와 같은 레이저계 연속식 유동 분석기(예: 가스 충전된 동위원소 레이저 및/또는 양자 폭포 레이저)의 출현에도 불구하고, 다수의 지리학적 위치에 걸쳐서 탄소 거래를 지지하는데 사용될 수 있는 탄소 배출에 대한 신뢰성 있고 입증 가능한 데이터를 수득하기 위해서는 단일 및 다중 계기 보정 및 상호 비교의 문제가 요구된다. 다양한 위치에 분산된 분석기를 토대로 하여 탄소에 대한 통합 유출입량 데이터를 창출하는데 동위원소 데이터가 사용되는 본 발명의 경우, 상기 보정, 상호 보정 문제는 탄소 거래에 대한 불확실성의 현저한 감소가 실현되는 경우의 요건이다.
보정 및 상호 보정에서의 가정은 다음 가정들을 포함한다:
1) 밀봉된 전지 표준의 할당된 δ13C은 정확하고, 특히 표준 전지 변화시 정확하다;
2) 상기 분석기(들)의 반응은 시간 및 공간에 대해 우주에서 서로에 대해 실질적으로 변하지 않는다;
3) 시간 및 공간에 대해 소정의 분석기 또는 분석기 그룹에 대한 각각의 샘플은 표준 순도 및 예비-컨디셔닝 수준으로 처리된다;
4) 상기 시스템의 반응은 동위원소가, 샘플 크기 또는 유속 및 압력에 대해 공기 공급원의 차이에 따라 좌우되지 않는다;
5) 개별 계기의 성능이 모니터되고 계기들의 앙상블에서 모든 다른 계기와 비교되고, 분석기 내부의 추가의 기준 전지 및/또는 외부 전지들로 이루어진 1차 기준과의 비교치들을 사용하여 기준선 드리프트 또는 배경 위의 신호 입증과 같은 성능 문제를 보정할 수 있다. 기준 가스를 함유하고 즉각적으로 비교 가능한 밀봉 전지의 사용은 단기 및 장기 운용 사용 시간에 대해 매우 높은 정밀도와 매우 높은 안정성을 제공함으로써 복합 시스템의 중요한 특징이다.
가스 핸들링을 최소한으로 하면서 필수적으로 연속식 주변 공기를 사용하는 비-IRMS 접근법의 이점은 분석기들 사이의 차이아 대부분의 가스 핸들링 문제가 감소되거나 제거된다는 점이다. 이러한 개선을 넘어서, 본원에 기재된 특정한 복합 시스템의 또 다른 특징은 도 12에서 도시한 공지된 동위원소 조성을 갖는 다양한 밀봉된 표준 기준 전지의 사용이다. 이러한 밀봉된 기준 전지는 3 전지 계기에 배치된 것으로서 도 13에 도시된다(806, 807, 809). 특정 양태에서, 상기 밀봉된 기준 전지는 길이가 약 6cm이고 외부 직경이 0.5cm 이며 영구 밀봉된 아연 셀레나이드(ZnSe) 말단 캡을 갖는 단일 유리 실린더(예: 석영)으로 이루어져서 레이저광이 변함 없이 상기 실린더를 통과할 수 있다. 상기 유리 실린더 기준 전지는 모든 분석기에 대해 동일한 표준 또는 기준 가스를 함유한다. 특정 양태에서, 다수의 밀봉된 기준 전지는 표준 공기의 동일한 공급원으로부터 충전되며, 상기 실린더를 영구 밀봉하기 위해 유리 토치 또는 기타 수단으로 밀봉된다(도 12), 상기 밀봉된 전지는 캐나다 온타리오주의 LTG 레이저(LTG Laser)와 같은 CO2 레이저 제조 분야의 숙련가들과 표준 가스 제조 분야의 숙련가들에게 익히 공지된 프로토콜에 따라 다량의 평형을 이루는 용적의 공기로 충전될 수 있다. 본원의 도 12에 기술되고 도 13에서 사용되는 밀봉된 전지 양태는 3개의 동위원소 시스템(12C, 13C, 14C)을 사용한다는 점에서 독특하고 전술한 바와 같이 상이한 실험실에 의해 사용되는 표준 가스 제조방법 간의 차이의 어려움을 효과적으로 감소시키며 또한 소음 및 계기 드리프트를 크게 감소시킬 것이다.
이어서, 상기 밀봉된 기준 전지 가스는 고도로 보정된 표준 전지를 생성시키는 다수의 실험실에 의해 분석될 수 있다. 13CO2(606), 14CO2(608) 및 13CO2와 14CO2의 혼합물(607)에 대한 분석기 계기 기준 전지, 외부 1차 또는 범지구 기준 전지 및 위성(609) 기준 전지로 이루어진 밀봉된 기준 전지의 도식도를 도시하는 도 12를 참조한다. 다른 실험실들이 데이터를 수득할 수 있는 세계 표준 세트를 포함하는 14CO2 에 대한 밀봉된 기준 표준은 100% 분율의 현대 14CO2(600)로부터 0.5% 분율의 현대 14CO2(601) 및 0% 분율의 현대 14CO2(602)까지의 범위일 수 있다. 13CO2에 대한 밀봉된 기준 전지는 -25/mil(603), -5.00/mil(604) 및 +10/mil(605)의 13C 동위원소 비로 이루어질 수 있다. 각각의 1차 또는 범지구 기준 밀봉된 전지는, 특정 동위원소 조성에 대한 모든 밀봉된 전지가 동일하여(610, 611, 612) 이들이 배치될 수 있는 곳마다 앙상블 내와 앙상블을 가르지르는 분석기들 사이의 비교가 보장되도록 제조된다. 이러한 다중 기준 전지는 직선 어레이로 배열되거나 거울이 모든 전지를 통해 레이저빔을 효과적으로 향하게 하여 즉각적인 기준선 및 기준 보정을 제공하는 임의의 배치로 배열될 수 있다. 밀봉된 기준 전지 또는 전지들의 사용은 이중 유입 IRMS 계기를 사용하는 경우와 유사한 방식으로 동위원소 비의 계산 및 정밀도를 허용한다. 그러나, 본원에서 특정 양태에 따라 기술되는 밀봉된 기준 전지는 시간 및 공간의 관심 범위에 대하여 필요에 따라 적용되는 보정 및 상호 비교 루틴의 체제 내에서 사용된다.
도 13을 참조하면, 3개의 레이저 전지, 즉 12C(800), 13C(801) 및 14C(802)를 사용하는 도식도가 도시된다. 상기 3개의 레이전의 조합은 레이저 전력 입력 및 출력, 안정성 및 변조에 따라 각각의 레이저의 검측 및 최적화를 위해 균형잡힌 접근법을 교구한다. 상기 3 전지 시스템은 모두 3개 종의 탄소에 대한 양태의 한 예이지만, 상기 복합 시스템은 임의의 동위원소 종에 대한 임의의 동위원소 분석기와 함께 배치될 수 있다. 상기 3 전지 시스템(도 13)의 운용 세부사항은 아래에 주어진다.
도 14를 참조하면, 수동으로 또는 원격 통신에 의해 제어되는 소프트웨어 내로 인코딩되는 전형적인 운용 루틴에 대한 도식도가 도시된다. 샘플이 상기 시스템에 도입된 후, 총 CO2의 농도 및 압력을 결정하기 위한 측정이 이루어지거나 대안으로 동위원소 13C 및 14C 각각에 대한 초기 데이터가 수집되어 데이터 제어 소프트웨어 내로 도입된다. CO2의 총 농도 또는 동위원소 종(13C, 14C)의 농도가 너무 크거나 너무 작은 경우, 상기 소프트웨어 제어는 도 9, 10 및 11에 제공된 각각의 분석물의 증가 또는 감소로 운용을 지시할 것이다. 일단 샘플 크기가 측정에 최적으로 간주되면, 보정 곡선이 시행될 수 있고/있거나 외부 밀봉된 표준과의 비교가 수행될 수 있다. 도 14에 기술된 바와 같은 표준화의 용도에 관한 추가의 세부 사항은 이후 제공된다.
복합 시스템의 하드웨어 구조물
도 15를 참조하면, 기본 계기(100), 밀봉된 기준 전지 및 원격 측정 능력이 있는 기본 계기(102), 상기 계기(102)에서와 같은 분석기들의 어레이(103), 및 탄소 배출을 측정, 모니터, 입증 및 회계(이는 부분적으로는 데이터의 비교 가능성을 보장하기 위해 모든 분석기간의 즉각적인 통신에 의해 수행된다)하기 위한 소정 위치에서의 분석기들의 어레이(104)로 이루어진 기본적인 하드웨어 부품들을 도시한 도식도가 제공된다. 예를 들면, 1차 기준 표준을 포함하는 추가의 외부 기준 전지가 또한 분석기들의 어레이에 혼입되어, 분석기 기능 및 모든 분석기로부터의 데이터의 비교 가능성을 보장하는 추가의 수단을 제공할 수 있다.
도 16을 참조하면, 소정 위치에서 분석기들의 어레이는 이러한 분석기들(105) 사이의 통신을 도시하며, 이는 원격 측정 또는 기타 무선 수단(106)을 통해 위성(107)과 같은 수신기로 모든 데이터를 통신한 다음, 데이터를 중앙 데이터 스테이션 또는 분석용 데이터 센터(108)에 송신한다.
도 17을 참조하면, 탄소 13 비에 대한 비엔나 피디 벨렘나이트(Vienna Peedee belemnite: VPDB) 표준(Coplen et al., 2006) 및 14C에 대한 미국 국립 표준국 옥살산(예: NBS OxII )(Scott et al., 2004)과 같은 13C 및 14C에 대한 익히 공지된 국제 표준에 연결된 1차 기준(902)와 비교될 수 있는 별개의 어레이 중의 각각의 계기에 대해 무선 수단(904)을 통해 기준선 및 보정 데이타에 대한 즉각적인 비교 및 보정을 허용하는 외부 기준 밀봉된 전지(901) 계기와 통신하는 3개의 지리학적으로 떨어져 있는 분석기들의 어레이(900)를 도시하는 도식도가 제공된다. 이러한 양태에서, 외부 기준(901) 및 1차 표준 밀봉된 전지(902)는 두 가지 모두 상기 지역 내를 근거로 하여 각각의 앙상블을 제공한다. 데이터를 데이터 센터에 송신하여 모델들과 통합하여, 예를 들면, 한 양태에서 온실가스 거래소(906) 상에서의 실시간 거래를 지원하는데 사용된다. 또 다른 양태에서, 밀봉된 전지로서의 기준 표준은 위성(908) 내에 하우징되어, 위성이 지상 앙상블이 배치된 지리학적 지역 위를 지남에 따라 계기들의 앙상블에 대한 기준 값들을 비교할 수 있다. 역시 도 17을 참조하면, 분석기들의 앙상블을 갖는 지역 위로 특정하게 온실가스 감지 성능이 구비된 위성(908)이 통과하면 지상 및 위성 감지된 온실가스 농도에 대한 데이터(907)의 직접 비교가 가능해질 수도 있다. 도 17을 참조하는 또 다른 양태에서, 지상 분석기들의 입증을 보장할 목적으로 또는 지표에서의 온실가스 농도를 감지할 목적으로 위성에 의해 수신/송신되는 이러한 데이터는 즉각적으로 수신 및 송신되어 지구 전체에 걸친 실시간 탄소 거래소 거래 활동(906)을 지원하면서 모든 분석기들이 비교 가능해서 국가 및 통화 전반에 걸친 주식 거래용으로 발생하는 바와 동일한 방식으로 모든 통화 흐름/교환을 수용하는 방식으로 화폐화되도록 보장할 수 있다.
도 18을 참조하면, 데이터 스테이션(109)이 공간적 위치 전반에 걸쳐서 특정한 기간에 따라 임의의 분석기들의 앙상블 또는 분석기들의 그룹(110,111)에 대한 미터톤의 탄소 또는 탄소 상응물을 계산하는 소프트웨어 및/또는 임의 종류의 모델들을 사용하며 이러한 데이터를 거래가 이루어지는 임의 장소에 배치된 탄소 거래소(112,113)에 적절하게 제공될 수 있는 도식도가 도시된다.
도 19는 소정의 지리학적 영역(401) 및 소정의 기간(402)에 대해 계기(400) 및 분석기들에 의해 측정된 샘플로부터의 데이터(406), 즉 분석기들의 그룹 또는 앙상블(400) 및 데이터 앙상블(406), 공유된 보정 및 상호 보정 프로토콜(403), 범지구 기준 프로토콜기준 프로토콜부 위성 기준 표준(405)를 갖는 복합 시스템의 주성분 방법의 요약을 도시한다. 모든 데이터는 무선 또는 기타 원격측정 수단(407)을 통해 데이터 센터로 송신되며, 여기서 하나 이상의 모델 중에서(409) 데이터를 관리 및 혼입(408)시키고 궁극적으로 미터톤의 생물 또는 화석 연료 유도된 탄소(410)로 전환된다. 이러한 유닛은 온실가스를 거래하는 거래소인 적합한 플랫폼(412) 상에서 판매하기 위해 소정의 거래 시스템의 규칙에 따라 배출권으로서 등록(411)될 수 있다.
도 20a는 시간에 따라 5개의 지점을 커버하는 상이한 위치에서의 4개의 계기로부터 생성된 13C/12C 및 14C/12C 비에 대한 가상적 동위원소 데이터를 설명한다. 기호(사각형, 원, 십자가 그려진 원 및 삼각형)로 나타낸 4개의 계기에 대한 데이터는 유사한 추세의 데이터를 접속하는 실선(801)과 분리물로서 인식된 데이터를 접속하는 점선(802, 803)으로 도 20a에 도시된다. 특정 양태에 따르는 소프트웨어 제어 프로토콜의 특징은 분리물 데이터를 각각의 계기내에서 생성되고 정례적인 보정 곡선, 1차 표준 및 외부 표준(예: 도 14)에 의해 인식되는 것으로서 인식하는 것이다. 따라서, 도 20a에서, 추세 라인의 상하에 배치된 분리물들(802, 803)을 적합한 화일에 유지됨에도 불구하고 상응하는 데이터 스트림 및 계기 1차 데이터 기록으로부터 제거될 것이다. 일부 양태에서, 각각의 계기들(804, 805, 806, 807)은 도 20b에 도시한 바와 같이 외부 1차 기준 전지(809)를 기준으로 할 수 있거나, 실시간으로 데이터 결과를 상호 점검하는 추가의 방법을 나타내며 범지구 기준 데이터 지점을 제공하는 위성 우주 측정과 비교할 수 있다. 도 20b를 참조하면, 이러한 데이터 품질 및 보장 프로그램이 어레이 내의 각각의 계기(804, 805, 806, 807)에 적용되는 경우, 소프트웨어 프로그램은 정상적인 기능을 입증하고 아니면 데이터가 수집되지 않거나 고장이 등록되는 동안 분리물 또는 기타 조건을 제거하면서 임의의 기타 계기(808)(각각의 장치 쌍 사이에 교차 화살표로 나타냄)에 대해 각각의 장치를 검색하도록 고안될 수 있음을 추가로 확인할 수 있다. 이러한 제어는 서로 멀리 상이한 환경에서 배치되는 분석기들의 비교 가능성을 보장하는데 필수적이다(도 20c). 따라서, 특정 양태에 따라, 시간 및 공간에 대한 소정의 간격에서 어레이 중의 모든 계기들에 대한 모든 분리물 데이터는 1차 데이터 세트로부터 제거되어 품질이 보증되는 네트웍 또는 데이터 패브릭을 생성시킨다. 규정외 데이터는 상기 계기가 제대로 운용되지 않음을 나타내는 경보기를 작동시키도록 설정될 수 있다. 계기들의 어레이에 대한 이러한 프로토콜은 계기 제어 및 설정 프로토콜에 따르는 이러한 장치의 소프트웨어 제어 분야의 숙련가에게 익히 공지되어 있다. 예를 들면, 미국 텍사스주 오스틴 소재의 더 내셔널 인스트루먼츠 컴파니(the National Instrument Company; www.ni.com)는, 상술한 바와 같은 복잡한 루틴을 달성하기 위해 계기들의 주문식 데이터 수집, 조작 및 쌍방향 제어를 허용하는 익히 공지된 계기 제어 소프트웨어 팩키지인 랩 뷰(Lab View)(예를 들면, 모델 8.6)를 제공한다.
후술되는 바와 같은 진전된 무선 제어 프로토콜을 사용하여 실시간으로 자동식 운용될 수 있는 프로토콜은 본원에 기재된 복합 시스템의 성공적인 성능을 촉진시키는 상호 보정 루틴을 나타낸다. 4개의 계기들의 위치는 상기 위치로부터의 데이터의 모든 조합이 탄소 거래에 적합한 데이터 집합 및 결과를 생성시키는데 사용될 수 있도록 배치됨을 유의한다. 하나 이상의 위치를 나타내는 별개의 위치 데이터는 환경 조건을 포함하는 기타 요인에 따라 단위 위치에서 공간적인 수신 범위를 감소 또는 확장시키거나 급속한 변화를 추적하는데 사용될 수 있다. 상기 상호 보정 루틴은 전세계에 걸친 다수의 상이한 위치에서의 어레이에 배치된 임의 개수의 장치들 및 앞서 참조된 바와 같은 EU ETS 및 RGGI 탄소 거래 플랫폼과 같은 상이한 거래 네트웍에 적용될 수 있다. 이어서, 이러한 데이터의 네트웍 또는 패브릭을 데이터를 추가로 집합 및 삽입시키기에 적합한 모델과 통합시켜 소정의 공간 및 시간 도메인에 대해 누적 탄소 유출입량을 제공할 수 있다. 따라서, 특정 양태에 따르는 복합 시스템은 본원에 기술된 바와 같은 탄소의 희귀 형태에 대해 지금까지 실행되지 않은 방식을로 데이터 비교 가능성을 보장하는 자체 규제 보정 및 상호 보정 루틴을 제공한다.
SCADA
를 사용하는 데이터 통신 및 송신용 시스템 구조물
용어 SCADA는 감시 제어 및 데이터 수집(Supervisory Control And Data Acquisition)을 나타낸다. 이러한 시스템은 캐나다 알베르타주 소재의 벤텍 시스템즈 인코포레이티드(Bentek Systems, Inc.; www.scadalink.com)와 같은 판매자로부터 용이하게 시중에서 입수할 수 있다. SCADA 시스템은 먼 위치에 배치된 센서 및 계기로부터 데이터를 수집하고 제어 또는 모니터 목적으로 중앙 위치에서 이러한 데이터를 송신 및 표시하는데 사용되는 일반적인 프로세스 자동화 시스템이다. 특정 양태에서, 도 21을 참조하면, SCADA 시스템은 본원에 기술된 바와 같이 동위원소 분석기(901)는 본원에 기재된 바와 같이 동위원소 분석기(901)로부터 생성된 동위원소 데이터를 제어 및 모니터하는데 사용된다. 상기 수집된 데이터는 일반적으로 동위원소 모니터의 넓게 분리된 네트웍을 사용할 수 있는 지역과 같은 중간 호스트 컴퓨터(903)에 대한 옵션을 갖는 중앙 또는 마스터 위치에 배치된 하나 이상의 마스터 SCADA 호스트 컴퓨터(902) 상에서 본다. 현실 세계 SCADA 시스템은 수천개의 입력/출력(I/O) 지점 중의 수백개를 모니터 및 제어할 수 있다. 본원에 기술된 바와 같은 복합 시스템에 대한 전형적인 SCADA 용도는 소정의 네트워크 및 모든 네트워크에서 하나 이상의 장치에 대한 13C 및 14C 동위원소 비, 보정 및 데이터 송신을 위한 동위원소 조성을 생성시키는 장치를 모니터하는 것일 것이다. 개별 장치들의 다양한 소프트웨어 및 하드웨어 특징과 장치들의 네트웍 내의 통신은 아날로그 신호와 디지탈 신호 두 가지 모두를 사용하여 제어할 수 있다.
먼 위치 및/또는 상이한 위치 그룹을 이용하는 적어도 일부 양태에서, 먼 센서 및 계기들과 중앙 컴퓨터 사이에 또 다른 설비층이 사용된다. 이러한 중간 설비는 먼 쪽에 존재하여 센서 및 현장 계기에 접속한다. 상기 장치 센서는 전형적으로 디지탈 또는 아날로그 I/O를 가질 것이며 이들 신호는 장거리에 걸쳐서 용이하게 통신할 수 있는 형태가 아니다. 상기 중간 설비를 사용하여 센서 신호를 디지탈화한 다음 패킷화하여 이들 신호가 장거리에 걸쳐서 산업적 통신 프로토콜을 통해 중앙 위치로 디지탈적으로 송신될 수 있도록 한다. 이러한 기능을 핸들링하는 SCADA 분야의 숙련가에게 익히 공지된 전형적인 설비는 동일한 계기 박스 또는 RTU 901에 흔히 하우징되는 PLC(프로그래밍 가능한 로직 제어기) 및 RTU(원격 단말 유닛)이다. 특정 양태에서, 하나 이상의 풍경에 거쳐서 분포된 동위원소 분석기들은 PLC가 구비된 RTU(901)로서 분류될 것이다. 상기 RTU 및 PLC는 적합한 SCADA 통신 장치(904)를 구비한다. 산업적으로 흔하고 SCADA 통신 장치 분야의 숙련가들에게 익히 공지된 이러한 SCADA 장치의 하나는 캐나다 알베르타주 소재의 벤텍 시스템즈 인코포레이티드에 의해 판매되는 광대역 원격 포인트-멀티-포인트 SCADA 통신 시스템을 가능하게 하는 SCADA링크 900-MB RTU/라디오 모뎀이다. 이들 장치는 센서 데이터를 송신하기 위해 각각 통신 프로토콜 분야의 숙련가들에게 익히 공지되어 있는 모드버스(Modbus), AB-DF1 및 DNP3과 같은 사실상의 표준 산업적 데이터 통신 프로토콜을 사용한다. 전형적인 물리적 접속 표준은 접속 표준 분야의 숙련가들에게 역시 익히 공지된 벨(Bel) 202 모뎀, RS-485 및 RS-232이다.
전형적으로, SCADA 시스템은 4개의 주요 부재로 이루어진다:
1. 마스터 단말 유닛(MTU)(902)
2. 원격 단말 유닛(RTU)(901)
3. 통신 설비(904)
4. SCADA 소프트웨어
마스터 단말 위닛(902)은 일반적으로 SCADA 시스템의 마스터 또는 심장으로서 정의되며 운용자의 중앙 제어 설비에 배치된다. 상기 예시된 양태에서, MTU는 동위원소 분석기에 의해 생성된 데이터를 모니터, 제어, 수신 및 처리하는 1차 제어 및 운용 센터를 나타낸다. 상기 MTU는 원격 위치와의 실질적으로 모든 통신을 개시하며 운용자와 접속한다. 원격 현장 장치로부터의 데이터(13C, 14C, CO2 농도 데이터, 보정 루틴, 경보기 조건 등)는 MTU에 전송되어 처리, 저장 및/또는 기타 시스템으로 전송된다. 예를 들면, 이 경우, MTU는 데이터를 지구상의 임의의 지역 탄소 거래 플랫폼으로 전송할 수 있다.
앞서 논의한 바와 같이, 원격 단말 유닛(901)은 일반적으로 SCADA 시스템 내의 통신 위성 또는 접속점으로서 정의되고 먼 위치에 배치되며, 이 경우 풍경 전체에 걸쳐서 개별적인 동위원소 분석기를 나타낸다. MTU(902)가 하나 이상의 현장 동위원소 분석기(901) 또는 하나 이상의 중간 데이터 수집 위치(903)으로부터 소정의 기간 동안 동위원소 데이터를 송신하라는 명령과 같은 전송 명령을 개시할 때까지 RTU는 메모리 중의 각각의 현장 장치로부터 데이터를 모은다. 한 양태에서, 동위원소 분석기는 MTU로부터의 어떠한 지시도 없이 먼 위치에서 기능을 수행할 수 있으며 RTU(901)의 일부로서 본원에서 고려되는 마이크로컴퓨터 및 프로그램 가능한 로직 제어기를 구비할 수 있다. 또한, PLC는 추가의 현장 장치는 모듈형이고 추가의 현장 장치를 측정, 모니터 및 제어할 목적으로 확장 가능하다. 따라서, 이 경우, 한 양태에서, 다수의 RTU(901)의 지역 앙상블은 보정, 상호 보정 및 기준 루틴을 특정하게 측정 및 모니터하기 위해 PLC를 구비할 것이며 또한 하나 이상의 동위원소 분석기에 대해 제어 기능, 위치 조건 보고, 재프로그래밍 용량 및 경보기 기능을 허용할 수 있다. RTU(901) 내에, 통신 장치가 사용하는 프로토콜로부터 데이터 스트림을 수신하는 중앙 처리 유닛(CPU)이 있다. 모드버스(Modbus), 송신 제어 프로토콜 및 인터넷 프로토콜(TCP/IP) 또는 특허 폐쇄 프로토콜과 같은 프로토콜이 개방될 수 있고, 상술한 모든 프로토콜은 데이터 송신 프로토콜 분야의 숙련가에게 익히 공지되어 있다. RTU 901이 상기 프로토콜에 삽입된 이의 접속점 어드레스를 보는 경우, 데이터가 해석되고 CPU는 상기 세부 작용을 취하도록 지시한다. 따라서, 모든 기능은 임의 개수의 동위원소 분석기를 제어하는 하나 이상의 마스터 위치로부터 수행될 수 있다.
다양한 양태에서, 상기 SCADA 시스템 네트워크 또는 형상이 설정되는 방식은 변할 수 있지만, 각각의 시스템은 MTU와 RTU 사이의 연속적인 쌍방향 통신에 의존한다. 이는 다양한 방식으로, 예를 들면, 전용 유선, 매설 케이블, 전화, 라디오, 모뎀, 마이크로파 디쉬, 무선/휴대용(905), 위성(906) 또는 기타 대기권 수단에 의해 달성될 수 있고, 여러번 시스템들은 먼 위치에 통신하는 하나 이상의 수단을 사용한다. 이는 다이얼-업 또는 전용 음성급 전화선, DSL(디지탈 서브스크라이버 라인), 통합 서비스 디지탈 네트웍(ISDN), 케이블, 광섬유, 와이-파이, 또는 기타 브로드밴드 서비스를 포함할 수 있다. 본원에 기술된 복합 시스템은 SCDA 시스템 분야의 숙련가들에게 익히 공지된 바와 같이 지방, 지역 및 먼 위치를 커버하는 모든 통신 시스템을 이용할 수 있다.
전형적인 SCADA 시스템은 시스템이 운용함에 따라 운용자에게 기능들이 가시화되도록 허용하는 인간 기계 접속(HMI)(907)을 제공한다. 따라서, 본 명세서에서, 가시화는 탄소 유출입량의 등고선 표면(contour surface), 보정 및 상호 보정 루틴, 또는 간단하게는 소정 기간에 걸쳐서 소정의 장치들의 어레이에 대한 생물 또는 산업적 공급원에 기여하는 탄소 미터톤 단위의 탄소 유출입량 데이터를 포함할 수 있지만, 이로 제한되지는 않는다. 특정 양태에서, 운용자들은 또한 상기 HMI를 사용하여 설정점을 변화시키고 중요한 조건 경계 및 경보를 보고 데이터 추세를 분석, 보관 또는 제공할 수 있다. 윈도우 NT의 도래 이후, HMI 소프트웨어는 작업시 현실 시스템을 신뢰성 있게 나타내면서 PC 하드웨어 상에 설치될 수 있다. 통상적인 HMI 소프트웨어 팩키지는 심플리시티(Cimplicity)(GE-Fanuc), RSView(Rockwell Automation), IFIX (Intellution) 및 인터치(InTouch)(Wonderware)를 포함한다. 이들 소프트웨어 패키지의 대부분은 데이터를 보고 및 보관하기 위한 표준 데이터 조작/제시 툴을 사용하며 마이크로소프트 엑셀, 액세스 및 워드와 잘 통합한다. 웹 기반 기술 또한 잘 수용된다. SCADA 시스템에 의해 수집된 데이터는 HTML 페이지를 동력학적으로 생성시키는 웹 서버에 전송될 수 있다. 이어서, 이들 페이지는 운용자 위치에서 랜 시스템에 전송되거나 인터넷에 공개된다. 예시된 양태에서, MTU(902)에 의해 수신된 후의 데이터는 하나 이상의 산소 거래 플랫폼(915)에서 사용하기 위해 비교 가능한 탄소 유출입량 데이터를 생성시키는데 사용될 것이다.
요약해서, 도 21을 참조하면, 다수의 동위원소 분석기들이 각각 RTU(901) 계기 하우징 내의 PLC를 지원하는 계기 구조물을 사용하는 2개의 별개의 위치(908, 909)의 현장에 배치된다. 한 양태에서, RTU를 갖는 각각의 별개 위치는 SCADA 통신기(904)를 구비한다. 또 다른 양태에서, 서로 유선 연결(910)되기에 충분히 가까운 RTU는 통신용 단일 SCADA 유닛을 사용할 수 있다. 또 다른 양태에서, 소정의 네트웍 내부의 핸드헬드 컴퓨터(911)은 무선 또는 기타 수단에 의해 데이터를 모니터할 수 있다. 무선 통신이 관여된 또 다른 양태에서, 캐나다 알베르타주의 벤텍 시스템즈로부터 입수 가능한 리피터 유닛(912), 및 모델 SCADA링크 SMX-900은 MTU(902)로의 최종 송신용 신호의 증폭과 연관될 수 있다. 또 다른 양태에서, 중간 MTU(903)는 1차 MTU(902)로 송신하기 전의 데이터를 캡쳐하는데 사용된다. 또 다른 양태에서, 태양 발전 SCADA 통신 유닛(913)은, 예를 들면, 캐나다 알베르타주 소재의 벤텍 시스템즈로부터 입수 가능한 솔라 SCADA 링크(Solar SCADA Link)를 사용하여 제한된 전기전도도를 갖는 원거리 영역에서 사용될 수 있다. 데이터 통신은 무선 송신(905) 또는 위성(906) 시스템들에 의해 수행될 수 있다. 상기 데이터는 1차 MTU(902)에 의해 수신되며, 탄소 유출입량에 대한 등고선 표면, 인간 기계 접속점 HMI(907) 내부의 차트, 그래프 및 3차원 가시화를 포함하지만 이로 제한되지 않는 다양한 표시를 만든다. 수학적 계산 및 모델의 사용으로부터 기인하는 적절한 데이터 산물은 최종적으로 소정의 공간 및 시간 도메인에 대한 공급원 또는 흡수원으로서 생물 및 인위적/산업적 성분을 두 가지 모두 명시하는 미터톤 단위의 탄소 유출입량 데이터를 제공한다. 이러한 데이터는 암호화(914)되고 탄소 거래소(915)로 송신된다. 데이터는 다양한 온-사이트 및 오프-사이트 데이터 베이스(916) 내에 자동 저장된다.
공간 및 시간 동위원소 데이터의 수집 모델
13C 및 14C 동위원소 조성에 대한 데이터는, CO2 농도에 대한 데이터와 함께, 별개의 토양 탄소 모델 내지 농업적 모델에 이르기까지의 다양한 모델에 대해 지역들에 대한 국지적 위치로부터 범지구 모델에 대한 대륙까지의 보다 넓은 범위를 커버하는 것들에 상기 입력을 제공한다. 동위원소 측정 위치의 밀도, 국지적인 기상 상태, 측정 기간 및 모델 자체의 기계론적 기반 사이의 상호작용은 거래용으로 사용될 수 있는 탄소 유출입량 데이터를 유도하기 위해 모델을 사용하는 경우 뿐만 아니라 샘플링 위치 및 측정 장치의 배열을 설계하는 경우에도 고려된다.
특정 양태에 따라, 모델들을 사용하여, 측정되는 영역 및/또는 프로세스에 대해 탄소 미터톤 단위의 통합 유출입량 데이터를 생성시키는 동위원소 측정 장치의 공간 및 시간 배열로부터 수득된 데이터를 삽입한다. 각각의 경우 별개의 공간 및 시간 도메인에 대한 탄소 유출입량은 세계 탄소 예산의 맥락에서 부분적인 탄소 예산을 나타낸다. 탄소 거래는 본질적으로 부분 탄소 예산들로 이루어지며, 허용 가능한 불확실성과 예측 능력을 특징으로 해야 한다. 따라서, 지금까지 기술된 특정 양태에 따르는 복합 시스템은 탄소 거래를 지원하고 궁극적으로 세계 탄소 예산 자체의 상세한 이해를 돕기 위해 사용될 수 있는 매우 다양한 부분적 탄소 예산을 공들여 세우기 위한 방법론 및 관련 공간 및 시간 도메인을 포함한다.
통합된 유출입량 데이터가 탄소 거래에 유용할 특정 영역 및/또는 프로세스의 예는 도 22 내지 35에 도시된다. 각각의 경우, 특정 모델이, 예를 들면, 공개된 작업을 근거로 하여 소정 용도에 대한 효율을 나타내기 위해 사용될 수 있다. 관련 탄소 모델은 2008년에 조비츠(Zobitz) 등에 의해 공개된 토양 모델; 2007년에 우르반스키(Urbanski) 등과 2004년에 소트(Sott) 등에 의해 공개된 숲 교환 모델; 2001년 로이드(Lloyd) 등, 2003년 레빈(Levin) 등 및 2006년 라이(Lai) 등에 의해 공개된 지역 교환 모델; 2002년에 웨스트(West) 및 마를랜드(Marland)에 의해 공개된 농업적 탄소 사이클 모델; 2008년에 코소빅(Kosovic) 등에 의해 공개된 지역적 화석 연료 배출 모델; 2004년에 마츠모토(Matsumoto) 등에 의해 공개되니 대양 탄소 사이클 모델; 2006년 벤테리스(Venteris) 등에 의해 공개된 지질학적 탄소 격리 모델; 및 2007년 피터스(Peters) 등에 의해 공개된 대륙 범위 모델을 포함한다. 상기 언급된 모델 공개가 예시적이기는 하지만, 학술 문헌은 입증된 탄소 단위로서 탄소 거래소에 의해 사용될 수 있는 미터톤 단위로 보고된 물질 유출입량을 생성시키기 위해 데이터 처리에 적합한 기술된 영역 및 기타 영역에서 다수의 모델을 포함한다. 각각의 분석기 앙상블은 요구되는 결과를 수득하여 복합 시스템의 다양한 양태들에 대한 특허 모델 통합 기능을 나타내기 위해 특정한 모델 조합을 필요로 할 수 있다.
별개의 복합 시스템의 개론은 범지구 예산(400)으로부터 육상 도메인(408) 중의 별개의 토양 예산(403) 또는 대양 도메인(407) 중의 해양 탄소 예산(405)에 이르기까지의 다양한 범위의 체제를 제공하는 도 22에서 설명된다. 양방향 화살표는 양방향으로의 탄소 유출입량을 의미하며, 포지티브 유출입량은 대기에 방출됨을 의미하고 하향 또는 네거티브 유출입량은 격리됨을 의미한다. 화석/산업적 탄소를 지칭하는 실선 이중 화살표와 생물, 천연 탄소를 지칭하는 점선 화살표는 예시된 복합 시스템의 최종 결과, 즉 대기 중의 1차 탄소 성분들의 이중 탄소 회계를 나타낸다. 도 22를 참조하면, 도시된 모든 박스는 인위적/산업적 탄소(409) 및 천연 탄소(407, 408) 두 가지 모두에 대해 탄소 사이클의 성분들에 초점을 맞춘 상호관련된 예산을 나타낸다. 정확한 부분적인 탄소 예산의 통상적인 모델 부재는 대기 수송(406)이다. 수직면 및 수평면 양쪽으로의 대기 운반은 단시간 내에 큰 공간 범위에 걸쳐서 배출을 신속하게 이동 및 혼합할 수 있다. 이와 같이 탄소 배출의 이동 이력 및 최종 분산은 2008년에 릴리(Riley) 등에 의해 논의된 바와 같이 탄소 배출을 관리하고 화폐화하기 위한 주 및 지역 수준에서 유용할 것이다.
지역 및 대륙 범위와 같은 대규모 활동의 양태에서 부분적인 예산은 모니터 영역 전체에 걸쳐서 "보이지 않는 박스" 또는 제어 용적을 놓고 상기 경계를 가로지르는 모든 공기의 이동 및 동위원소들과 이산화탄소의 농도를 가능한 정확하게 추적하는 과정을 수반한다. 시간 및 공간에서 해상도가 높은 기상 데이터의 사용이 모델용으로 채택될 수 있다. 장치들의 배열로부터의 동위원소 데이터와 관련해서, 이를 사용하여 대규모 유출입량을 계산할 수 있다. 이러한 접근법은 2008년에 코소빅에 의해 보고되었으며 대기 운반 모델 분야의 숙련가에게 익히 공지되어 있다. 풍경을 가로지르는 측정점들의 밀도는 풍경 불균질도, 지형, 설계 기준 및 바람직한 해상도 및 정확도에 따라 변할 것이며, 복합 시스템의 초기 시험 배위에 따라 최적으로 배열된다.
본원에 기술된 바와 같은 복합 시스템에 매우 적합한 모델 접근법의 한 예는 릴리(Riley) 등에 의해 2008년에 보고되었다. 이러한 연구에서, 14C 함량에 대한 잎 샘플의 분석과 화석 연료 배출의 분석을 이용하여 다시 대기 중의 14C를 추정하는데, 이는 대기 중의 14C의 직접 측정이 현재 기술로는 실행 가능하지 않음을 나타낸다. 상기 연구는 MM5, 및 LSM1 트레이서 모델을 커플링하여, 식물 데이터의 14C를 기준으로 하여 캘리포니아주에서의 화석 CO2 배출 및 이동을 추론한다. 그렐(Grell) 등의 작업(1995)을 토대로 하는 MM5 모델은 기상 예보 및 대기 동력학, 지표 및 대기 커플링 및 오염물 분산의 연구에서 전형적으로 사용되는 비-유체정력학적 지형추적 시그마 좌표계 중규모 기상학적 모델을 포함한다. 상기 모델은 복잡한 지형 및 불균질 육지-커버의 영역을 포함하는 다양한 지형에 걸쳐서 다수의 연구에 적용되었다. 상기 시뮬레이션에 사용되는 물리학 팩키지는 릴리(Riley) 등의 논문(2008)에서 발견될 수 있으며 대기 운반 모델 분야의 숙련가들에게 익히 공지되어 있다.
릴리(Riley) 등의 연구(2008)에서 사용되는 LSM1 모델은 보난(1996) 이후 유행하였으며, 생태계와 대기 사이의 CO2, H2O 및 에너지 유출입량을 시뮬레이션하는 "큰 잎" 지표 모델이다. 방사선, 모멘텀, 감지 가능한 열 및 잠열의 유출입량; 지하 에너지 및 물 유출입량, 및 토양, 식물 및 대기 사이의 커플링된 CO2 및 H2O 거래를 시뮬레이션하는 모듈이 릴리(Riley) 등의 논문(2008)에 포함된다. 13개의 식물 형태를 다양한 피복 분율로 포함하는 28개의 지표 형태가 릴리 등의 논문(2008)에 보고된 바와 같은 모델에서 시뮬레이션된다. 릴리는 2개의 모델 MM5 및 LSM1의 통합이 시험되고 목적하는 유출입량을 정확하게 예측하는 것으로 밝혀졌다고 보고한다.
릴리 등(2008)은 MM5 v3.5에 대한 표준 개시 과정을 사용하며, 이는 NOAA 국립 환경 예측 센터(NCEP) 재분석 데이터로부터 삽입된 제1-추측 및 경계 조건 장을 외부 계산 격자에 적용한다. 상기 모델은 표면 수평 해상도가 36km이고 표면 사이에 18개의 수직 시그마 층을 가지며 5000Pa인 단일 도메인으로 수행되고; 사용되는 시간 단계는 108초이고, 출력은 2시간마다 생성된다. 상기 2시간 마다의 모델 출력을 상기 분석에 사용한 다음, 시간, 계절 또는 1년의 기간에 걸쳐서 통합 또는 평균을 낸다. 다양한 시간 및 공감 범위에 걸쳐서 통합된 유출입량 데이터를 제공하면서 복합 시스템과 함께 사용하기 위한 예시되고 용이하게 입수할 수 있는 모델 접근법으로 릴리 등의 작업(2008)로부터 생성된 통합된 유출입량 맵을 도 22b에 제시하였다. 유출입량의 3차원 등고선은 동위원소 분석기의 배열에 대한 한 양태를 적절하게 대표하는 36km2의 해상도 모델로 측정된다.
도 22a를 참조하고 제시된 각각의 부분적인 예산들이 릴리 등(2008)에 의해 보고된 바와 유사한 방식으로 처리될 수 있음을 인식하면, 상기 부분적인 예산(401)은 사용된 단순한 예에서 부분적인 예산들(409, 402 및 403)로 구성된다. 본원에서 특정한 양태들에 따라 기술되는 복합 시스템은 생물 및 인위적/산업적 배출 두 가지 모두에 대한 실시간 고정밀 유출입량 데이터를 토대로 하여 점점 더 큰 예산들로 통합될 수 있는 함유된 부분적 예산의 측정을 허용하는 지금까지 공지된 유일한 접근법이다. 이전의 부분적 예산 예에 따르면, 지상 도메인을 나타내는 부분적 예산(401, 408) 및 대양 도메인을 나타내는 부분적 예산(404, 405, 407)은 소정의 기간에 걸쳐서 궁극적으로 모든 부분적 예산으로부터 완전 혼합된 공기를 나타내면서 GB 400과 물질 수지를 이룬다. 따라서, 도 22에 도시된 간략화된 범지구 예산 및 부분적인 예산들은, 본원에 기술된 바와 같은 복합 시스템이 변화하는 시간 및 공간 범위에 걸쳐서 탄소 유출입량을 정량화하는 수단(이는 다양한 별개의 위치 및 탄소 예산 동력학을 나타내는 탄소 거래를 위한 요건과 양립 가능하다)을 제공함을 보여준다.
다시 도 22b를 참조하면, 시간 및 공간 면에서 별개의 측정들을 나타내는 데이터 세트는 배출, 감소 또는 격리되는 탄소의 몰 용적으로 전환될 수 있다. 상기 모델 데이터는 주요 도시, 예를 들면, 각각 부분적 예산을 나타내는 경작지, 황무지 및 거주지로부터의 탄소 유출입량을 커버하도록 처리될 수 있다. 이어서, 소정의 지리학적 영역에 대한 부분적 예산들의 전체 세트는, 예를 들면, 전체 주에 대한 탄소 예산을 집합시키는데 사용될 수 있다. 각각의 부분적인 예산이 배출, 감소 또는 격리되는 탄소의 미터톤으로 표현될 수 있다면, 이러한 데이터는 거래용 탄소 배출권을 확인하는데 직접 사용될 수 있다(예를 들면, 탄소 배출권은 탄소 감축 또는 격리에 의해 회피된 탄소를 나타낸다). 시카고 기후 거래소 또는 유럽 연합 배출 거래 체제와 같은 탄소 거래소로 배출권을 등록하는 방법은 탄소 배출권을 등록 및 판매하는 분야의 숙련가들에게 익히 공지되어 있다. 요약하면, 상기 방법은 경작지, 매립 가스, 숲 활동 등과 같은 탄소 거래에 허용되는 도메인을 확인하는 단계를 수반한다. 상기 도메인 기준을 충족시키는 프로젝트는 상기 프로젝트, 위치 및 모니터링 방법을 상세하게 기술하는 일련의 문헌들을 수반하여 상기 거래소에 신청서를 제출한다. 일단 승인되면, 상기 프로젝트는 기준선 조건을 수립한 다음, 상기 프로젝트를 개시한다. 모니터링은 본원에 기술된 바와 같은 복합 시스템 접근법을 토대로 수행된다. 모니터링 기간을 보고한 다음, 상기 거래소에 의해 입증 및 인증받은 후, 상기 배출권을 상기 거래소에 등록하고 판매용 목록에 기입한다.
그러나, 탄소 거래를 위한 측정, 모니터링 및 입증 방법은 지금까지 불량하게 개발되고 통일된 방법론이 결여되었다. 반면, 본원의 특정 양태에 따르면, 예를 들면, 캘리포니아주에 대한 데이터는 다음과 같이 이루어질 수 있다:
14C 단위(미터톤): 감소량 + 격리량 - 배출량
13C 단위(미터톤): 격리량 - 배출량
따라서, 우선, 탄소 거래용 데이터는 화석 및 생물 성분에 따라 정의될 수 있을 뿐만 아니라 정책 행동으로 인해 탄소 유출입량의 관리를 추적하기 위해 데이터를 제공할 수 있다. 상기 데이터는 또한 공급원 성분들을 보다 상세하게 밝힐 수 있고 도 2에 도시한 바와 같이 일부 경우 생태계 기능을 평가한다. 따라서, 특정 양태에 따르는 복합 시스템은 자연 배출 및 화석 매출을 통합할 뿐만 아니라 공급원 성분들 및 생태계 기능을 확인한다.
본원에서 특정 양태에 따르는 복합 시스템은 인간 및 우리가 살고 있는 자연 환경에 의한 탄소 배출과 직접 연결되는 과학적 데이터를 토대로 가격이 책정되고 가치가 매겨질 수 있는 의미 있는 탄소 배출권을 창출하기 위해 생물 탄소 유출입량 및 화석 탄소 유출입량 두 가지 모두의 이중 회계를 사용하는 새로운 접근법을 제공한다.
복합 시스템의 분석기의 일반적인 운용
상기 방법 및 복합 시스템의 일부 양태에서, 도 6에 도시한 바와 같이 임의 공급원으로부터의 공기와 같은 가스 혼합물의 종 농도 및 종들의 동위원소 비(예: 이산화탄소 농도 및 탄소 동위원소 비)의 측정이 수행되며, 적합한 데이터는 장치 내의 메모리에 기록된 후, 도 16, 도 17 및 도 18에 도시한 바와 같이 중앙 위치로 송신된다. 도 6을 참조하면, 상기 시스템은 다음과 같이 운용된다. 상기 가스 샘플은 가스 유입 튜브(2)를 통한 시스템 내로의 입력이다. 추가의 양태에서, 상기 유입 튜브(2)는 연소 체임버와 연결되어 고체의 가스상 샘플을 제공할 수 있다. 이러한 연소 체임버는 상기 샘플을 고정하고 있는 체임버 내의 열-전기적 가열 부재를 사용하여 형성될 수 있거나 질량 분광분석법에서 사용되는 통상적인 연소 체임버를 사용할 수 있다.
상기 가스 샘플은 펌프(30)의 작동을 통해 상기 시스템 내로 및 상기 시스템을 통해 배출된다. 초기에, 대상 가스의 총 농도의 측정이 수행된다. 탄소 동위원소를 측정하는 양태에서, IRGA(4)는 예비프로세싱 또는 컨디셔닝을 필요로 하지 않고 입력 샘플의 총 CO2 농도를 제공한다. 혹독한 환경을 목표로 하는 추가의 양태에서, 예비컨디셔닝 유닛을 첨가하여 습기 및 먼지 등을 제거할 수 있다. 이는, 예를 들면, 당분야에 공지된 바와 같이 원치 않는 구성분들을 제거하기 위해 선택적 멤브레인을 사용하는 필터 유닛에 의해 또는 당분야에 공지된 바와 같이 화학적 스크러버를 사용함으로써 달성될 수 있다.
이어서, 상기 시스템은 구성 가스들을 하나 이상의 임의의 예비컨디셔닝 유닛에 통과시켜 특정한 구성 가스를 제거하고 관심 가스 또는 가스들을 농축시킨다. 예를 들면, 탄소 동위원소의 농도를 측정하는 일부 양태에서, 동위원소 비 분석기(24)는 탄소 동위원소 비를 제공할 수 있지만, 샘플 내의 산소의 존재하에 간섭을 받는다. 그러므로, (도 7, 8 및 9에서 도시한 바와 같이) 앞서 논의한 양태들에서, 샘플 컨디셔닝 유닛(18)은 산소가 동위원소 비 분석기(24)로 유입되기 전에 상기 샘플 가스로부터 적어도 산소를 제거하는데 사용된다. 상기 동위원소 비 분석기(24)에 의해 제공되는 측정의 정밀도는 샘플 내부의 목적하는 종의 농도를 증가시킴으로써 추가로 개선될 수 있다. CO2 검측에 관한 일부 양태에서, 농도는 1용적% 이상으로 증가된다. 또한, 상기 정밀도는 샘플 스트림 내로 불활성 캐리어를 공급함으로써 개선될 수 있다. 다시 특정한 CO2 단위를 참조하면, 1% CO2를 함유하는 샘플은 순수한 질소 또는 또 다른 불활성 및 비간섭성 캐리어 가스와 혼합된다. 그러므로, 예를 들면, 12C, 13C 및 14C의 3개의 레이저 전지를 나타내는 상기 동위원소 비 분석기(24)에 의해 제공된 동위원소 비 측정은 대상 가스 샘플 중의 특정 종 또는 종들을 농축시키고 이를 또는 이들을 캐리어 가스와 혼합시킴으로써 개선시킬 수 있다.
상기 입력 샘플은 이어서 하나 이상의 동위원소 분석기를 통과하여 상기 샘플 중의 대상 가스의 다양한 동위원소들을 검측한다. 상기 동위원소 비 분석기는 가스의 동위원소 조성을 측정하는 임의의 장치를 사용할 수 있지만, 일부 양태에서 상기 시스템은 저질량 저전력 콤팩트 장치를 사용한다. 탄소 동위원소들을 측정하는 시스템의 경우, 이러한 탄소 13 동위원소 분석기 하나가 미국 특허 제5,394,236호에 교시되어 있다. 추가의 양태, 예를 들면, 탄소 14를 검측하는 양태에서, 상기 시스템은 목적하는 대상 가스를 선택적으로 공명시키기 위해 에너지를 방출하는 간섭성 광원을 이용한다. 예를 들면, 동위원소 탄소 14의 측정은 상기 샘플을 방사하기 위한 14CO2 동위원소 레이저, 및 대상 가스 여기서는 탄소 14를 내장하는 공지된 표준 기준 전지를 사용한다. 따라서, 상기 비 측정은 교시 내용이 본원에 참조로 인용되는 미국 특허 제5,394,236호에 교시된 방식으로 수행될 수 있다. 13C 및 14C가 두 가지 모두 분석되며, 이들 두 가지 모두 가장 풍부한 탄소 형태인 12C에 대해 정규화되어야 한다. 일단 상기 분석이 완료되면, 상기 샘플 가스를 상기 시스템으로부터 상기 환경 내로 전형적으로 입력 영역으로부터 떨어진 방향으로 배기시킨다.
상기 기본적인 시스템의 변형이 입수될 수 있다. 예를 들면, 상기 기본 시스템에 대한 확장은 다수의 상기 기본 구성 블록을 추가의 종 및 동위원소를 검측하기 위한 단일 유닛으로 조합함으로써 가능하다. 이 경우, 다수의 동위원소 비 분석기(24)가 사용된다. 각각의 분석기(24)는 샘플 중의 동위원소 종의 존재를 검측할 것이다. 상기 시스템이 검측 동안 상기 샘플을 소비하지 않기 때문에, 시간 경과시 상기 샘플을 수용하는 다수의 검측기들을 순차적으로 배열할 수 있다. 각각의 비 분석기(24)는 동위원소 측정 전에 상기 샘플을 컨디셔닝하기 위한 예비컨디셔닝 유닛을 포함한다. 이러한 직렬 배위에서, 예비컨디셔닝 유닛은 분석 전에 목적하는 대상 가스를 제거하지 않도록 주의를 기울여야 한다. 대안의 구조는 스플릿터를 사용하여 샘플의 일부를 병렬 연결된 각각의 분석기에 보내어 상기 비 분석기가 독립적으로 운용되도록 하는 것이다. 어느 한 배위에서, 각각의 분석기는 선택적으로 운용될 수 있다(즉, 전력 소비를 감소시키기 위해 특정 시간에 특정 동위원소 샘플만을 측정한다).
특정 양태에서, 상기 시스템은 원거리 운용시키고/시키거나 상기 시스템 외부에 탑재된 통상적인 센서를 통해 추가의 외부 조건(예: 온도, 습도, 풍향, 시간, 일반적인 기후 조건 등)을 측정 및 모니터하도록 설계된다. 상기 컴플리트 유닛은 데이터 수집 및 제어 유닛(8)의 제어하에 있다.
13
CO
2
분석기 및
14
CO
2
분석기의
조합물
CO2에 대한 동위원소 종 및 데이터 속도의 간단한 개론은 하기 표 1에 제시하였다. 현재 기술에 대한, 그리고 본원에 기술된 기술의 한 양태에 대한 데이터 속도의 정의 및 추정치가 제공되며, 전통적인 동위원소 비 질량 분광분석법(IRMS) 기술로부터 생성된 동위원소 데이터가 결함이 있으며 본원에 기술된 기술의 한 양태, 범지구 모니터 플랫폼(GMP)을 사용하면 훨씬 더 증가된 데이터 속도가 약속된다고 설명한다.
| 화석 및 천연 CO2 공급원의 디콘볼루션을 위한 종 | ||||
| 기호 | 정의 및 용도 | 목적하는 정밀도 | 기술/데이터 속도 | |
| T | ppm 단위 및 WMO 몰 분획 범위로 표현된 CO2 용적 혼합비 | 0.1ppm | LI-COR/ 연속식 적외선 가스 분석기, Li-COR, Inc. | LI-COR-GMP/연속식 |
| δ13C | 비엔나-PDB 범위의 VPDB 1차 표준으로부터의 13C/12C 비의 mille당 편차(Coplen et al., 1995; Allison et al., 1995). |
< 0.1 o/oo | IR MS/500yr-1 (NOAA 플라스크 샘플링 프로그램) |
GMP/500,000yr-1 |
| δ14C | 1950년 폭발전 대기의 표준화 값으로부터의 14C/12C 비의 mille당 편차(Stuiver and Polach 1977). |
< 2 o/oo | AMS/500yr-1 (NOAA 플라스크 샘플링 프로그램) |
GMP/500,000yr-1 |
본원에서 사용된 이산화탄소의 희귀 형태는 13C16O2 및 14C16O2를 포함한다. 본원에 사용된 다수의 동위원소 접근법은 또한 12C18O16O, 13C16O18O, 12C17O2, 12C18O2, 13C18O2, 14C18O2를 포함하는 CO2의 모든 동위이성체에 적용될 수 있다(Freed 1995, Bradley et al., 1986). 대기 중의 CO2가 여기서 일례로서 사용되지만, 임의 공급원으로부터 생성 및 측정될 수 있는 임의의 가스, 예를 들면, 토양 가스, 밀폐된 공간, 실험 체임버, 및 실험 장치 또는 기타 지구 표면에서 생성된 가스가 적용될 수 있다(도 5). 이들 가스의 일부는 메탄, 산화질소, 분자상 산소, 수소 및 질소, 수증기 및 일산화탄소를 포함할 수 있지만 이로 제한되지는 않는다.
특정 양태에 따라, 도 4를 참조하면, 하기 주요 부품들을 포함하는 GMP 분석기가 사용된다: 삼파장-조정된 동위원소 CO2 가스 레이저(501, 502, 503); RF-전력 공급기(510); CO2 보정 전지(들)(507) ; 공기 샘플 전지(508); 저압 저유동 가스 앤들링 하드웨어(511); 진단 및 제어 센서(514); 샘플 제조용 트랩 및 건조 부품(511); 다중-채널 시그널 분석기(515); 및 제어 컴퓨터 및 소프트웨어(515). 상기 예시된 양태에서, 상기 삼파장-조정된 동위원소 레이저는 13C(501), 12C(502) 및 14C(503) 레이저로 이루어진다. 그러나, 임의의 기타 파장-조정된 동위원소 레이저는 CO2의 동위이성체 중의 어느 하나 또는 N2O 및 CH4와 같은 기타 관련 온실가스 중의 어느 하나에 사용될 수 있다.
레이저 캐비티에 내장된 방사선 함량이 배경 14C 방사선 미만임에도 불구하고 상기 계기는 14CO2 레이저에 사용되는 14CO2 가스의 사용을 커버하기 위해 식품의약국(FDA) 의료기기 방사선 보건센터(CDRH) 요건에 대해 클래스 1 레이저 시스템으로서 팩키지될 수 있다. 상기 장치는 기준 방법론, 예를 들면, 하나 이상의 기준 가스 전지를 포함하여 이들의 물리적 위치와 무관하게 검측 비가 다수의 유닛들 사이에서 보정 및 상호연관되도록 한다. 특정 양태에서, 중앙 위치로 동위원소 데이터 및 진단 정보를 보고하는 외부 및 위성계 기준 전지 및 통신 능력은 통합 산물로 혼입된다.
특정 양태에서, GMP 분석기는 이온화 플라즈마 용적 내부에서 파장-특이적 레이저 에너지의 상호작용을 기준으로 하여 대기 중의 CO2의 동위원소 조성을 측정한다. 도 13을 참조하면, 이는 광 갈바니 효과(OGE)를 통해 플라즈마 매체의 임피던스의 변화를 유도함으로써 광 갈바니 효과를 사용하는 한 양태에서 달성된다. 전압 변화로서 검측되는 임피던스 변화는 여기 빔의 특정 파장에 비해 특정한 동위원소 농도와 상호관련될 수 있다. GMP 분석기의 경우에서, 12CO2, 13CO2 및 14CO2 가스 레이저는 파장이 적절한 파장으로 조정되는 경우 12CO2, 13CO2 및 14CO2 동위원소 농도 및 이들의 비의 정확한 검측이 허용된다.
다시 도 13을 참조하면, 특정 양태에 따라, GMP 유닛의 기본적인 배위는 12C(800), 13C(801) 및 14C(802)과 같은 동위원소 레이저; 거울; M1 내지 M7; 14C 레이저를 조절하는 초퍼(chopper)(810); 레이저 유닛(800, 801 및 802) 내에 내장된 3개의 여기용 RF 오실레이터 및 검측용 회로 보드 및 시차 증폭기 보드(803, 804, 805); 광-갈바니(OGE) 표준 기준 전지(806, 807, 809); 12C, 13C 및 14C 레이저 빔이 샘플 가스와 상호작용하도록 허용하는 4개의 ZnSe 윈도우를 갖는 OGE 유동 가스 샘플 전지(808); 물질 유량 제어기(811), 나피온 필터(820), 무수 질소 가스 탱크 또는 질소 발생기(832), 압력 센서(813, 814) 및 샘플 분석후 샘플이 유동식 또는 뱃취식으로 배출되는 무수 펌프(823)로 이루어진 샘플 가스 건조 및 핸들링 하드웨어; 잔여 가스 분석기(812), 유동 전지용 표준 가스(831, 824), 잔여 가스 분석기(812), 유동 전지용 표준 가스(831, 824), 4포트 기계적 스위칭 밸브(819), 단일 유동 밸브(816, 817, 818), 산소 스크러버(821), 입자 필터(822), 자동화 스위칭 가스 매니폴드 밸브(825), 샘플 유입구(826); 마스터 피에조 히로 제어기(827)로 유도되는 모드 3개의 레이저에서 사용되는 빔 센터링용 피에조 회로; 데이터 수집 보드(DAQ)(828), 컴퓨터 모듈(CPU)(829) 및 원격 측정 시스템 및 안테나(830) 및 전력 공급원(833)으로 이루어진다.
도 13을 지칭하는 3 전지 시스템은 2차 레이저 출력 광학 부재로부터 1차 레이저 캐비티로 역 전파하는 역반사를 방지하기 위해 서로에 대해 적합하게 어긋나게 배열된 3개의 레이저 빔을 갖춘다. 이는 레이저 출력에서 불안정성을 방지한다. 본원에 기재된 복합 시스템의 다수의 양태가 탄소의 희귀 형태의 동시 측정에 사용되지만, 상기 장치는 또한 관련 센서를 관리하는 플랫폼으로서 작용할 수 있다. 일산화탄소, 라돈, 메탄 및 기타 트레이스 가스용과 같은 소형 경량 센서가 지역 탄소 예산용 공급원 및 흡수원 성분들을 추가로 정제할 수 있다. 일산화탄소는 자동차 연소의 중요 성분이다(예: Levin et al., 2008). 메탄은 자연적 공급원 및 인위적 공급원 두 가지 모두의 지표일 수 있다(예: Levin et al., 2008). 라돈은 14C 분석과 연관지어 종종 사용된다(예: Levin et al., 2008). 상기 유닛에 배치될 수 있는 기타 장치는 위치 정보, 온도, 상대 습도 및 강우 센서에 대한 범지구 위치파악 시스템(GPS)을 포함하지만 이로 제한되지는 않는다.
레이저 및 광학 부재
특정 양태에서, 상기 레이저 출력 에너지는 양자 전이 에너지를 근거로 관심 동위원소와 일치하는 안정한 파장(라인)을 갖는다. 특정한 출력 파장은 12CO 2 에 대해 10.51-10.70㎛이고 13CO 2 에 대해 11.06 내지 11.26㎛이며 14CO 2 에 대해 11.8㎛이다(Freed 1980). GMP 유닛에서 레이저의 파장 제어는, 예를 들면, 레이저 캐비티 길이를 변경시키면서 각각의 레이저(도 13, 827)에 대해 PZT 부재(압전 세라믹 재료)의 폐쇄-루프 피드백 제어를 사용하여 달성된다. 한 양태에서, 상기 PZT 부재는 THORLAB' MDT 691 단일 채널 압전 드라이버로 제어된다.
특정 양태에서, 개별 레이저의 레이저 출력은 푸리에 변환 방법을 통한 출력 신호의 OGE 유도된 변화를 구분하기 위해 별개의 주파수에서 초핑(chopping)된다. 14C 및 13C 레이저의 초핑 주파수는 하나의 배위에서 통상 17Hz 및 25Hz이다. 상기 레이저 빔은 피복된 규소 또는 초퍼 거울을 통해 OGE 전지 내로 투사된다. ZnSe는OGE 전지 윈도우(806, 807, 808 및 809)에 사용된다.
검측 전지 및 샘플 제조
특정 양태에서, 도 13에서 도시한 바와 같이, 4개의 OGE 검측 전지가 동위원소 검측 시스템에서 사용된다. 밀봉된 전지는 표준 기준 동위원소 12CO2 조성(806), 13CO2 표준 기준 전지(807), 14C 표준 기준 전지(809) 및 샘플 유동 전지(808)를 함유한다. 이들 전지는 약 3.5 내지 4.0torr의 압력을 사용한다. 상기 샘플 가스 전지는 약 0.4sccm의 유속을 사용한다.
OGE 전지의 안정한 성능은 상기 가스들의 습도 제어를 수반한다. 상기 표준 기준 전지에 대해, 이는 상기 전지 내에 밀봉된 가스를 제어함으로써 달성된다. 반면, 샘플 가스 핸들링 시스템은 가스 건조기(820)(도 13)를 포함한다. 상기 샘플 가스에 대한 수증기 함량 허용치는 가스 충전된 동위원소 레이저 및 광 갈바니 검측 접근법을 사용하는 한 양태에서 상기 샘플 중의 상대 습도가 1.5% 미만이다. 도 13을 참조하면, 플라즈마 장은 샘플(808) 및 기준 전지(806, 807, 808) 두 가지 모두에서 글로 방전으로 보이는 OGE 전지 중의 가스 용적에서 데이터 수집 보드와 함께 레이저(803, 804 및 805)에 함유된 RF 드라이빙 보드에 의해 공급된 RF 전력에 의해 발생된다.
전자 제어
레이저 운용 분야의 숙련가에게 익히 공지된 시판 부품들이 가스 가압(813, 814)(도 13) 및 유동 측정 및 제어(811)(도 13), 모두 3개의 레이저에 대한 PZT 부재 제어(827)(도 13), 전력 공급, 데이터 수집 보드(803, 804, 805)(도 13), 온도 제어, 및 소프트웨어 및 컴퓨터(829)(도 13)를 위한 GMP 유닛에 사용될 수 있다. 이들 부품들의 특징은 특정 용도에 맞는 상기 GMP 유닛의 요건 충족만을 근간으로 한다.
그러므로, 13C, 12C 및 14C 레이저를 사용하는 한 양태에서 통합된 레이저 시스템은 검측 전지를 통해 전파되는 별개의 주파수에서 초핑되는 3개의 동위원소 레이저 빔을 가질 것이다. 한 양태에서, 이러한 통합 시스템은 또한 대기 중의 14CO 2 동위원소의 농도 대 12CO 2 및 13CO 2 의 농도의 상대 크기를 회계한다. 대기 중의 공기는 약 0.03% CO2로 이루어진다. 13CO 2 는 이러한 0.03% 내의 조성의 약 1%를 구성한다. 반면, 14CO 2 는 상기 0.03% 내에서 1012 중의 약 1부를 차지한다. 오늘날, 대기 중의 14CO 2 의 1.18×10-12 농도는 1 현대 수준 농도라 불리고, 14C 수준의 과학적 비교의 기반이 된다. 이와 같이 소량의 14CO 2 의 검측은 12CO 2 및 13CO 2 에 비해 14CO 2 에 대해 훨씬 더 높은 OGE 신호 이득을 필요로 한다. 따라서, 2개 범위의 검측, 데이터 분석 및 데이터 요약이 수용되어야 한다. 그러나, 레이저 시스템 분야의 숙련가들에게, 이러한 문제는 레이저 전력, 레이저 캐비티 길이 및 소정 샘플에 대한 데이터 수집 기간을 적절하게 조절함으로써 극복될 수 있으며 특정한 관심 인자에 대해 제어하는 일련의 실험을 수행함으로써 결정될 수 있다.
동위원소 농도의 상대적인 차이에 대한 한 가지 해법은 본원에 참조로 인용된 미국 특허원 공보 US 2008/0129994에 설명되어 있는데, OGE 전지가 14CO 2 레이저 캐비티의 정재파 내에 배치됨에도 불구하고 14CO 2 레이저 빔이 여러번 통과하며 전파되는 배위를 나타낸다. 이러한 디자인 해석은 가속기 질량 분광분석법(AMS)과 유사한 공개된 보고서(Murnick et al., 2008) 중의 10-15 14C/12C에 근접하는 검측 한계를 나타낸다. 상기 언급된 동위이성체의 농도 차이는 몇 가지 방식으로 영향을 미친다. 우선, 상기 시스템의 광학적 디자인은 12CO 2 , 13CO2 및 14CO 2 검측을 위한 OGE 샘플 중의 단일 통과 빔 여기, 및 14CO2 검측을 위한 정재파 빔 전파를 수용한다. 도 13에서 나타낸 한 양태는 모두 3개의 탄소 종 12C, 13C 및 14C의 검측을 위해 1개의 샘플 OGE 전지를 갖는 것이다. 이는 12C 빔을 M4로 분할하여 12C 기준 신호가 13C 및 14C 전지를 통과하도록 하여 상기 데이터가 12C에 대해 정규화되고 이전에 정의된 동위원소 비 공식으로 보고되도록 함으로써 달성된다. 작은 검측 한계는 보다 높은 신호 충실도를 제공하기 위해 적용 가능한 디자인 특징을 포함하는 검측 신호-대-소음 비 관리를 필요로 한다. 이러한 다중-동위원소 양태의 추가 양태는 안정한 검측 신호를 유지하는 것이다. 특정하게는, 이는 OGE 전지 내부, 레이저 및 검측 전자기기 내부의 온도 변동 자체가 동위원소 변화와 유사한 OGE 신호로서 표출됨을 나타낸다. 레이저 출력의 파장의 이동 자체가 유사한 방식으로 표출된다. 따라서, 상기 레이저, OGE 전지 및 전자기기의 정확한 온도 제어가 상기 GMP에 제공되고, 상기 온도 제어가 재순환 냉각기를 사용하여 상기 다양한 문헌에서 참조된 바와 같이 실험실에서 달성되는 한편, 한 양태는 부재(834, 835, 836)(도 13)에서 나타낸 바와 같은 진전된 고체 상태 열 관리를 특징으로 할 것이다. 요약하면, 특정 양태에 따르는 다중-동위원소 분석기는 도 13에 도시한 바와 같은 12C, 13C 및 14C 양태를 포함한다. 이러한 양태에서, 도 13을 참조하면 컴퓨터 및 소프트웨어 시스템(829), 데이터 수집 보드(828), 펌프를 포함하는 가스 핸들링 부품(831), 압력 센서(813, 814), 유량 제어기(811), 샘플 건조기(820) 및 건조 탱크 질소 가스 또는 질소 발생기(832)를 포함하는, 조합된 시스템의 특정 부품들은 고유될 수 있다.
탄소 12, 13, 14 분석기의 운용 예
전술한 바와 같이, 광학 검측 시스템을 근간으로 하는 동위원소 분석기는 13C에 대한 정확도 및 정밀도에 대해 고유한 한계를 가지며 14C의 분석 능력이 없다. 상기 GMP 분석기의 한 양태는 12C, 13C 및 14C에 대한 광 갈바니 분석기의 사용을 포함한다. 그러나, 본원에 기재된 복합 시스템 접근법은 12C, 13C 및 14C 동위원소에 대한 임의 형태의 적합한 분석기로 사용될 수 있다. 상술한 비-광학적 접근법, 광-갈바니 접근법은 거의 0%의 현대 방사선 탄소를 측정하는 감도를 제공한다. 이러한 기술은 광갈바니 효과("OGE")의 사용을 통해 동위원소 화학 종에 대한 특이성을 달성한다. 상기 OGE는 신호 대 소음 배경 비가 높게 측정될 수 있으며, 레이저 전력에 비례하고, 방전 용량에 대해 통합되며(Murnick and Peer 1994, 이의 교시는 본원에 참조로 인용되어 있음), 기존의 질량 분광분석법과 유사한 정밀도를 제공한다. 상기 방전은 전기 신호로 전환되고, 요구되는 정밀도에 따라 밀봉된 표준 가스 체임버에 대해 특정 기간 동안 프로세싱된다. 긴 측정 간격은 원칙적으로 기존의 동위원소 비 질량 분광분석기의 전형적인 정밀도(즉, < 0.01/ mil)를 초과할 것이다. OGE의 이점은 하기 등식 1로부터 이해될 수 있다(Murnick and Peer 1994):
S = nLI (v) A σ (v)C (1)
위의 등식 1에서,
평균 세기(Wcm-2) I 및 주파수 v의 레이저를 사용한 상기 시스템의 전기 반응 S는 약한 전기 방전에 대해 입사되고,
n은 상호작용 종의 밀도이고,
L은 상호작용 지역의 길이이고,
σ는 레이저-종 상호작용 단면적을 정의하고,
C는 광갈바니 비례 상수이다.
등식 1에 따르면, 상기 신호는 밀도[n] 및 레이저 전력[I] 두 가지 모두에서 선형임을 유의한다. 레이저 전력 증가는 주요 종들에 비해 희석되거나 매우 낮은 농도의 동위원소의 신호를 증진시키는 이득 증가를 제공한다. 가스 혼합물, 가스 압력 및 방전 전력을 변경시킴으로써 신호를 개선시키는 것이 가능하며 이러한 개선은 파라미터 C에 영향을 미친다. 광학 부재에 의존하는 흡광성 및 형광성 측정과는 달리, OGE는 광학 및 광 변환기의 수집 및 분산을 감소시킨다. 작은 방전 편차는 동시 측정에 의해 취소되며; 밀봉된 작업 기준 가스를 사용한다. 전술한 바와 같이(수명을 연장시키면서), 현재 플라스크 샘플링 프로그램에 대해 중요할 수 있는, 계기 이동, (기존의 질량 분광분석법의 경우에서와 같이) 종종 제조되는 표준물들의 뱃치들 간의 오프-셋 및 실험실들 간의 차이를 감소시킬 것을 약속한다. 원격 운용되는 유닛은 대기 중의 CO2 동위원소 비(즉, < 0.05 o/oo)의 측정을 위해 높은 정밀도를 달성하기 위해 샘플들을, 예를 들면, 당일 내내 1시간 간격으로 오래 동안 가공하거나, 설비의 생리학적 또는 생물학적 모니터링을 위한 신속한 분석 체계에서 사용하기 위해 (각각 적어도 약 0.01 및 0.1 o/oo의 13C 및 18O에 대한 정밀도를 제공하면서), 예를 들면, 1초 정도로 짧은 시간 동안 가공한다. 샘플은 반-연속식 뱃치 모드 또는 연속식 유동 모드로 분석될 수 있으며, 각각의 배위는 미리 양태들에서 기술한 바와 같이 상이한 하드웨어를 사용할 수 있다. 특히, CO2의 경우 한 양태에서, 3개의 동위원소 레이저, 즉 12C 함량을 측정하기 위한 레이저, 13C/12C 비를 측정하기 위한 레이저 및 14C/12C 비를 측정하기 위한 추가의 레이저(Freed, C. 1990; 이의 교시가 본원에 참조로 인용됨)가 사용된다.
특정 운용의 예
이러한 예를 위한 계기의 한 양태의 운용은 다음과 같다. 도 6을 참조하면, 데이타 수집 및 제어 유닛(8)의 제어하에, 전력이 전력 공급 유닛(14)로부터 펌프(30)에 인가된다. IRGA(4), 샘플 컨디셔닝 유닛(18), 동위원소 비 분석기(24) 및 펌프(30)가 연속식 가스 유동 경로를 제공하기 위해 커플링 튜브(5, 7, 9)와 모두 접속되므로, 가스 유입 튜브(2)에 존재하는 가스는 모든 튜빙-커플링된 부품들을 통해 배기 튜브(33) 밖으로 배출된다. 상기 가스가 IRGA(4)를 통과한 후, 이는 동위원소 비 분석기(24)에 도입되기 전에 샘플 컨디셔닝 유닛(18)을 통과한다. 상기 가스가 본 양태에서 샘플 컨디셔닝 단위(18)을 구성하는 산소 스크러버(36)를 통해 (도 7에 도시되어 있는 바와 같이) 배출되므로, 산소가 제거된다. 상기 산소 비함유 가스는 커플링 튜브(7)를 통해 동위원소 비 분석기(24)로 연속식으로 배출된다. 충분한 가스가 동위원소 비 분석기(24)를 통과하여 이전 측정으로부터 존재할 수 있는 잔여 가스를 제거한 후, 상기 데이터 수집 및 제어 유닛(8)이 펌프(30)을 중단시킨다. IRGA(4) 및 동위원소 비 분석기(24)가 두 가지 모두 가스 유입 튜브(2)로부터 배출되는 적합한 분취량의 가스를 수용하고, 데이터 수집 및 제어 유닛(8)이 IRGA(4)에 의해 CO2의 농도 측정을 개시하고 동위원소 비 분석기(24)에 의해 CO2의 동위원소 측정을 개시함을 유의한다. IRGA(4) 및 동위원소 비 분석기에 의해 생성되는 측정 데이터는 데이터 수집 유닛(8)에 의해 수집되고 저장 또는 송신된다. 이벤트의 전체 서열은 즉시 또는 데이터 수집 유닛(8)으로 로딩되는 프로그램에 의해 지시되는 바와 같은 지연 기간 후에 반복될 수 있다.
도 8에 나타낸 장치를 포함하는 샘플 컨디셔닝 유닛(18)을 사용하는 양태의 운용은 다음과 같다. 초기에, 솔레노이드 밸브(60) 및 유동 제어 밸브(54)가 닫혀서 가스가 이들을 통해 유동하지 않도록 한다. 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)의 제어하에, 상기 솔레노이드 밸브(60)가 열리고, 전력이 전력 공급 유닛(14)(도 6 참조)으로부터 펌프(30)(도 6 참조)로 인가된다. 가스 유입 튜브(2)(도 6 참조)에 존재하는 가스는 IRGA(4)(도 6 참조) 내로 배출되어 이를 통과한 후, 커플링 튜브(5)(도 6 참조), 가스 유입 튜브(40), 가스 체임버(42) 및 솔레노이드 밸브(60)를 통과한다. 상기 가스는 연속적으로 커플링 튜브(62), 커플링 튜브(29)(도 6 참조) 및 펌프(30)(도 6 참조)를 통과하고 최종적으로 배기 튜브(33)(도 6 참조) 밖으로 배출된다. 가스 선택성 멤브레인(46)은 가스 유동에 상당한 저항을 제공하므로 이러한 운용 스테이지 동안 현저한 양의 샘플 가스가 이를 통과하지는 못한다. 충분한 가스가 IRGA(4)(도 6 참조) 및 가스 체임버(42)를 통과하여 이전 측정으로부터 남아 있을 수 있는 가스를 제거하면, 상기 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)이 솔레노이드 밸브(60)를 닫는다. IRGA(4)(도 6 참조)가 적합한 분취액의 샘플 가스를 수용하므로, 상기 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)은 CO2 농도 측정을 개시한다. 펌프(30)(도 6 참조)는 연속적으로 작동하여 동위원소 비 분석기(24)(도 6 참조), 커플링 튜브(7, 9, 29)(도 6 참조), 가스 배출 튜브(56) 및 커플링 튜브 티(48) 내에 진공 조건을 수립한다. 펌프(30)(도 6 참조) 가 상기 부착된 부품들에 목적하는 진공을 달성하기에 충분하도록 오래 운용하면, 상기 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)이 펌프(30)(도 6 참조)를 중지시킨다. 이제, 가스 체임버(42) 내에 함유된 샘플 가스 중의 CO2는 이를 가로지르는 압력 차이로 인해 가스 선택성 멤브레인(46)을 투과한다.
충분한 CO2가 배기된 부품들에 축적되어 적합한 양의 캐리어 가스, 예를 들면, 순수한 질소 가스와 혼합시 정밀한 동위원소 비 측정을 제공할 때까지 가스 체임버(42)에 함유된 샘플 가스 중의 CO2가 상기 가스 선택성 멤브레인을 투과하도록 한다. 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)의 제어하에, 유동-제어 밸브(54)는 순수 질소 가스의 장전량이 캐리어 가스 공급원(50)으로부터 커플링 튜브(52)를 통해 유동하도록 하기에 충분하게 열린다. 상기 질소는 커플링 튜브 티(48), 가스 배출 튜브(56) 및 커플링 튜브(7)(도 6 참조)를 통과해서 동위원소 비 분석기(24)(도 6 참조) 내로 유동한다. 가스 선택성 멤브레인(46)(도 8)을 미리 투과하는 CO2의 대부분은 질소 가스 유동에 의해 동위원소 비 분석기(24)(도 6 참조) 내로 수송된다. 가스의 적합한 장전량이 동위원소 비 분석기(24)(도 6 참조)에 존재하는 경우 상기 유동-제어 밸브(54)는 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)에 의해 닫힌다. 이때, 상기 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)은 동위원소 비 분석기(24)(도 6 참조) 중의 CO2의 동위원소 측정을 개시한다. IRGA(4) (도 6 참조) 및 동위원소 비 분석기(24)(도 6 참조)에 의해 생성된 측정 데이터를 수집하고 상기 데이터 수집 유닛(8)(도 6 참조)에 의해 저장 또는 송신한다. 이벤트들의 전체 서열은 즉시 또는 데이터 수집 유닛(8)(도 6 참조)으로 로딩되는 프로그램에 의해 지시되는 바와 같은 지연 기간 후에 반복될 수 있다.
도 9에 나타낸 장치를 포함하는 샘플 컨디셔닝 유닛(18)을 사용하는 양태의 운용은 다음과 같다. 초기에, 솔레노이드 밸브(66) 및 유동 제어 밸브(72)가 닫혀서 가스가 이들을 통해 유동하지 않도록 한다. 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)의 제어하에, 상기 솔레노이드 밸브(60)가 열리고, 전력이 전력 공급 유닛(14)(도 6 참조)으로부터 펌프(30)(도 6 참조)로 인가된다. 상기 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)은 또한 극저온 트랩(82)을 트래핑되지 않은 상태로 설정하여 가스가 상기 극저온 트랩을 통해 자유롭게 유동할 수 있도록 한다.
이어서, 가스 유입 튜브(2)(도 6 참조)에 존재하는 가스는 IRGA(4)(도 6 참조) 내로 유동하여 이를 통과한 다음, 커플링 튜브(5), 가스 유입 튜브(64) 및 솔레노이드 밸브(66)를 통과한다. 이어서, 상기 가스를 커플링 튜브 티(68), 극저온 트갭(82) 및 가스 배출 튜브(84)를 통과한다. 이어서, 상기 가스 유동은 연속적으로 커플링 튜브(7)(도 6 참조), 동위원소 비 분석기(24)(도 6 참조), 커플링 튜브(9)(도 6 참조), 펌프(30)(도 6 참조)를 통과하여 배기 튜브(33)(도 6 참조)를 통해 배출된다. 충분한 가스가 극저온 트랩(82)를 통과하여 이전 측정으로부터 남아 있을 수 있는 가스를 제거하면, 상기 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)이 상기 극저온 트랩(82)을 트래핑 모드로 설정한다. 가스는 연속적으로 가스 유입 튜브(2)(도 6 참조)로부터 상기 튜빙-커플링된 부품을 통해 전방향으로 유동하면서 응축 가능한 가스 성분들이 극저온 트랩(82) 내에 극저온적으로 트래핑된다. 적절한 양의 CO2가 상기 극저온 트랩(82)에 축정되도록 하기에 충분히 오랜 시간 동안 가스가 유동하면, 상기 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)은 솔레노이드 밸브(66)를 닫아 상기 펌프(30)(도 6 참조)가 커플링 튜브 티(68), 극저온 트랩(82), 배출 튜브(84), 커플링 튜브(7 및 9)(도 6 참조) 및 동위원소 비 분석기(24)(도 6 참조) 내에 진공 조건을 수립하게 한다. 이제, 상기 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)은 IRGA(4)(도 6 참조) 내에 함유된 분취량의 가스에 대해 농도 측정을 개시한다. 연속적으로 상기 부착된 부품들 중의 궁극적인 진공을 달성하기에 충분히 오랫 동안 펌프(30)(도 6 참조)가 작동하면, 상기 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)이 펌프(30)(도 6 참조)를 중지시키고, 트래핑된 가스를 방출하도록 상기 극저온 트랩(82)을 비-트래핑 상태로 되돌아가게 설정한다. 상기 가스가 상기 극저온 트랩(82)로부터 방출됨에 따라, 이는 미리 진공하에 있던 상기 부품들 전체에 걸쳐서 팽창한다. 상기 트래핑된 샘플이 완전히 증발하기에 충분한 시간이 만료되면, 상기 데이터 수집 및 제어 유닛(8)은 유동 제어 밸브(72)를 열어서, 캐리어 가스 공급원(74)로부터의 캐리어 가스, 바람직하게는 순수 질소가 이를 통해 유동하게 한다. 상기 질소 가스는 유동-제어 밸브(72)로부터 커플링 튜브 티(68) 및 극저온 트랩(82)을 통과해서 배출 파이프(84)를 통해 밖으로 유동한다. 상기 질소는 커플링 튜브(7)(도 6 참조)를 통해 동위원소 비 분석기(24)(도 6 참조) 내로 유동하면서 이를 사용하여 이전에 트래핑된 샘플 가스의 대부분을 수송한다. 목적하는 장전량의 가스가 동위원소 비 분석기(24)(도 6 참조)에 존재하는 경우 상기 유동-제어 밸브(72)를 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)에 의해 닫는다. 이어서, 상기 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)은 동위원소 비 분석기(24)(도 6 참조) 중의 CO2의 동위원소 측정을 개시한다. 다시, IRGA(4) 및 동위원소 비 분석기(24)에 의해 생성된 측정 데이터를 데이터 수집 유닛(8)에 의해 수집하고 저장하거나 송신한다. 이벤트들의 전체 서열은 즉시 또는 데이터 수집 유닛(8)으로 로딩되는 프로그램에 의해 지시되는 바와 같은 지연 기간 후에 반복될 수 있다.
(도 9의 샘플 컨디셔닝 유닛(18)과 함께) 도 10에 도시된 극저온 트랩 장치(82)의 한 양태의 운용은 다음과 같다. 액체 질소 온도에서 응축 가능한 가스 샘플을 극저온적으로 트래핑하거나 이전에 트래핑된 샘플을 해동시키기 위해, 약 75% 용량으로 충전된 액체 질소 듀어(112)를 사용하여, 상기 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)는 U 튜브(108)의 온도 조건을 제어할 수 있다.
데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)의 제어하에, 샘플이 트래핑되는 경우, 솔레노이드 밸브(102)를 열고, 어떠한 전류도 전열 와이어(106)을 통하지 않는다. 이러한 작용은 실린더(11)의 상부에 트래핑된 임의의 질소 가스 또는 공기가 배기 튜브(100) 및 솔레노이드 밸브(102)를 통해 배기 튜브(104) 밖으로 빠져 나가게 한다. 실린더(110)의 상부로부터 빠져 나가는 가스는 다시 상기 실린더(110) 내의 액체 질소 수준을 듀어(112) 내의 액체 질소 수준과 비슷한 수준으로 상승시키므로, 상기 U 튜브(108)의 하부를 액체 질소 내에 침지시킨다. 이들 조건이 존재하는 한, 상기 U 튜브(108)는 액체 질소 온도에서 유지될 것이며, U 튜브(108)의 내부를 통과하는 임의의 가스 유동은 액체 질소 온도에서 응축되는 경우 액화 또는 동결될 것이다. 샘플이 해동되는 경우 또는 트래핑되지 않은 상태가 요구되는 경우, 상기 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)은 솔레노이드 밸브(102)를 닫고 전열 와이어(106)에 전력을 인가한다. 전열 와이어를 통과하는 전류는 열을 발생시키고 거의 액체인 질소를 증발시키기 시작한다. 이와 같이 발생하는 질소 가스는 실린더(110)의 상부로부터 빠져 나올 수 없는데, 그 이유는 솔레노이드 밸브(102)가 닫힌 결과로서 실린더(110) 내부의 액체 질소 높이가 듀어(112)의 높이 아래로 밀리기 때문이다. 실린더(110) 내부의 액체 질소 높이는 실린더(110)의 바닥 가장자리에 가까워질 때까지 질소 가스에 의해 계속 아래로 밀린다. 솔레노이드 밸브(102)가 닫힌 채로 유지되고 전류가 전열 와이어(106)를 통과하는 한, 실린더(110) 내부의 액체 질소 높이는 U 튜브(108) 아래로 유지될 것이다. 상기 전열 와이어에 의해 발생되는 열은 연속적으로 상기 U 튜브(108)를 가열시키면서, U 튜브(108) 내부에 미리 트래핑된 임의의 가스들을 방출하기에 충분한 에너지를 제공한다. 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)에 의해 전열 와이어(106)에 인가된 전력은 과도한 열을 복사시키거나 액체 질소를 불필요하게 비등시킬 정도로 높게 상기 U 튜브(108)의 온도를 상승시키지 않도록 조정될 수 있다.
(도 6의 샘플 컨디셔닝 유닛(18)과 함께) 도 11에 도시되고 뱃치식 양태에서 사용되는 가변성 벨로우 장치(83)의 한 양태의 운용은 다음과 같다. 가변성 벨로우(83)를 최대한으로 열어 놓으면서, 상기 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)은, CO2의 농도가 너무 크고(예를 들면, 순수한 CO2를 분석하는 경우) 분석기가 보정되는 기준이 되는 농도 범위에 속하지 않을 수 있는 샘플 가스의 샘플 크기를 감소시키기 위해, 가변성 벨로우의 용적을 제어할 수 있다. 동위원소 분석을 위한 가스 핸들링 분야의 숙련가에게 이러한 과정은 잘 이해된다(Werner and Brand 2001). 그러나, 본 발명의 경우, 공기 중의 CO2의 농도 범위, 예를 들면, 10-10% CO2 내지 100% CO2에 걸쳐서 특정하게 14CO2 및 13CO2에 대한 다수의 보정 곡선이 요구될 수 있다. 상기 분석기(예: 13C, 14C)의 가장 선호되는 정확도 및 정밀도 범위 내로 상기 샘플 크기를 감소시키기 위해 상기 벨로우를 사용하는 것은 이러한 목적에 맞는 편리한 방법이다.
초기에, 솔레노이드 밸브(66) 및 유동-제어 밸브(72)는 가스가 이들을 통과하지 않도록 닫혀 있다. 상기 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)의 제어하에, 상기 솔레노이드 밸브(66)는 열리고, 전력이 전력 공급 유닛(14)(도 6 참조)으로부터 펌프(30)(도 6 참조)로 인가된다. 상기 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)은 또한 상기 벨로우(83)를 트래핑되지 않은 상태로 설정하여 가스가 자유롭게 상기 극저온 트랩을 통해 유동할 수 있도록 한다.
이어서, 가스 유입 튜브(2)(도 6 참조)에 존재하는 가스는 IRGA(4)(도 6 참조) 내로 배출되어 이를 통과한 후, 커플링 튜브(5), 가스 유입 튜브(64) 및 솔레노이드 밸브(66)를 통과한다. 이어서, 상기 가스는 커플링 튜브 티(68), 벨로우(83) 및 가스 배출 튜브(84)를 통과해 배출된다. 이어서, 상기 가스는 연속적으로 커플링 튜브(7)(도 6 참조), 동위원소 비 분석기(24)(도 6 참조), 커플링 튜브(9)(도 6 참조), 펌프(30)(도 6 참조) 및 배기 튜브(33)(도 6 참조)를 통해 유동하여 배출된다. 충분한 가스가 벨로우(83)을 통해 배출되어 이전 측정으로부터 남아 있을 수 있는 가스를 제거하면, 상기 데이터 수집 및 제어 유닛(8)(도 6 참조)은 벨로우(83)를 가스 캡쳐 모드로 설정하며, 이 경우 스위칭 밸브는 벨로우(83)를 포트 두 가지 모두에 대해 닫힌 위치로 설정하여 상기 가스가 펌핑 없이 벨로우 및 관련 파이프 연결부 내로 팽창하게 한다. 가스가 상기 벨로우의 용적 내에서 평형을 이루기에 충분한 기간이 경과한 후, 상기 제어 유닛(8)(도 6)은 벨로우 총 용적을 감소시키도록 벨로우가 어느 정도 닫히게 설정한다. 동시에, 파이핑 용적(68, 86 및 84)을을 진공에 대해 열어서 남아 있을 수 있는 가스를 밖으로 분출시킨다.
적합한 기간 동안 펌핑한 후, 밸브(66, 72)를 닫고 완전히 배기시킨다. 이때, 상기 제어 유닛(8)(도 6)은 포트를 열어서 벨로우 내의 가스가 파이핑 용적 내로 팽창하게 한다. 이어서, 상기 제어 유닛은 벨로우 밸브를 닫고, 상기 시스템은 샘플 크기가 감소하기 전에 펌핑에 의해 배출된다. 이어서, 상기 제어 유닛(8)(도 6)은 상기 샘플 가스 압력이 분석 및 관련 보정 곡선과의 비교에 최적인 압력과 일치할 때까지 상기 과정을 반복 수행한다. 이어서, 상기 데이터 수집 및 제어 유닛(8) (도 6 참조)은 동위원소 비 분석기(24)(도 6 참조) 중의 CO2의 동위원소 측정을 개시한다. 다시, IRGA(4) 및 동위원소 비 분석기(24)에 의해 생성된 측정 데이터는 상기 데이터 수집 유닛(8)에 의해 수집되고 저장 또는 송신된다.이벤트의 전체 서열은 즉시 또는 데이터 수집 유닛(8)으로 로딩되는 프로그램에 의해 지시되는 바와 같은 지연 기간 후에 반복될 수 있다. 3 전지 시스템에서 분석하기 위한 샘플 가스의 조작은 14CO2 및 13CO2 사이의 농도면에서 막대한 차이를 주는 중요한 성능 인자이다.
추가의 양태에서, 상기 샘플 가스 혼합물은 액체 또는 고체 샘플로부터 제공될 수 있다. 상기 고체 및 액체 샘플은 가열을 통해 또는 연소를 통해 가스로 변한다. 상기 샘플 가스 혼합물은 가스 농도 또는 가스 동위원소 비 측정을 용이하게 하기 위해 가스상이 아닌 샘플로부터 가스를 발생시킬 수 있는 다수의 시판 중인 장치 중의 임의의 것으로부터 제조될 수 있다. 예를 들면, 카를로 에르바(Carlo Erba)에 의해 제조되는 것과 같은 두마스 연소 장치는 상기 가스 유입구에 연결될 수 있으며 고체 샘플 물질의 연소로부터 발생되는 가스 혼합물은 이전에 기술된 것들과 유사한 방식으로 분석된다.
추가의 양태에서, 상기 장치들에 의해 캡쳐된 데이터는 원격 측정을 통해 분석 및 데이터 요약을 위해 하나 이상의 중앙 위치로 송신된다. 따라서, 상기 데이터는 국가, 지역 및 주 범위의 예산을 세우는데 사용될 수 있거나 경우에 따라 요구될 수 있다. 도 24 내지 도 29는 모두 모든 장치에 대해 공통되는 단일 표준에 대해 정의되는 대기 중의 CO2 중의 13C 및 14C의 실시간 동시 측정, 모니터, 보고 및 입증할 수 있는 장치 위치의 예로서 국제(EU), 국가(미국) 및 주 범위의 격자들을 도시한다. 도 16, 17 및 18은 현장의 장치들이 위성 또는 기타 수단에 데이터를 송신한 후 상기 데이터가 자발적 및/또는 규제적 정책을 준수하도록 할 뿐만 아니라 도 19에 기술된 탄소 거래 플랫폼에서 사용되도록 분석 및 요약되는 양태들을 도시한다.
복합 시스템의 적용
특정 양태에서, 동위원소적으로 정의되는 탄소 배출에 대한 신규한 보고 시스템은 온실가스 거래 및 탄소계 금융상품의 맥락에서 사용될 수 있다. CO 2 의 13C 및 14C에 대한 측정치는, 유량 및 용량 측정과 연관지어, 배출된 CO 2 리터(및 이의 C 배출 단위로의 익히 공지된 변환)에 대해 총 배출치를 유도하기 위해 사용될 수 있다.
2 탄소 거래 패러다임: 복합 시스템의 적용
특정 양태에서, 동위원소적으로 정의된 탄소 배출에 대한 신규한 보고 시스템은 온실가스 거래 및 탄소계 금융상품의 맥락에서 사용될 수 있다. CO2의 13C 및 14C에 대한 측정치는, 유량 및 용량 측정과 연관지어, 배출된 CO 2 리터(및 이의 C 배출 단위(예: 미터톤), CO2 및 탄소 상응물 단위로의 익히 공지된 변환)에 대해 총 배출치를 유도하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 공급원으로부터 총 욕적(몰)이 계산될 수 있는 동위원소 값을 측정하는 경우, 생물 및 화석 연료 유도된 CO 2 각각의 %가 알려질 수 있다. 적어도 일부 양태에서, 본원에 기술된 복합 시스템을 사용하는 배출의 화폐화는 또한 관심 성분들을 명백하게 지정하는 방식으로 배출 데이터를 보고한다. 예를 들면, 배출량의 80%가 화석 연료 유도되고 20%가 생물 유도된 경우, 이들 각각의 동위원소 성분들에 의해 공급되는 바와 같이, 이러한 데이터를 다음과 같이 지정할 수 있다:
14C 단위: 80
13C 단위: 20
따라서, 동위원소 데이터가 용적 및 몰 데이터로 전환됨에 따라, 동일한 지정이 개별적인 성분들의 미터톤을 보고하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 예에 따르면, 미터톤의 계산이 각각 화석 연료의 경우 800이고 생물 탄소의 경우 200인 경우(상기 숫자들은 단지 예시용이다), 탄소 배출 단위는 다음과 같이 보고될 수 있다:
14C mt: +800
13C mt: +200
상기 지정에서, 문제의 탄소 공급원에 대해 입수 가능한 탄소 배출권 거래를 위한 명시적 데이터를 제조하는 데 있어서 그 가치를 확인할 수 있다. 현재, 배출량은 전형적으로 추정되므로, 현재, 화석 및 생물 CO 2 의 변화 성분들은 거래 메커니즘에 포함되지 않는다.
상기 접근법은, 예를 들면, 숲 활동에서 격리된 탄소를 지정하는데 있어서 유용할 것이다. 예시용으로, 격리된 탄소는 다음과 같이 정량화될 수 있다:
14C mt: -200
13C mt: -600
상기 예에서, 상기 데이터는 문제의 숲이 약 200미터톤의 화석 연료 유도된 CO 2 및 약 600톤의 생물 유도된 CO 2 를 감소시킴을 명백하게 지시한다. 모든 탄소 단위에 대해 이러한 방식으로 탄소 배출 및 격리 데이터를 나타내는 것은 탄소의 단위에 상당한 가치를 부가할 수 있으며 가격 책정에 있어서 새로운 차원을 제공할 수 있다.
상술한 바와 같은 경우에서, 제안된 지정은, 지금까지 모든 탄소 거래 플랫폼에서 사용된 "미터톤 탄소" 및 미터톤 "탄소 상응물"과 직접 병용 가능한 값들을 제시하면서, (해당 공간에 대하여 다수의 동위원소 유닛의 배치에 따라) 임의의 기간에 대해 임의의 공간 범위에 대하여 유도될 수 있다. 따라서, 특정 양태들에 따르는 복합 시스템은 실제 측정을 기준으로 하여 탄소 배출 및 격리 데이터를 화폐화하는 새로운 방식을 제공한다. 본원에서 사용되는 다수의 동위원소 접근법은 탄소 가격책정, 탄소 거래 및 온실가스 정책을 고려하는 새로운 차원을 제공하면서 (흡수원 또는 공급원으로서) 탄소 배출 데이터를 보고하는 새로운 방식을 제공한다.
요약하면, 13C 및 14C 두 가지 모두에 대한 레이저계 복합 시스템은 기존의 IRMS 및 AMS 방법에 비해 다수의 이점을 제공한다. 가장 중요하게는, 샘플들은 동일계에서 분석되고 계기 표준(들)을 기준으로 할 수 있다 - 중앙 실험실에 가스 샘플을 수송할 필요가 없다. 둘째, 상기 샘플은 공기 중의 유리 CO2로서 측정되며 극저온 수집 단계를 필요로 하지 않으므로, 상기 샘플이 비파괴적 방식으로 분석되며, 데이터 수집 및 통계학적 확실성을 증가시키기 위해 반복적으로 분석되고/되거나 보다 장기간 동안 분석될 수 있다. 셋째, 13C 및 14C에 대한 데이터는 단일 계기에서 또는 상기 계기 외부에서 다양한 표준들과 비교될 수 있고, 또한 전세계에 걸친 임의의 위치에서 계기들의 앙상블과 즉각적으로 비교될 수 있어 위치와 상관 없이 모든 샘플에 걸친 비교 가능성을 보장한다. 본원에 기술된 바와 같이, 다수의 밀봉된 기준 전지의 제조는 미국 캘리포니아주 소재의 액세스 레이저스(Access Lasers) 또는 미국 온타리노주 콘코드 소재의 엘티지-레이저테크(LTG-Lasertech)에 의해 제조된 것들과 같은 CO2 가스 충전된 레이저 제조 분야의 숙련가들에게 익숙한 방법에 따라 제조될 수 있다. 따라서, 도 12를 참조하면, 동일한 표준 가스를 함유하거나 이를 함유도도록 제조될 수 있고 다수의 계기들에서 사용되는 밀봉된-전지의 사용은 전형적인 동위원소 비 질량 분광분석법 및 가속기 질량 분광분석법의 기준 시스템에 비해 기준 가스 통계를 엄청나게 개선시킨다. 기준 데이터 및 공지되지 않은 데이터의 거의 동시 수집 역시 분석기 신호의 단기 및 장기 안정성을 제공한다.
다시 도 12를 참조하면, 상기 레이저계 분광분석법 접근 역시, 실제 데이터를 생성하는 다중-동위원소 분석기 외부에서 다양한 표준 가스를 내장하는 밀봉 전지에 비해 계기적 표준 밀봉 전지 성능의 임의 계층적 입증을 허용한다. 단지 1차 밀봉 전지 기준만을 함유하는 외부의 계기 또는 모듈은 단일, 이중 또는 삼중 전지 배위일 수 있으며, 필수적으로, 역시 미지물 분석을 위해 유동식 샘플 전지를 함유하는 다중-동위원소 분석기 대응물과 같이 운용할 것이다. 외부 기준 전지 단위가 샘플 전지를 함유하지 않지만 데이터 수집 및 원격측정 장치를 구비하고 있기 때문에, 상기 외부 기준 유닛은 기준 신호 및 기준선 신호를 원격측정 통신에 의해 임의의 기타 다중-동위원소 분석기와 비교하는데 사용될 수 있다. 추가로, 13C 및 14C 두 가지 모두에 대한 일련의 표준 전지 및 적합한 레이저는 전세계에 걸친 계기들의 앙상블과 통신하는 유효탑재량 선적 위성으로서 배치될 수 있다. 표준 기준 체계로 고정되는 위성계 및 지상 시스템의 이러한 배열은 데이터가 실시간 분석 및 보고 방식으로 수집됨에 따라 즉각적인 탄소 배출권의 실시간 거래를 구조화하는 능력을 제공한다. 추가로 13C 및 14C 표준 및 데이터 수집에 대한 이러한 위성 배열은 본원에서 제안된 바와 같이 탄소 배출 및 기타 온실가스에 대해 온실가스 관측 위성(예: 탄소 관측 위성)에 의해 수집된 데이터를 지상 측정치와 상호비교하는데 사용될 수 있다. 따라서, 동위원소 분별을 감소시키며 시간 및 공간에 걸쳐서 안정하고 균일한 표준을 제공하고 범지구 네트웍에 연결된 외부 표준을 기준으로 하는 동일계 분석을 수행하는 계기적 접근법은 모든 탄소 거래 플랫폼에 대한 신뢰성 있고 투명한 기준선 데이터에 매우 바람직할 뿐만 아니라 탄소 배출의 공간계 관측을 통합 및 비교하기 위한 가능성을 제공할 것이다.
하기 실시예는 예시용이지 제한을 가하는 것은 아니다.
실시예
1: 숲 거래
도 23을 참조하면, 복합 시스템의 적용예가 제공된다. 숲 내부의 무수한 위치가 CO2 농도에 대해 측정 및 모니터되지만, 탄소 거래를 지지하기 위해 CO2에 대한 공급원 조건을 측정하고 정량화하는 동위원소 조성은 보고되지 않았다. 특정한 경우들은 예시용으로 본원에서 사용된다.
현재, 숲 탄소 유출입량은 시카고 기후 거래소(CCX, www.ccx.com)에 의해 전술한 바와 같은 다양한 숲 관리 알고리듬을 사용하여 추정된다. 그러나, 연구 프로젝트는 제한된 기준에 대해 탄소 거래를 정량화한다. 배경에 의해, 상기 프로젝트 중의 하나는 간단하게 기술된다. 이러한 예에서 탄소 유출입량에 대해 측정 및 모니터되는 숲은 논문(Barford, et al., 2001)에 기술되며, 복합 시스템을 숲 탄소 유출입량에 대한 실제 데이터에 적용할 기회를 제공하지만 CO2의 공급원을 확인 및 정량화하기 위한 동위원소 데이터가 부족하다. 서부 마이애미주에 배치되는 위치는 지면으로부터 30m 연장된 높은 탑에 구비되며 적절한 계기가 구비된다. 당분야의 숙련가에게 익히 공지된 에디 공분산 기술은 CO2의 유출입량, 모멘텀, 및 감지 가능한 열 및 잠열을 8개의 수준으로 측정하는데 사용된다. 동위원소 데이터 수집은 대기의 고주파수 수송 유출입량의 수집율을 맞추도록 선택된다. 에디 공분산 기술의 사용은 다음과 같은 동위원소 계기 배치상의 상당한 기술적 어려움을 부과한다(예: Salesk et al., 2006): 1) 신속한 반응 시간( 13CO2의 분석에 1초 미만 소요), 2) 저주파수 바람 운반 유출입량의 캡쳐를 가능하게 하는 기준선 변동 없이 연속식 측정을 허용하는 센서 안정성, 3) 에디 유출입량 동위원소 신호에서 작은 변화가 해소될 수 있는 높은 정밀도. 탄소 동위원소 에디 유출입량에 대한 상응하는 단위는 ppm 미터 s-1 /mil로서 주어진다. 동위원소 유출입량에 대한 이러한 측정 문제는 안정한 기준선 데이터를 따라 < 0.1 / mil 정도로, 10초 통합 시간의 표준 편차이다. 상기 언급된 에디 공분산 접근법은 소정의 숲 영역에서 탄소의 네트 유출입량을 수득하기 위해 1년 내내 하루 24시간 운용해야 한다. 이러한 방식으로, 호흡을 통한 CO2의 동절기 방출은 광합성에 의한 CO2의 하절기 감소와 비교된다: 상기 네트 차이는 상기 숲이 흡수원(즉, 음수) 또는 공급원(즉, 양수)인 경우 측정될 것이다. 따라서, 탄소 거래에 사용될 수 있는 정확하고 신뢰성 있는 숲 유출입량 데이터는 계기 기능과 소프트웨어 프로토콜의 만족시키기 매우 어려운 세트를 사용하여 수득할 수 있다. 8년에 걸친 바포드(Barford) 등(2001)의 데이터에 따르면, 상기 숲은 1헥타르당 약 2메가그램 또는 미터톤의 탄소를 격리시키지만, 식물에 의해 취해지고 농도에 대해 루틴한 측정의 일부로서 측정되는 화석 연료 CO2의 존재에 대한 보정이 이루어지지 않으므로 알려지지 않은 오차를 나타낸다. 이는 미터톤의 탄소를 가격 책정하고 거래하는데 사용되는 경우, 바람직하지 않고 알려지지 않은 불확실성이 존재한다. 바포드(Barford) 등(2001)의 데이터는 임관 위에 있기에 충분한 높이로 약 30m의 수신범위가 작은 탑을 사용하여 수집된다. 탑이 높을수록 수신범위가 더 커지므로 일련의 탑 높이가 바람직하다. 이러한 연구에서 사용되는 측정 접근법 및 방법은 바포드(Barford) 등(2001)의 데이터의 수신 범위가 약 100 내지 200헥타르임을 나타낸다. 본 발명자들은 일례로서 100헥타르의 소문자를 취하며, 이는 상기 100헥타르가 사유지 또는 기타 수단에 의해 한정됨을 의미한다. 상기 데이터에 따라, 약 16메가 그램이 8년 기간에 걸쳐서 축적되어 격리된 탄소를 1헥타르당 16미터톤 생성시킨다. 1미터톤의 탄소가 1톤당 $20로 8년 기간의 종료후 거래되는 경우, 상기 토지의 소유자는 $32,000 가치의 배출권을 가질 것이다. 그러나, 상기 불확실성이 10%인 경우, 가격책정은 책정된 $3,200 보다 높거나 낮을 수 있다. 따라서, 14C 및 13C 분석기를 사용하지 않으면서, 화석 연료 기여분을 자연 및 식물계 기여분으로부터 풀어낼 방법이 없다. 탄소 거래와 잠정적으로 연관된 수천만 내지 수억 에이커를 고려해 볼 때, 경제적으로 현저한 오차가 존재함을 확인할 수 있다. 바포드(Barford) 등(2001)의 데이터는, 년도별로 값이 현저하게 상이할 수 있기 때문에 매년 네트 유출입량 데이터가 요구됨을 명백하게 나타낸다. 예를 들면, 바포드(Barford) 등(2001)의 데이터의 1998년도는, 탄소 격리(네트 탄소 흡수 MgC ha-1 yr-1)가 선행 년도인 1997년에 비해 2.4메가그램 감소함을 보여준다. 바포드(Barford) 등(2001)에 의해 보고된 기록은 1993년부터 1999년까지의 측정 기간 전체에 걸쳐서 0.2 내지 2.4Mg의 변동을 나타낸다. 따라서, 이러한 데이터는 다른 데이터(예: Scott et al., 2004)와 함께, 에디 공분산 응용을 허용하며 궁극적으로 고도로 신뢰성 있고 다른 프로젝트와 상호 비교 가능한 탄소 저장 데이터를 제공하고 약 < 0.1 MgC ha-1 yr-1의 한정된 불확실성을 갖기 위해 미세한 시간 해상도를 갖는 숲 탄소 유출입량의 전체 측정에 대한 요구를 설명한다.
스코트(Scott) 등(2004)의 데이터에 따르면, 에디 공분산 방법의 사용은 목재 제품(예: 종이, 목재 건축 제품)의 생산을 위해 숲의 추수와 관련된 탄소 유출입량에 대한 기준을 수립하는데에도 사용될 수 있다. 다수의 숲이 목제 제품 산업을 지원할 수 있으므로, 상기 에디 공분산 기술의 사용은 나무 재성장에 의한 탄소 대체가 수득됨을 보장하는데 사용될 수 있다. 따라서, 추수후의 탄소 손실과 수년의 기간에 걸쳐서 절단 후 탄소 격리의 간단한 물질 수지가 목재 제품 재고를 허용하면서 상기 숲들의 지속 가능성을 보장할 수 있다. 나무 재성장율은 제거된 탄소를 대체하는데 요구되는 기간을 결정할 것이다. 따라서, 숲 추수 및 다시 수목 재식이 이루어지는 영역에서 시스템들중의 시스템을 사용하고 분석기들의 앙상블을 배치하면, 탄소 동력학을 수립하는 독특한 방법 및 다양한 환경하에 숲 배출권의 관련 가격책정이 제공된다. 본 발명자들은 갈릭(Galik) 등(2009)에 의해 보고되는 추정 방법과 관련된 오차가 숲 탄소 오프셋의 생성을 참조하여 30% 정도로 높은 것으로 확인됨을 주목한다. 갈릭(Galik) 등(2009)에 따르는 숲 모델의 민감성은 지상 및 지하 활성 성분들, 숲 찌꺼기 및 죽은 나무를 포함하는 다수의 탄소 풀(pool)로 구성된 숲 탄소 성분들의 처리에 관한 것이다. 본원에 기술된 에디 공분산을 사용한 동위원소 접근법은 주로 지하 및 지상 바이오매스 및 이들의 동력학적 탄소 흡수 및 방출을 포함한다.
상기 실시예에 따르는 한 양태에서, 본 발명자들은 100헥타르 격자 라인에서 풍경 전체에 걸쳐서 배치된 20GMP의 배열을 나타내는 도 23을 참조한다. 상기 GMP는 에디 공분산 응용을 허용하는 탑 또는 기타 구조물에 대해 몇 가지 농도로 취한 가스를 분석한다. 따라서, 기준으로서 상기 실시예를 사용하면서, 본 발명자들은 각각의 100헥타르 플롯이 15미터톤의 탄소를 고립시킨 8년 기간을 예시를 위해 취하였다. 그러나, 이 경우, 상기 복합 시스템은:
1) 에디 공분산 방법과의 통합을 허용하면서 이상적으로는 약 1 내지 10Hz이지만 최대 100Hz일 수 있는 빠른 속도에서 측정되는 화석 연료 CO2에 대한 14CO2 신호, 생물 CO2에 대한 13CO2 신호 및 총 12CO2를 제공한다;
2) 각각의 장치에 대해 비교 가능한 결과를 확보하기 위해 분석기들의 상호 보정된 네트웍을 갖춘다. GMP는, 1 내지 100km 범위의 분산이 14C에 대해 2/mil이고 13C에 대해 0.1/mil인 GMP의 검측 범위 내이도록 배치될 것이다. 다양한 배치 패턴을 갖는 초기 시험은 분석기들의 최적 개수 및 배위를 유도하기 위해 요구될 수 있다. 샘플 채취 높이는 임관으로부터 적어도 수미터 위이어야 하며, 일부 계기들은 이 보다 더 높이 배치된다(예를 들면, 50미터). 보다 넓은 영역에서의 탄소 유출입량 범위를 식별하기 위해 탑 높이들을 혼합 사용한다. 현재 사용되는 탑들은 약 30m로부터 소수의 높은 탑의 경우 400m에 이르는 범위이다;
3) 중앙 위치로 데이터를 송신하기 위해 원격 측정 시스템을 갖춘다;
4) 데이터 분석 및 모델 통합을 갖춘다.
이어서, 수집된 데이터는 14C 및 13C 델타 비 및 CO2 농도로 이루어질 것이다. 총 CO2 농도(가장 위의 실선), 델타 13CO2 비(중간의 짧은 점선) 및 델타 14CO2 비(가장 아래의 긴 점선)로 이루어진 가상적 측정은 도 23에 도시되어 있다. CO2 농도가 계절에 따라 상승 및 하강함을 유의한다(여름에 대해서는 S로 표기하고 겨울에 대해서는 W로 표기함). 총 CO2 농도는 화석 연료 성분의 측정을 허용하지 않는다. 더욱이, 도 1 및 2에서 설명된 바와 같이, 13CO2 비는 또한 탄소 거래에 대한 화석 연료 기여도와 이에 따른 수득되거나 손실된 네트 탄소를 구분하지 않는다. 이어서, 상기 수득 또는 손실은 공급원 또는 흡수원, 또는 거래 용어로 탄소 배출권 손실(공급원) 또는 배출권 수득(흡수원)인 탄소 성분을 나타낸다.
10Hz의 신호 주파수는 에디 공분산 데이터에서 중요하다. 1초보다 긴 데이터 속도는 바람의 운속 유출입량을 매치하기 위한 요건을 충족시키지 못하므로 높은 해상도 및 탄소 유출입량의 정확한 기록을 막으면서 에디 공분산에 효과적으로 사용될 수 없다. 따라서, 이러한 측정 분야의 숙련가들은 에디 공분산 방법이 CO2 농도에만 사용되는 이러한 탑의 네트웍이 플럭스넷 프로젝트(FLUXNET 2009)의 일부로서 약 수백 군데의 스테이션을 가짐에도 불구하고 에디 공분산을 사용한 동위원소 분석의 광범위한 용도가 제한적 측정 회수로 소수의 위치에 국한됨을 인식할 것이다. 따라서, 본원에 기술된 "복합 시스템"의 적용이 많이 필요한 것으로 인식되었으나 지금까지 실행되지 않았다.
따라서, CO2가 여름에 식물이 성장함에 따라 감소되는 경우, 13CO2 비는 13CO2 분자에 대한 기본적인 식별로 인해 감소한다. 14CO2 에서의 상기 추세는 화석 연료가 14C를 함유하지 않아서 현재 14CO2 배경을 희석시키지 않기 때문에 덜 증가할 수도 있다. 그러나, 각각의 용어(총 CO2 농도, 13CO2 및 14CO2 비)에 대한 미가공 데이터가 화석 및 생물 유도된 CO2의 공급원 데이터를 유도하기 위해 당분야의 숙련가에게 공지된 일련의 계산에서 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 동위원소 데이터의 이러한 단순한 처리는 대표적인 영역에 걸쳐서 충분한 개수의 분석기, 상호 보정 및 적합한 모델 통합이 부족하여 탄소 거래를 지원하기에 충분하지 않다. 예시용으로, 2008년에 레빈(Levin)에 의해 기술된 화석 연료 성분을 유도하는 단순한 계산의 예가 제공된다:
14CO2 및 CO2 농도 측정치로부터 지역적인 화석 연료 CO2를 추정하기 위해, 하기 물질 수지 등식을 사용할 수 있다:
CO2 측정치 = CO2 생물학적 + CO2 배경 + CO2 화석 연료; 및
CO2 측정치 (δ14C측정치 + 1000 o/oo) = CO2 배경 (δ14C배경 + 1000 o/oo) + CO2 생물학적 (δ14C생물학적 + 1000 o/oo ) + CO2 화석 연료 (δ14C + 1000 o/oo )
상기 등식에서, CO2 측정치는 장치들의 네트웍으로부터 관찰된 CO 2 농도이고, CO2 배경은 기준 청정 공기 위치에서의 CO 2 의 농도(예: Globalview 2006)이며, CO2 생물학적은 지역적인 생물 성분이고, CO2 화석 연료는 상기 측정 지역에 대한 화석 연료 성분이다. 델타 표기에서 이들 성분들의 14C/12C 비는 각각 델타 14C측정치, 델타 14C생물학적 및 델타 14C 화석 연료이다. 델타 14C는 NBS의 부식에 대해 보정된 옥살산 표준 활성으로부터의 14C/12C 비로부터의 o/oo 편차이다(Stuiver and Polach 1977).
따라서, CO 2 화석 연료에 대해 풀면 하기 등식이 수득된다:
CO2 화석 연료 = [CO2 배경 (δ14C배경 - δ14C생물학적) - CO2 측정치(δ14C 측정치 - δ14C 생물학적) ] / δ14C 생물학적 + 1000 o/oo .
예를 들면, 화석 연료의 평균 기여도가 상기 배열 내의 육지에 대해 측정된 총 CO2의 1ppmv인 것으로 측정되는 경우, 2001년 바포드(Barford) 등으로부터의 데이터를 사용하면, 1,600미터톤이 아니라 1,440미터톤의 저장된 CO2에 달하는 양으로 약 10%의 오차가 회계되지 않을 것이다. 1달러 용적을 기준으로 하면, $3,200의 차이가 오차로 있을 것이다. 주로 나타내는 지역 및 보다 큰 지역과 같은 보다 큰 범위에서는 이러한 오차들이 합산될 것이다. 2008년의 경우, 보고 기관인 포인트 카본(Point Carbon)(www.point.carbon.com)에 따르면, 모든 탄소 금융상품을 나타내는 탄소 거래의 총 달러 용적은 주로 유럽 연합 내의 거래의 결과로서 약 1290억 US 달러이다. 따라서, 대표적으로, 10% 오차는 약 129억 US 달러에 달한다. 다중-동위원소 분석기를 사용하여 생성시킨 데이터의 복잡성은 도 23에서 설명되며, 100헥타르의 면적에 대한 총 탄소를 유도하기 위해 적합한 데이터-모델 통합을 명백하게 요구한다. 탄소 거래를 목적으로 기재된 복합 시스템은 본 실시예에서 나타낸 바와 같이 분석기로부터 데이터 분석 및 합성으로의 다양한 범위에서의 성분 통합을 요구한다.
따라서, 도 24에서 나타낸 바와 같이, GMP 장치는 미국의 경우에서와 같이 지상에 도달하기 위해 기존의 탑 및 기타 구조물을 사용하는 국가 범위에 걸쳐, 그리고 마인주(도 25)에 대해 도시된 바와 같이 주 범위에 걸쳐서 배치될 수 있다. 도 26은 미국 북동부를 대표하는 지역 온실가스 발의를 위한 복합 시스템 배치를 도시한다. 도 27은 중서부 온실가스 협약을 위한 복합 시스템 배치를 도시한다. 도 28은 서부 기후 발의를 위한 복합 시스템 배치를 도시한다. 도29는 온실가스에 대한 유럽 연합 거래 체계를 위한 복합 시스템 배치를 도시한다. 단지 예시용으로, GMP 장치는 대략 5°×5°의 경도 및 위도 간격으로 배치하거나 분석기 및 기타 인자의 초기 배치에 따라 필요한 측정되는 기타 배열로 배치된다. 다양한 높이의 탑은 또한 높이의 함수로서 동위원소 유출입량의 추가의 데이터를 캡쳐하는데 사용될 수 있다.
실시예
2: 토양 탄소 거래
도 30을 참조하면, 복합 시스템의 또 다른 양태가 제공된다. 탄소의 토양 저장소는 현존 바이오매스의 탄소량을 훨씬 초과하며, 어떤 면에서는 현존 바이오매스의 탄소량에 비해 더 불안정일 수 있다. CO2가 증가함에 따라 지표가 온난화되고 있는 상황하에서 생물권의 모델에 의해 예측되는 바와 같이 보다 높은 위도에서의 온난화는 이전에 격리되었던 탄소의 다량이 방출될 수 있음을 제시한다. 토양에서 탄소의 방출은 주로 토양 습기 및 온도에 의해 결정되므로(Amundson et al., 2008), 다수의 인자에 따라 풍경 전체에 걸쳐 매우 불균질해질 수 있을 것이다. 이러한 이유로, 토양 유출입량은 지구 온난화와 관련한 토양 방출을 검측하기 위해 광범위하고 다양한 위치에서 결정 및 측정되어야 한다. 더욱이, 경작지 내지 대초원에 이르는 토양에 탄소를 격리시키려는 노력은 탄소 거래 오프셋에 적격이지만(CCX 2010), 조잡한 과다단순화 및 추정치를 근간으로 한다. 본원에 기재된 바와 같은 복합 시스템은:
1) 토양 유출입 체임버 및 토양 탐침 가스 공급원과 통합되는 바와 같이 분당 약 1개의 샘플의 특정한 시간 간격에서 측정된 화석 연료 CO2에 대한 14CO2 신호, 생물 CO2에 대한 13CO2 신호 및 총 12CO2를 제공한다. 에디 공분산 탑은 또한 이상적으로는 약 1 내지 10Hz이지만 최대 100Hz일 수 있는 샘플 주파수를 사용하는 숲 샘플링에 대해 상술한 바와 같이 사용될 수 있다. 상기 숲 탄소의 경우, GMP-에디 공분산 설정이 토양 샘플 체임버 및 토양 탐침에 적용된다;
2) 각각의 장치에 대해 비교 가능한 결과를 확보하기 위해 분석기들의 상호 보정된 네트웍을 갖춘다. 토양 가스 체임버 및 탐침의 배치는 대표적인 데이터를 보장하기 위해 상기 영역에 대한 통계학적 분석에 따른다. 에디 공분산 측정의 수, 높이 및 배위는 지형, 주간 CO2 변동의 강도 및 바람 패턴과 같은 인자에 따라 좌우될 수 있다. 그러나, 탑 높이는 식물 피복율이 초지, 대초원 등과 같이 지표와 가까운 설치물에서 완화될 수 있으며, 수미터로부터 30미터에 이르는 범위이다;
3) 중앙 위치로 데이터를 송신하기 위해 원격 측정 시스템을 갖춘다;
4) 데이터 분석 및 모델 통합을 갖춘다.
대기 중의 총 CO2의 측정이 CO2의 공급원(흡수원)을 밝히지 않는 만큼, 토양 CO2 대기 역시 총 CO2과 관련하여 공급원 성분들을 밝히지 않는다. 그러나, 토양의 경우, 관심을 끄는 다양한 탄소(도 30 참조) 공급원은 생물 탄소 대 화석 탄소 사이의 차이가 아니라 탄소의 연식에 관한 것이다. 특정하게는, 2 내지 8,000년 범위의 연식에서 매우 오래된 토양 탄소의 광범위 방출은, 이전에 격리된 탄소가 방출되고 대기의 방사성 예산에 대한 중요한 결과를 가질 수 있는 대기에 대한 탄소의 대형 공급원의 잠재적인 전조가 될 것임을 의미한다.
통합된 토양 유출입량에 대한 지상 토양 가스를 자동적으로 샘플링하기 위한다수의 잘 개발된 기술이 존재한다. 이러한 장치는 미국 네브래스카주 링컨 소재의 Li-COR 바이오사이언스 코포레이션에 의해 제조된 모델 LI-8100-101 및 LI-8100-104, 자동화 토양 CO2 유출입량 시스템이다. 상기 지명된 장치는 토양 CO2 유출입율의 높은 공간 및 시간 해상도를 제공하면서 다수의 체임버용으로 특수 설계되었다. 상기 시스템은 작은 압력 차이에 의해 야기되는 장기간에 걸친 CO2 흡수 및 누출로부터의 인공 산물을 피하기 위해 특정 간격으로 자동적으로 개폐되는 체임버를 특징으로 한다. LI-COR에 의해 판매되는 이러한 체임버는 바람이 부는 조건 및/또는 온화한 조건에서 원격 운용될 수 있다.
토양 가스 모니터에 추가해서, 지표 부근 환경에서 토양 가스의 축적을 문서화하기 위해 에디 공분산 구조의 배치가 또한 요구된다. 따라서, 에디 공분산용 샘플링 속도는 < 1초로 신속할 수 있다. 따라서, GMP와 연결된 LI-COR 장치를 혼입하고 앙상블 중에 배치되며 에디 공분산 방법에 의해 추가로 지지되는 이러한 복합 시스템은 소정의 영역에 대한 탄소의 방출 또는 격리를 측정하는 데 있어서 매우 유용할 것이다.
추가로, 바이사라 인코포레이티드(Vaisala, Inc.)에 의해 기술되는 유동 통과 방식으로 운용되는 모델 GMP343l 이산화탄소 탐침과 같은, CO2 토양 대기를 깊이에 따라 샘플링하는 시판 장치가 또한 입수될 수 있다. 실제로, 지하 가스 샘플링 분야의 숙련가들은 분석을 위해 깊이에 따라 가스 샘플을 포획하는 다수의 접근법을 인지한다.
따라서, 도 30에 도시한 바와 같이, 지표에서의 임의 개수의 토양 샘플링 체임버(601)에 커플링되고/되거나 샘플 매니폴드(605)와 조합된 임의 개수의 지하 샘플링 시스템(602, 603 및 604)에 커플링된 GMP 유닛(600)은 단독으로 및 풍경 전체에 걸쳐서 토양 탄소 방출 또는 토양 탄소 격리를 검측할 수 있다. 상기 토양 유출입 체임버(601)은 전체 토양 컬럼(609)로부터 생성되는 통합된 토양 가스 샘플을 제공하므로 토양 가스 조성의 평균을 나타낸다. 샘플 매니폴드(605)와 통합된 상이한 깊이에서의 토양 탐침(602, 603 및 604)은 각각의 토양층의 토양 가스 조성물 특징을 제공한다. 현대 토양(606)은 각각의 토양 층의 토양 가스 조성물 특징을 제공한다. 현대 토양(606)은 토양 컬럼에서 깊이가 깊어질수록 더 오래된 토양(607 및 608)에 비해 더 높은 14C 농도를 함유할 것이다. 이러한 특정 예시에서, 토양 동위원소 탄소 유출입량은 소정의 기간에 걸쳐서 소정 영역으로부터 방출되는 화석 및 생물 CO2의 양으로서 주어지는 토양 유출입 속도를 조합함으로써 측정할 수 있다. 따라서, 논문(Amundson et al., 2008)에 기재된 바와 같은 적합한 모델의 사용은 방출되거나 격리된 탄소 미터톤을 유도하기 위해 동위원소 데이터와 함께 사용될 수 있다. 상기 지시한 바와 같이, 에디 공분산의 사용은 소정 기간에 거쳐서 소정 영역에 대해 탄소 유출입량을 완전히 규정하기 위해 토양으로부터의 가스와 지표 부분 환경 중의 가스의 축적량을 통합할 수 있다.
본원에 기술된 바와 같은 복합 시스템 접근법은 무경운(no till) 방법 및 황무지에 나무 심기와 같은 토양 보존 전략(예: Schlesinger, 2000)과 관련하여 토양 CO2 유출입량을 측정 및 모니터하는데 사용될 수 있으므로, 다양한 조건하에 탄소 격리에 대해 소정의 토양의 능력을 규정하는 중요한 수단을 제공한다. 이러한 복합 시스템은 토양 탄소 측정을 위해 명백하게 요구된다. 미리 기술한 바와 같이, 시카고 기후 거래소는 모델 단독을 기준으로 하는 육지의 커다란 트랙에 대한 격리율 추정치를 제공한다(CCX 2010). 이러한 모델은 토양 습기, 지표 온도 변화 및 비료와 같은 영양소의 시용과 같은 인자들을 고려 하지 않으므로, 토양 탄소 거래에 대한 탄소 미터의 오차를 유도할 수 있는 불확실성을 창출한다. 본원에 기재된 복합 시스템의 사용은 이러한 불확실성을 감소시키는 수단을 제공하며, 이후 토양 탄소 시장을 도입하는데 사용될 수 있는 입증된 탄소 유출입량을 제공한다. 본원에 기재된 복합 시스템의 사용은 특정한 유지 관리 실행(예: 특정 종의 식물 심기, 경운 방법, 영양소 시용 등)과 관련된 토양 탄소 유출입량과 같은 몇 가지 유형의 토양 탄소 금융 상품을 제공할 수 있다.
숲 탄소 거래에 대해 상술한 바와 같이, 상기 복합 시스템은 다양한 토양 및 식물 관리 실행이 산업용으로 및/또는 토양 생태계 유형에 따라 사용되는 영역에서 탄소 동역학을 정량화하는데 사용될 수 있다.
실시예
3: 농업적 배출권 거래
도 31을 참조하면, 복합 시스템의 또 다른 양태가 제공된다. 도 31에 따르면, 경작지(350)는 소정의 위치에서 정의된다. 임의의 주어진 들 또는 일련의 들의 중심에서 에디 공분선 유출입량 탑(351)은 다음과 같이 수립된다:
1) 에디 공분산 방법을 사용한 통합을 허용하면서 이상적으로는 약 1 내지 10Hz이지만 최대 100Hz일 수 있는 신속한 속도에서 측정된 화석 연료 CO2에 대한 14CO2 신호, 생물 CO2에 대한 13CO2 신호 및 총 12CO2를 제공한다;
2) 각각의 장치에 대해 비교 가능한 결과를 확보하기 위해 분석기들의 상호 보정된 네트웍을 갖춘다. 에디 공분산을 위한 탑의 배열 및 높이는 상기 작물 표면 위로 연장될 것이므로, 신호 강도, 바람 패턴 및 농업용 탄소 사이클링을 위한 동위원소 특징의 검측 능력을 제공하는 기타 인자에 의해 측정된 GMP의 수를 사용하여 수미터 내지 30미터의 범위일 수 있다. GMP의 초기 배치는 GMP 분석기의 최적 배치에 맞출 필요가 있을 수 있다;
3) 중앙 위치로 데이터를 송신하기 위해 원격 측정 시스템을 갖춘다;
4) 데이터 분석 및 모델 통합을 갖춘다.
현재, 농업 탄소 거래 및 저장의 입증은 시도되는 가장 어려운 영역 중의 하나이다. 상기 어려움은 식물이 매년 또는 반년 기준으로 성장한 다음, 지표로부터 제거되는 경우 용이하게 파악된다. 따라서, 농업용 탄소 예산의 완전한 회계는 대지로부터 제거된 바이오매스와 상기 대지가 새로운 작물로 덮혀 대체되는 것을 고려해야 한다. 또한, 농사는 본질적으로 땅 파기를 수반하며 많은 경우 토양을 뒤집으면 휘발성 토양 탄소 성분들이 산화에 의해 대기에 방출된다. 또한, 비료의 사용은 전체적인 예산 조건 면에서 고려되는데, 이는 비료가 식물 비용에 적용되고 이의 생성이 온실가스의 생성을 수반한다. 이 경우 역시, 경작지의 넓은 면적에 하나의 작물이 심겨질 수 있지만, 상이한 작물들의 이러한 영역 각각에도 에디 공분산 복합 시스템이 제공된다. 따라서, CCX(CCX 2009)에 의해 사용된 입증 조치들은, 예를 들면, 정밀도가 부족하고, 종을 심거나 추수하는데 있어서의 명백한 차이에도 불구하고 모든 토양에 맹목적으로 적용되므로, 본원에 기재된 바와 같은 복합 시스템의 사용에 의해 최소화될 수 있는 탄소 거래 오차를 야기시키면서 불확실하다.
넓은 면적에 걸쳐서 현장 샘플 분석을 나타내는 임의 개수의 토양 데이터 세트로 파라미터화되는 모델을 수반한다. 이러한 한 가지 제품, C-록(Lock) Updegraff et al., 2005)은 이러한 시스템을 사용한다. 탄소 격리율은 필수적으로 무경운법 및 기존의 경운법으로 분류되며, 넓은 면적의 토지에 걸쳐서 맹목적으로 적용된다. 상기 C-록 접근법은 센투리(Century)로서 공지된 토양 유기 탄소 모델을 토대로 하며(Parton et al., 1993), 강우의 기후 인자, 식물 변화 및 토지 관리의 변화를 포함해서 토양 탄소 함량을 변경시킬 수 있는 인자들의 토양 탄소 함량의 추가 조사 없이 사용된다. 따라서, 숲 탄소 유출입량 및 이와 가격 책정과의 관계를 사용함에 따라, 본원에 기술된 바와 같은 농업 탄소 금융 상품은 공지되거나 제안되지 않고, 탄소 유출입량을 측정, 모니터, 입증 및 회계하기 위한 복합 시스템이 실행된 바 없다. 본원에 기술된 복합 시스템의 양태에 따라, 경작지의 샘플 격자 내에 배치된 모니터링 스테이션의 세트가 전술한 바와 같이 수집될 수 있다. 영국의 캠벨 사이언티픽(Campbell Scientific)으로부터 입수 가능한 에디 공분산 시스템과 같은 시판 중인 시스템은 100m2 내지 1,000m2의 간격에서, 연구되는 경작지의 크기에 따라 몇 배의 간격에서 GMP 13C 및 14C 분석기를 사용하여 배열 및 통합될 수 있다. 13C, 14C 및 CO2 농도의 재고량은 이전에 기술한 바와 같이 획득된다. 이 경우, 추수된 바이오매스는 중량에 의해 정량화되며, GMP 장치 배치를 매칭하는 간격에서 토양 유기 탄소는 표준 토양 분석 기술, 즉 농업 및 토양 관리 분야의 숙련가에게 공지된 모든 실행 기술에 의해 측정될 수 있다. 따라서, 농업 관리의 공지된 모델과 관련된 복합 시스템의 적용은 다양한 농업적 실행을 나타내는 탄소 거래에 요구되는 탄소 측량에 대한 불확실성을 감소시킬 수 있다.
본 발명자들은 본원에서, CCX(CCX 2010)에 의해 제공된 농업 배출 감축을 위한 추천 및 요건이 퇴비 침지에 의해 생성되는 메탄의 파괴에 초점을 맞춤을 주목한다. 소형의 단일 지점 공급원의 경우, 메탄 파괴는 배기구에서 메탄의 연소에 의해 입증된다. 그러나, 본 발명자들은 위에서, 경작지로부터 탄소 유출입량의 발행이 더 커지면 추정치로서 처리되어 오차가 되는 경향이 있음을 주목한다. 반추 동물 관리의 경우, 본 발명자들은 반추동물 관리와 관련하여 관리되는 토지로부터의 배출이 고려되어야만 함이 명백함에도 불구하고 퇴비로부터의 영양소를 상기 풍경에 첨가하는 것이 고려되지 않음을 주목한다. 본원에 기재된 양태들이 CO2의 예를 제공하지만, 복합 시스템은 메탄 및 산화질소와 같은 임의의 온실가스에 적용될 수 있다.
실시예
4:
수체(예: 대양)에
대한 탄소 배출권 거래
도 32를 참조하면, 대양 탄소 거래를 측정하기에 적합한 양태가 기술된다. "대양 비옥화(ocean fertilization)"의 수단으로서 수면에 배치된 산화철에 의해 유도되는 탄소에 의한 탄소 격리가 상당한 관심을 끈다. 대양 철 비옥화는 상기 열린 대양에서 천연 식물 프랭크톤 생성의 효율을 개선시킴으로써 작용한다. 식물 플랭크톤은 전세계의 연간 CO2 흡수 용량의 대략 절반의 책임이 있다. 이들은 60일 수명 주기로 연속적으로 번성, 성숙 및 사멸함에 따라, 이들의 바이오매스의 일부는 깊이 가라앉아 장기간 동안 탄소를 가둔다. "생물학적 펌프"라고 불리우는 이러한 과정은 지구상의 가장 오래된 생태 메카니즘 중의 하나이다. 지난 수억년간에 걸쳐서, 깊은 대양 내에 모든 이동성 탄소의 근 90%가 침전물 및 용해된 중탄산염으로서 농축되어 왔다. 그러나, 대기로부터 직접 탄소를 격리하는 메커니즘으로서, 철 비옥화로부터 격리된 탄소의 측정, 모니터, 입증 및 회계는 실행되지 않았었다.
몇 가지 측면에서, 대양이 CO2의 주요 공급원 및 흡수원임에도 불구하고 전세계 대양이 탄소 배출권 자격이 있는 것으로서 포함되지 않는다는 점에서 대양은 교토 의정서에 따라 전세계 숲과 같이 취급되어 왔다. 자연적인 대양 탄소 주기의 대부분을 변경시키는 위험이 실제하고 지구공학적 노력이 고려되기는 하지만, 대양을 통한 탄소 감축에 대한 1차적인 방해 또한 전세계 대양에 대한 탄소 유출입량 데이터 및 대양의 탄소 유출입량 변화를 긴밀하게 측정 및 모니터하는 능력의 부족과 관련된다. 상기 시스템들 중의 GMP 시스템은 많은 점에서 상기 숲에 대해 배치되는 방식과 같이 배치될 수 있다. GMP 앙상블을 지지하기 위해 탑 대신, 대양 부표가 수면 모니터로서 사용될 수 있으며, 이는 목적하는 깊이에서 물을 샘플링하기 위해 샘플링 하드웨어를 구비할 수 있다. 숲의 경우, 해수 중의 탄소의 13C 및 14C 동위원소 조성은 대양 탄소 동력학의 기능화를 지시하는 주요 진단 특성이다(예: Cias et al., 1995; Broecker 2007). 14C의 경우, 수소 폭탄 사용의 결과로서 일시적인 14C 신호는 대양 중의 탄소 유출입 속도를 측정하기 위한 편리한 신호를 제공하는 인위적인 14C의 펄스를 창출한다. 13C의 경우, 해수 생물학은 지상 식물과 유사한 방식의 광합성 및 호흡 동안 13C을 분별한다. 그러나, 숲에 대해, 대양 탄소 동력학은 탄소 대양 유출입량의 명백한 패턴 및 추세를 제공하기에 충분한 주파수 또는 공간 범위로 측정되지 않는다.
몇몇 회사가 상기 과정을 상업화할 것을 추구하였지만(예: www.CLIMOS.com), 탄소 거래 체제를 위해 배출을 측정, 모니터, 보고 및 입증하기에 효과적인 수단을 제안하지 못하였다. 그러나, 대양 탄소 교환 및 격리의 효율을 대양 화학 및 대양수로부터 용해된 가스들의 제거로 평가하기는 어렵다. 전형적으로, 대양수에서 용해된 가스를 제거하는 것은, 전체 공기에 대해 수득된 후 IRMS 기술을 개별적으로 사용하여 분석되는 것과 유사한 가스의 플라스크 샘플을 생성시키는 거의 자동화된 방법이다. 하기 특징을 갖는 본원에 기술된 복합 시스템이 용이하게 적용 가능하다:
1) 해수로부터의 CO2 추출기와 GMP 및 이의 앙상블과 통합된 1시간 간격 또는 이보다 짧은 간격에서 측정되는 화석 연료 CO2에 대한 14CO2 신호, 생물 CO2에 대한 13CO2 신호 및 총 12CO2를 제공한다;
2) 각각의 장치에 대해 비교 가능한 결과를 확보하기 위해 대양 부표 상에 탑재된 분석기들의 상호 보정된 네트웍을 갖춘다. 수면 상의 배치는 신호 강도에 따라 좌우될 수 있으며, 신호 및 관심 영역을 조절하기 위한 배열의 초기 시험에 의해 결정될 수 있다;
3) 중앙 위치로 데이터를 송신하기 위해 원격 측정 시스템을 갖춘다;
4) 데이터 분석 및 모델 통합을 갖춘다.
따라서, 복합 시스템은 대양의 상부에서 대기 중의 가스를 측정하기 위해 특정한 대양 영역을 계기 부표의 앙상블에 대해 원격 운용될 수 있다. 가스 선택적 멤브레인 또는 자동화 스트리핑 장치는 GMP로 통합된 용해된 대양 가스를 샘플링하기 위해 사용될 것이다. 해수 CO2 추출 장치는 캐나다 브리티쉬 콜롬비아 시드니 소재의 악시스 테크놀로지스(Axys Technologies)로부터 모델 그린하우스 가스 센티넬(Greenhouse Gas Sentinel)로서 시판 중이다. 대안으로, GMP 동위원소 분석기는 14C 및 13CO2에 대해 필수적으로 연속식으로 측정하면서 선상에서 운용될 수 있다(예: McNichols et al., 2002). 도 31을 참조하면, 수중 유입구(300)를 통한 해수는 가스 추출 유닛(301) 내로 배출된다. 상기 가스를 추출하고 스크러버 및 건조기에 의해 전술한 바와 같이 컨디셔닝한 다음, 동위원소 분석기(302) 내로 펌핑한다. 동위원소 데이터 및 관련 센서 데이터는 선상 SCADA 시스템(303)을 통해 송신된다. 상기 부표, 가스 스트리핑 및 관련 방법은 대양 가스 샘플링 분야의 숙련가들에게 익히 공지되어 있다. 따라서, 상기 복합 시스템을 사용하면, 대기 중의 완화 전략의 결과로서 또는 변화하는 지구 조건의 결과로서 대양 중의 탄소 격리를 정량화하기 위한 대양 중의 탄소 거래의 연속식 표준계 측정, 모니터 및 보고가 가능해질 것이다. CO2의 잠재적인 대형 흡수원 또는 공급원을 나타내는 대양은 탄소 거래를 수반할 수 있는 정량화를 위한 중요한 영역이다.
실시예
5: 도시 규모 탄소 배출권 거래
도 33을 참조하면, 미국 뉴욕 맨하튼에 대한 도시 규모 탄소 예산에 대한 적용이 설명된다. 일부 경우 거대 도시들의 온실가스 예산은 소정의 상태 또는 지역에 대한 대부분의 배출을 회계할 수 있다. 따라서, 도시 규모 활동으로부터의 배출을 정량화하는 접근법은 전반적인 탄소 예산 계획에서 매우 유용할 수 있다. 도시에서의 배출의 주요 공급원은 산업적 공급원(천연 가스 및 연료)으로부터 발전 공급원(목탄, 연료) 내지 자동차 공급원(가스, 디젤)에까지 걸쳐 있다. 하기 특징을 갖는 도시 규모 복합 시스템은 도시 규모 측정 및 모니터에 용이하게 적용된다:
1) 다양한 위치 및 고도에서 1시간 또는 이보다 짧은 샘플 분석 스케쥴로 측정되는 화석 연료 CO2에 대한 14CO2 신호, 생물 CO2에 대한 13CO2 신호 및 총 12CO2를 제공한다. 이상적으로는 약 1 내지 10Hz이지만 최대 100Hz일 수 있는 샘플링 속도로 에디 공분산을 적용한다;
2) 각각의 장치에 대해 비교 가능한 결과를 확보하기 위해 분석기들의 상호 보정된 네트웍을 갖춘다. 장치 배치는 적합한 구조물과 경계 및 수체 등에 대한 근접성에 따라 좌우될 수 있지만, 도시풍경 1평방마일당 1GMP 이상이고 10평방마일마다 최대 1GMP이다;
3) 중앙 위치로 데이터를 송신하기 위해 원격 측정 시스템을 갖춘다;
4) 데이터 분석 및 모델 통합을 갖춘다.
도 33을 다시 참조하면, 다중-동위원소 분석기는 도시 환경 내부로부터의 배출을 캡쳐하기 위해 도시된 바와 같은 추가의 분석기를 사용하면서 맨하튼 연안을 따라 약 10 내지 20마일 간격으로 배치된다. 도 2에 기술한 바와 같이, 다중-동위원소 분석기는 천연 가스 CO2를 목탄 및 자동차 연료 CO2와 구분하는 것을 포함해서 CO2의 공급원을 화석 및 생물 공급원과 구분할 수 있다. 이러한 측정은 자동차 배출, 산업적 배출 및 고체 연료의 사용에서의 오프셋을 정량화하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 캘리포니아주의 AB32 감축 계획은 53-풋 또는 이보다 긴 박스형 트레일러를 끄는 중장비 트랙터로부터의 배출의 실질적인 감축을 수반한다(www.arb.ca.gov). 복합 시스템은 기타 배출의 공급원 분류 이외에도 맨하튼의 도시에 대한 이러한 배출의 통합 측정치를 제공한다. 승객 수송 및 거주 건물에서의 에너지 사용의 개인 수준의 활동으로부터의 탄소 배출은 2005년도에 모든 미국 탄소 배출의 약 40%로 회계되었다(Brown et. al. 2001). 따라서, 본원에 기재된 바와 같은 복합 시스템이 사용된다.
저탄소 에너지 기술에서의 엄청난 도약 없이, 기후 변화에 의해 주어지는 도전을 충족시키려면, 개인, 가구 및 사회가 모두 건물법, 수송 공공 기반시설 투자, 및 대체 수송에 대한 지원과 함께 상기 프로세스의 일부가 되어야 함을 요구할 것이다. 이를 인식하는 다수의 도시들이 본질적으로 서로 상이한 거의 자발적인 온실가스 배출 감축 제안들의 혼합안을 포함하는 기후 행동 계획을 개발하여 왔다. 그러나, 살론(Salon) 등(2008)에 의해 제안된 바와 같이, 도시 탄소 예산은 지방 정부의 기후 정책 수단을 개발하는데 요구된다. 다양한 도시 공급원으로부터 배출을 정량화하는 표준 및 방법은 13C 및 14C가 두 가지 모두 예산 분석 체제 내에서 측정 및 통합될 것을 요구할 것이다. 이러한 체제는 다음을 포함하는 몇 가지 예산 할당 방법으로 이루어질 수 있다:
1. 경매를 통한 허가 할당량,
2. 1인당 기준에 대한 균일한 허가 할당량,
3. 출발 지점으로서의 현재의 1인당 배출 사용 및 1인당 기준에 대한 균일한 허가 할당량으로 점진적 변화, 및
4. 출발 지점으로서의 현재의 1인당 배출 사용 및 모든 지역에 대해 동일한 %로 허가 할당량 감축.
그러나, 임의의 직접 측정이 상기 배출의 관리 또는 준수에 맞게 제안된다 하더라도 극소수이므로, 추정치를 근거로 한 감축 및 기타 행동은 심각한 오차가 있거나 비용이 많이 소요될 수 있다. 따라서, 상기 복합 시스템의 사용은 도시 규모 환경에 대한 예산안을 수립하고 추정된 배출 데이터를 입증하기 위해 매우 유용할 것이다.
상기 복합 시스템은 도시 규모 풍경 전체에 걸쳐서 전략적으로 배치될 것이다. 12C, 13C, 14C 및 기타 종(예: 일산화탄소(CO))에 대한 데이터 수집은 이전에 기술한 바와 같이 수집 및 송신될 것이다. 송신된 데이터는 이후, 바람 등에 대한 실시간 기상학적 데이터를 혼입시킨 미리 개발된 모델에서 사용될 것이다. 위치 선택에 있어서, 역시 시판 중인 에디 공분산 탑은 데이터를 증가시키고 도시의 특정 영역에 대한 유출입량 패턴을 수립하는데 사용될 수 있다. 이러한 개념은 또한 한 양태에서 뉴욕시에 대한 도 33에서 설명된다. 도면의 하부 좌측은 중앙 가운데 맨하튼이 위치하면서 맨하튼의 양쪽 강변을 따라 배치된 GMP 위치를 도시한다. 기타 GMP 위치는 예시용으로 맨하튼의 동쪽과 서쪽에 도시된다. 상기 GMP 장치는 건물의 상부와 지층 위에 배치되어 공기가 잘 섞이도록 보장할 수 있다.
도시 공급원으로부터의 가스 배출 분야의 숙련가는 자동차 탄소 배출이 천연 가스 및 목탄계 배출과는 상이하게 검측 가능한 13C 및 14C 동위원소 프로필을 가짐을 용이하게 확인할 수 있다. 모든 화석 완료 공급원은 14CO2 -1000/mil의 값을 나타내면서 실질적으로 14C를 갖지 않을 것이다. 그러나, 도 2에 도시한 바와 같이 가스 연료(자동차 연료)를 목탄 및 천연 가스를 분리하기 위해 13CO2 비에서 동위원소 조성 범위가 충분하다. 또한, 생물계 연료의 사용 척도로서 현대 14C에 대해 -1000으로부터의 혼합 라인이 사용될 수 있다(도 2 참조). 따라서, 상기 GMP 및 복합 시스템은 탄소 예산을 세부화하는데 있어서 중요할 것이다. 상기 동위원소 데이터는 기상학적 모델과 커플링되는 경우 배출 수준의 상세한 도시 범위 영역을 구축하는데 사용될 것이고, 이러한 데이터는 이러한 배출권(감축 신용)이 등록되고 이에 따라 거래될 수 있는 거래 시장을 도입하기 위해 감축이 입증될 수 있는 경우 사용될 수 있다(예: 지역 온실가스 발의안, RGGI, 2009).
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6: 탄소 격리 배출권 거래
도 34를 참조하면, 발전 설비 탄소 배출의 탄소 격리에 대한 적용 예가 기술된다. 측정, 모니터, 입증 및 회계(MVA)는 탄소 포획 및 저장(CCS) 프로젝트는 안전하고 신뢰성 있음을 보장하기 위한 가장 중요한 방식들 중의 하나로서 확인되어 왔다. 주입 유정, 부적절하게 밀봉된 폐유정, 또는 미확인/불량하게 특성화된 단층 및 파괴와 관련된 누출은 다양한 세기의 점, 라인 또는 면적 CO2 공급원을 생성할 수 있다. 그러므로, 요구되는 민감도 및 해상도를 갖는 신뢰성 있는 측정 및 모니터 시스템은 누출 시나리오의 범위에 대해 입수 가능해야 한다. CCS 위치로부터 잠재적인 CO2 누출의 검측 및 특성화는 배경 CO2 유출입량에 있어서의 커다란 시간 및 공간 편차로 인해 표면 부근 환경에서 어려울 수 있다(예: Oldenburg et al., 2003; Lewicki et al., 2005; 2009; Leuning et al., 2008). 또한, 소정 표면 CO2 누출 신호의 영역은 CO2 저장소의 총 면적(예: 약 100 km2) 보다 몇 배 더 적을 수 있으며, 상기 저장소 위에서 모니터링이 수행될 것이다. 결과적으로, 각각 배경 CO2 편차 및 총 조사 영역에 대해 잠재적으로 작은 크기 및 영역을 갖는 CO2 누출 신호를 검측, 배치 및 정량화하는 능력을 갖는 혁신적이고 진보된 모니터링 기술이 요구된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 13C 비가 생물 및 화석 연료 공급원 사이를 구분할 수 없음은 명백하다. 총 CO2 농도 데이터는 탄소 포획 및 저장 위치로부터 화석 연료 유도된 CO2의 누출을 명백하게 확인하는데 사용될 수 없다. 화석 연료에 대한 상이한 신호는 14C 비 단독에서도 명백하게 발견될 수 있다. 그러나, 대규모 탄소 격리 프로젝트로부터의 누출 평가에서 이해될 수 있는 바와 같이, 대부분의 경우 저장된 화석 연료 유도된 CO2의 누출은 국지적인 토양, 식물 및 수체를 통해 확산됨에 따라 생물 CO2와 혼합될 것이다. 다시 도 34를 참조하면, 탄소 격리 및 포획의 1차 목표는 가스 형태의 CO2가 발전 설비로부터 배출되거나 중앙 저장 설비로부터 파이프라인을 통해 수송됨에 따라 가스 형태의 CO2를 근본적으로 매장하는 것이다. 매장은 지상에서와 해저에서 매우 다양한 지질학적 형태로 수행될 수 있다. 그러나, 상기 접근법의 중추적인 특징은 매장 후 누출이 무시할 정도이고 매장 위치가 캡핑된다는 것이다. 대부분의 경우, 잠재적으로 영향을 받는 영역은 수 평방마일이므로, 다음과 같은 특징을 갖는 복합 시스템 접근법은 분산 적용에 매우 적합하다:
1) 에디 공분산(이상적으로는 약 1 내지 10Hz이지만 최대 100Hz일 수 있는 샘플링 속도), 선택된 가스 스트림, 지표 및 깊이에 따른 토양 가스 및 지하로부터 추출된 CO2에 대해 측정되는 화석 연료 CO2에 대한 14CO2 신호, 생물 CO2에 대한 13CO2 신호 및 총 12CO2를 제공한다;
2) 각각의 장치에 대해 비교 가능한 결과를 확보하기 위해 분석기들의 상호 보정된 네트웍을 갖춘다. 배치는 주입 위치의 지질학적 범위에 따라 좌우될 수 있으며 1평방마일당 1GMP으로부터 10 내지 20평방마일당 1GMP에 이르는 범위일 수 있다. 분석기들의 위치는 특히 누출에 불안정한 영역에 근접하게 배치될 수 있다(예: 유정 헤드, 단층).
3) 중앙 위치로 데이터를 송신하기 위해 원격 측정 시스템을 갖춘다;
4) 데이터 분석 및 모델 통합을 갖춘다.
상기 GMP 분석기는 유정 헤드(700, 701, 702), 토양 표면 유출입 체임버(710, 711), 몇 개의 깊이에서 매장된 토양 가스 수집 탐침(710, 711), 지하수로부터 추출한 CO2(703, 704), 국지적인 수체, 다운 홀 모니터링 위치, 및 숲 영역에서의 에디 유출입량 탑(708, 709)를 포함하는 특정 공급원으로부터의 샘플 라인에 의해 선택된 영역으로부터 가스를 수용할 것이다. 도 2에 따르면, 다중-동위원소 분석기를 사용하는 복합 시스템은 -1000/mil로부터의 14C 비를 갖는 순수한 화석 유도된 CO2 가스 및 현대의 14C 비(약 1 내지 50 / mil)를 갖는 예비 생물 유도된 CO2 뿐만 아니라 양 말단 멤버에 대한 혼합 라인을 따르는 블랜드를 구분할 수 있다.
13CO2에 대한 범위는 순수한 초지 배출(C4 풀)에 대한 약 -10/mil 내지 바이오매스로부터 유도된 전형적인 C3계 CO2를 나타내는 약 -30/mil이다. 도 34를 참조하면, CO2 누출은 단층(705, 706, 707)을 따라 발생할 수 있으므로, 심지어 매우 낮은 비율의 누출을 검측하기 위해서도 상술한 바와 같은 다양한 검측방법이 요구된다. 예를 들면, CO2 100,000톤의 총 격리량으로부터 1.0%, 0.1% 및 0.01%의 누출률은 각각 매년 1000톤, 100톤 및 10톤의 손실을 일으킬 것이다. 전술한 바와 같이, 매우 낮은 수준(예: ppm 미만)에서조차 14CO2의 샘플 농도는 극저온 트랩 방법을 사용하여 측정될 수 있으므로, 매우 낮은 수준에서 누출률을 효과적으로 측정한다.
따라서, 앞의 실시예(토양, 숲, 대양, 농업)에서 기술된 접근법의 조합은 화석 연료로부터 유도된 CO2의 누출을 명백하게 확인한 다음 매장하기 위해 조합 사용될 수 있다. 가스 샘플 위치의 배치는 유정 헤드, 다운 홀 및 지표 구조물에서의 파이프 구조물 가스 유동, 토양 표면 유출입량을 포함하는 지표 배치, 에디 공분산 탑 및 가스 토양 프로필의 깊이별 토양 샘플링을 포함할 수 있지만, 이로 제한되지는 않는다.
실시예
7: 연도 가스 탄소 배출권 거래
도 35를 참조하면, 발전 설비 및 기타 산업적 활동으로부터 생물 및 화석 연료 유도된 CO2의 상대 비율을 수립하기 위한 측정 및 모니터링의 예가 기술된다. 교토 의정서에 의해 명시된 바와 같은 기존 거래 체계에서 현재 확인되고 EU ETS 및 기타 거래 그룹에서 실행되는 주용 공급원 중에 발전 설비 배출이 있다. 그러나, 실제 배출 데이터가 이러한 공급원에 대한 1차적인 정보원인 것이 아니라, 오히려 추정치가 연소되는 연료의 유형, 연소 효율, 및 연료 연소 효율 및 연료 소모율 등에 관한 기타 인자를 토대로 사용된다. 따라서, 규제 프로그램 및 자발적 프로그램 하에 가장 가시적이고 직접적으로 정량화할 수 있는 CO2 배출의 지점 공급원에 대해, 예산 및 배출 보고를 입증하는데 실제 측정치가 일상적으로 사용되지는 않는다.
또한, 모든 바이오연료 사용은 "기후-중립성"으로 간주되어 CO2 배출 규제 또는 탄소 거래 상한제에 해당되지 않으므로 모든 유형의 바이오연료를 포함하는 생물 물질의 연소는 배출 책임을 감소시키는 중요한 접근법을 창출함이 점점 더 명백해진다. 따라서, 화석 이산화탄소 배출과 생물 이산화탄소 배출을 구분하기 위한 신뢰성 있는 연속식 유동 방법은 발전 설비 및 기타 산업적 활동에서 생물 공급원 물질을 사용하는 이들에게 매우 유용할 것이다. 현재, 고체 또는 액체로서의 공급원 물질은 STM D6866의 표준 방법에 따르는 전형적인 신틸레이션 계수 또는 가속기 질량 분광분석계(AMD)를 사용하는 수동식 14C 분석으로 분석된다(Staber et al. 2008; Reddy et al., 2008). 이러한 접근법에 적용 가능한 근거는 잘 이해되며, 도 2에 도식적으로 설명한 바와 같이 순수한 화석 유도된 CO2 및 순수한 생물 유도된 CO2로부터의 최종 구성원의 혼합을 토대로 한다.
연소시 생물 유도된 공급원 및 화석 유도된 공급원의 블렌드를 입증하는 측정법은 화학 조성과는 상관 없이, 예를 들면, 가솔린 블렌드의 재생 가능한 함량% 대 화석 함량%에 대한 직접 측정에 의존한다. 이와 같이 수행하면, 목탄 또는 천연 가스로부터 유도된 재생 가능한 에탄올 대 합성 에탄올을 함유하는 연료 블렌드가 확인된다. 따라서, 연도 가스를 샘플링하거나 액체 연료 블렌드를 직접 연소시킨 다음 생성된 CO2를 분석하는 복합 시스템이 유용하다. 재생 가능한 에탄올은 현대 식물로부터 합성되고 가솔린 자체는 화석 석유로부터 합성되므로, 상기 블렌드에 대한 조치는 상기 블렌드 중의 재생 가능한 양을 직접 정량화할 것이다. 예를 들면, 10% 재생 가능한 에탄올을 함유하는 블렌드는 10% 재생 가능한 함량의 결과를 제공하는 반면, 10% 합성 에탄올을 함유하는 블렌드는 0% 재생 가능한 함량의 결과를 제공하지만, 두 경우 모두 10% 에탄올이 가솔린 블렌드에 존재한다. 이러한 특성화는 생물-에탄올 사용에 숨겨진 근간이 되는 의도를 지지한다. 이는 또한 진정으로 입증 가능한 에탄올 근원의 부재하에 국내 이해관계인에 대한 보호를 추가한다. 상기 복합 시스템으로 사용되는 접근법은 윤활제와 같은 바이오-디젤 및 바이오-디젤 유도된 제품의 입증에도 사용될 수 있다. 정적 공급원 연소를 사용함에 따라, 연소 공정 동안 CO2를 생성시키는 임의의 산업적 프로세스는 배출되는 총 CO2의 탄소-중립적 분획을 추정하기 위해 상기 복합 시스템을 사용할 수 있다.
CO2를 방출하는 일부 산업적 프로세스는 알루미늄 생산, 암모니아 생산, 시멘트 생산, 클링커 생산(석회 생산으로부터 배출되는 CO2 포함), 금속 생산, 수소 생산, 메탄올 생산, 철 및 강철 생산, 및 소다회 생산을 포함하지만 이로 제한되지는 않는다.
기타 제조방법은 폐기물을 연소시켜 전기를 발생시키면서 부산물로서 CO2를 방출한다. GMP는 상기 설비 내부의 탄소-중립성 CO2를 정량화한다. 폐 물질 및 폐수 슬러지의 연소물이 연소된 폐기물의 예이다.
폐기물을 연소시켜 전기를 생성시키는 산업의 예는 종이/펄프 및 의료 폐기물 분야이다. 작물 잔사 연소는 모니터링 목적으로 GMP를 사용할 수 있는 또 다른 농업적 적용이다. 예를 들면, 에탄올 생산시 작물 잔사의 연소는 탄소 배출권의 새로운 공급원을 제공하면서 GMP로 측정 및 모니터될 수 있다. 정적인 공급원 연소를 사용함에 따라, 상기 연소 공정에서 방출되는 탄소-중립적 CO2가 측정될 수 있다.
이산화탄소 유출물에 대한 "바이오매스 CO2 함량"을 유도하기 위한 GMP의 적용은 바이오매스 탄소를 함유하는 제품의 생물계 함량을 유도하기 위해 미국 농업국에 의해 사용되는 것과 일부 유사한 개념 위에 세워진다. 이는 공지되지 않은 샘플 중의 방사성탄소(14C)의 상대량을 현대 기준 표준의 상대량과 비교함으로써 수행한다. 동시대의 바이오매스의 비는 100%일 것이고, 화석 물질 중의 비는 0일 것이다. 현재 바이오매스와 화석 탄소의 혼합물의 연소로부터 유도된 이산화탄소는 연소된 바이오매스 탄소와 생성된 탄소-중립적 CO2의 양과 직접 상호관련되는 GMP 결과를 제공할 것이다.
상기 GMP는 국립 표준 및 기술 협회(NIST)에 의해 제공되는 현대 기준 표준에 대해 서기 1950년에 대한 100% 동시대 탄소의 규정된 방사성탄소 함량으로 보정될 수 있다. 서기 1950년은 선택되는데, 그 이유는 1950년이 다량의 과잉 방사성탄소가 각각의 폭발(일명 "폭탄 탄소")로 대기 중에 도입되는 열-핵무기 시험 이전의 시간을 대표하기 때문이다. 이러한 과잉 폭탄 탄소가 무기 시험의 증감에 따라 변하기 때문에 이는 기준으로 사용되는 시간면에서 타당한 시점이었다. 특정 양태에서, 이러한 효과에 대한 고정된 교정은 특정하게는 약 1996년 이래로 대기 중의 CO2 저장소로부터 제거된 탄소에 적용하면서 GMP당 적용될 것이다.
GMP 결과는 직접적으로 소각 유출물 중의 탄소-중립적 CO2%에 관한 것이다. CO2 유출물에 대해 측정된 71% 재생 가능한 함량의 값은, 상기 배기된 CO2의 71%가 바이오매스에 기인함(29%는 화석 연료에 기인함)을 지시할 것이다. 이는 바이오매스 중량이 연소되거나 화석 연료의 중량이 연소됨을 나타내지 않는다. 이는 상기 연료의 중량이 단지 간접적으로 대기로부터 이산화탄소의 흡수에 관한 것이므로 유리하다. 호흡 흡수 화합물은 이산화탄소이고 연소 유출물은 이산화탄소이다. 상기 GMP 결과가 직접적으로 특정하게, 연소되거나 방출된 생물/탄소-중립적 CO2에 관한 것일 것이다.
본원에서, 본 발명자들은 도 35를 참조하는 특정한 적용예를 설명한다. 실제 연료 혼합물 중의 바이오디젤의 용적/용적 블렌드 %는 다음과 같이 이의 14C 함량을 근거로 하여 추정될 수 있다. 우선, 현대(생물학적) 성분 및 화석(석유디젤) 성분에 관한 연료 블렌드의 탄소를 사용하여 Δ14C 질량 수지를 쓴다:
Δ14C혼합물 = FC,생물Δ14C생물 + (1-FC,생물)Δ14C석유 (등식 1)
위의 등식 1에서, Δ14C혼합물 은 기존 측정법 또는 AMS 방사성 탄소 측정법을 통한 바이오디젤 블렌드의 14C 함량 측정치이다. Δ14C생물은 바이오디젤 제조에서 사용되는 몇 가지 전형적인 소매 지방 및 오일 공급원의 평균 측정치로서 취해질 수 있다 - 이 경우, 본 발명자들은 2004년도에 수집된 평균 범위 55 내지 66o/oo를 제시하면서 북미에서 현대 옥수수에 대해 보고된 값에 일치하는 62±7 o/oo의 값을 취하였다(Huseh et al., 2007).
상기 Δ14C석유는 화석 연료 성분의 방사성 탄소 측정 분야의 숙련가에게 익히 공지되고 도 2에 보고되어 있는 바와 같이 석유 최종 구성원의 측정과 일치하는 -1000o/oo에서 고정되었다. 추가로, FC,생물 은 생물학적 성분들로부터 유도된 총 혼합물 탄소의 질량 분율이다.
따라서, (등식 1)을 재배열하면, FC,bio 는 다음과 같이 표현될 수 있다:
FC,생물 = Δ14C혼합물-Δ14C석유 / Δ14C생물 - Δ14C석유 (등식 2)
등식 2는 상기 샘플 연료 블렌드 중의 생물학적 탄소의 비율(FC,생물)이 상기 샘플의 Δ14C혼합물 측정치, 및 상기 최종 구성원 물질의 이전에 공지된 FC,생물 및 Δ14C석유 값을 토대로 용이하게 측정될 수 있음을 보여준다. 본 발명자들은 Δ14C석유 (-1000o/oo) 및 Δ14C생물(62±7 o/oo)이 FC,생물의 편차가 Δ14C혼합물 측정치에 의해 완전히 설명되도록 타당하게 일정한 최종 구성원을 나타냄을 추정하였다.
그러나, 실제로, B100 바이오디젤 생산의 특정 예를 미국 및 유럽으로 취하면서 지방산으로부터 메틸 에스테르로의 에스테르교환 단계(FAME - 바이오디젤을 위한 일반적인 혼합물)가 화석 메탄올을 사용한다는 점에서 약간의 복잡한 현상이 일어날 수 있다. 예를 들면, C18 FAME의 경우, 18/19의 탄소(지방 쇄)는 지방 및 오일로부터 기인하며, 나머지 1/10(메틸 탄소)는 석유 유도된다. 따라서, FC,생물를 B100 최종 구성원에 보다 정밀하게 연관시키기 위해, 하기 등식이 정의될 수 있다:
FC,B100 = FC,생물 / RC,생물/B100 (등식 3)
위의 등식 3에서, FC,B100은 바이오디젤 블렌드에서 B100 탄소의 질량 분율이고, RC,생물/B100은 순수한 성분 B100 중의 총 탄소에 대한 생물학적 탄소의 비이다. 따라서, 연료 블렌드 중의 블렌드%(v/v)는 다음과 같이 계산될 수 있다:
B* = 100 [V B100 / V B100+V 석유] (등식 4)
위의 등식 4에서, V B100 및 V 석유 는 연료 블렌드의 대조용 용적에서 각각 생물학적 및 석유계 성분들의 확장 용적이다. 상기 개별적인 성분 용적은 이후 다음과 같이 표현될 수 있다:
Vx = [mC,x+mH,x+mO,x / Fx] (등식 5a)
상기 등식 5a는 하기 등식 5b와 동일시된다:
mC,x /Fx [ 1+ mH,x/mC,x + mO,x / mC,x) (등식 5b)
위의 등식에서, mC,x, mH,x, 및 mO,x는 상기 블렌드 대조용 용적에서 성분 x에 대해 각각 탄소, 수소 및 산소의 총 질량이고, Fx는 성분 x의 밀도이다.
단순하게 언급하자면, 다음과 같이 기술할 수 있다:
θC,B100 = (1+ mH,B100 / mC,B100 + mO,B100 / mC,B100) (등식 6)
및,
θC,석유 = (1+ mH,석유 / mC,석유) (등식 7)
위의 등식에서, θC,B100 및 θC,석유는 각각 생물학적 성분 및 석유계 성분 중의 탄소와 비교한 수소 및 산소의 질량 존재비를 특성화한다. 등식 4 내지 7을 조합하고 재배열하면, 바이오디젤의 v/v 블렌드% 계산치 B*는 다음과 같이 재기술될 수 있다:
B*=100/[1+(FB100/F석유)(θC,석유/θC,B100)(mC,석유/mC,B100) (등식 8)
이제, mC,석유/mC,B100 = (RC,생물/B100/FC,생물 - 1)임을 인지하면, (등식 8)은 다음과 같이 (등식 9)로 표현될 수 있다:
B* = 100/[1+ (FB100/F석유)(θC,석유/θC,B100)(RC,생물/B100/FC,생물-1)] (등식 9)
위의 등식에서, FB100, F석유, θC,B100, θC,석유, 및 RC,생물/B100은 2개의 순수한 성분 액체(B100 및 석유디젤의 특성이며, 따라서 FC,생물은 블렌드 함량 계산치 B*를 제어한다. 문헌 통계(예: Reddy et al., 2008)를 토대로 소매 B100 및 석유디젤 제품의 데이타 편집으로부터 계산되는 평균치를 사용하여 FB100, F석유, FC,B100, FC,석유, 및 RC,생물/B100 을 파라미터화할 수 있다. 그러므로, (등식 9)는 지정된 규범적 연료 블렌드에 대한 보정을 필요로 하지 않으며, 오히려 광범위한 공급원 물질에 대해 비교적 안정한 순수-성분 특성으로 파라미터화될 수 있다. 따라서, (등식 9)는 단순히 FC,생물 측정치(등식 2)를 토대로 하는 임의의 현실적인 연료 블렌드의 바이오디젤 함량을 정확하게 추정할 수 있다.
공개된 문헌(Reddy et al., 2008)에 공개된 광범위한 소매 석유디젤 및 B100로부터의 FB100, FB100, F석유, θC,B100, θC,석유, 및 RC,생물/B100 특성값의 간단한 평균을 사용하여 (등식 9)를 파라미터화함으로써 추가의 단순화를 이룰 수 있다. 이러한 입력 파라미터를 사용하여, (등식 9)는 다음과 같이 추가로 간략화된다:
B* = 100/[(0.869/FC,생물) + 0.0813](등식 10)
위의 등식 10에서, 집중 파라미터 0.869 및 0.0813은 무차원이다. 명백히 하자면, "B*"라는 표기는 블렌드 함량 계산치를 지정하기 위해 사용된다.
따라서, 도 35에 도시된 예에서, GMP(800)는, -1000o/oo의 14C의 석유디젤 성분(803) 및 + 59 o/oo의 전형적인 식당 식용유 지방으로 이루어진 생물 성분(804)를 갖는 연소 체임버(802)를 통해, 석유디젤 및 생물 탄소의 혼합물로부터 생성된 적재 연도 가스를 수용하기 위해 설치되며, 블렌드(805) 또는 B*는 상기 등식들에 따라 19.4%±0.6%인 것으로 계산될 수 있다(Reddy et al., 2008). 이와 같이 수득한 데이터를 역시 상기 적재물에서 이루어진 용적 유량 측정치와 조합하여 대기에 방출된 화석 탄소 및 생물 탄소의 총량을 제공할 것이다. 설명을 하기 위해, 본 발명자들은 80미터톤의 화석 이산화탄소와 20미터톤의 생물 이산화탄소가 방출된 것으로 추정한다. 따라서, 하나의 설비에 대해 소정의 공간 범위에 거쳐서 시간 경과에 따라 이와 같이 계산된 배출량의 지정은 다음과 같이 이루어질 수 있다:
+ 14C 단위: 80미터톤.
+ 13C 단위: 20미터톤.
지역 또는 회사에 의한 발전 설비의 임의 그룹은 상기 연소 공정에 비-화석 공급원 탄소의 연속적이고 정확한 기록을 제공하도록 GMP 네트워크에서 조합될 수 있다. 이러한 용법에서 GMP는 생물 연료와 화석 연료를 혼합하는 발전소가 비-화석쪽으로 편향된 데이터를 보고할 수 있으므로 사기를 억제할 것이다.
가격 책정은 시장 거래 조건 및 기타 요인과 관련하여 상응하게 적용될 수 있다.
따라서, 문헌에서 실행되던 익히 공지된 방법과 결부된 상술한 바와 같은 복합 시스템 장치는 온실 거래, 규제 또는 준수 체제를 위한 또는 자발적 배출 감축, 예산 및 정책 입안을 위한 시장 중심 시스템에서 사용되는 탄소의 동위원소 통제 유닛을 토대로 효과적으로 측정, 모니터, 보고, 종합 및 화폐화하는데 사용될 수 있다.
실시예
8:
범지구
방사성 탄소 예산 및 핵 연료 사이클
14CO2 에 대한 높은 데이터 속도 및 높은 정밀도를 제공하는 GMP의 광범위한 배치의 결과로서 범지구 방사성 탄소 예산 자체가 개선된다. 이러한 예산은 범지구 핵 연료 사이클을 생성시키는 포텐셜을 제공하고 불량한 핵 발전 설비를 검측하면서 핵 발전을 모니터링하는 데 적용된다. 이는 트리튬 및 14CO2의 방사성 핵종을 방출하는 핵 발전 설비의 운용 및 연료 리프로세싱 동안 발생하는 익히 공지된 반응으로부터 따른다(Yim and Caron 2006). 폭탄 펄스 후의 14C의 펄스가 익히 공지되어 있지만(예: Broecker 200), 배경 14C는 현재 자연적인 수준에 가깝고(Broecker 2007) 핵반응기로 인한 14C의 생성은 자연적인 수준의 약 0.3%인 것으로 추정된다(Park et al., 2008). 따라서, 핵 반응기가 운용되는 영역에서 이러한 반응기로부터 14C의 추가는 이러한 설비의 프로세싱 활동을 특성화하는데 사용될 수 있다. 탄소-14는 핵 반응기 기본 시스템의 거의 모든 부분에 존재하며 높은 생성률을 갖는다. 이는 가스상 및 액상 방전을 통해, 그리고 고체 방사성 활성 폐기물의 폐기를 통해 환경에 방출된다. 핵 발전 활동이 직접 14CO2를 내장하기 어려우므로 모든 핵 발전 활동은 14CO2를 배출할 것이다(예: Yim and Caron 2006). 이러한 핵 발전 설비가 존재하지 않는 영역에서, 배경 수준보다 높은 14C의 검측은 상기 면적을 커버하는 GMP의 앙상블을 사용하여 GMP의 현재 검측 능력의 2/mil 범위 내에서 가능해야 한다. 러셀-데베(Roussel-Debet) 등(2006)은 핵 반응기 활동 기간 동안 14CO2 의 검측이 실현 가능함을 제시하면서 10년에 걸쳐서 핵 발전소 주변에서 식물 물질의 14C 값이 최대 123/mil라고 보고한다. 이상적인 조건하에, 감독기관 없이 운용하는 핵 발전소는 용이하게 확인되어야 한다. 지하수로부터 CO2의 제거 및 GMP에 의한 14CO2에 대한 후속적인 분석은 또한 지하수 공급원으로부터의 가스 배출 또는 이러한 시설로부터의 방출 스트림으로부터의 가스 배출의 분출에 의한 특정한 검측 경로를 허용한다.
다수의 방사선 핵종 및 분석이 핵 발전 활동의 감시 및 협약 규정의 입증을 위해 수행되지만(예: Gitzinger et al., 2007), 이들은 감마선 및 중성자 방출 물질 두 가지 모두에 대해 검측기의 수 및/또는 검측기의 영역에 따라 상기 공급원에 대해 약 25m의 밀접한 근접성을 요구한다(Kallman 2008). 핵 발전으로부터 방출된 14CO2 의 생성 및 배출은 익히 공지되어 있지만, 전세계 반응기에 대해 추정되어 왔다(예: Davis 1977; Yim and Caron 2006). 다수의 연구는 핵 반응기 주변 영역으로부터의 식물 샘플 중의 14C에 대해 샘플링하고(예: Korashi et al., 2006; Dias, C.M., et al., 2008), 비등수 반응기 및 가압수 반응기를 포함하는 다양한 반응기 형태로부터의 14CO2의 방출에 기인한 배경 수준을 제공하여 왔다(Yim and Caron 2006). 그러나, 가스상 CO2로서 14CO2의 측정은 부족하다. 따라서, 본원에 기재된 바와 같은 복합 시스템은 핵 발전소로부터의 주요 배출물 중의 하나인 14CO2(이는 핵발전소의 사용이 보다 널리 채택됨에 따라 증가할 것이다)를 측정 및 모니터하기 위해 실행 가능한 접근법을 구성한다. 복합 시스템을 다음과 같은 특징을 가질 것이다:
1) 에디 공분산(이상적으로는 약 1 내지 10Hz이지만 최대 100Hz일 수 있는 샘플링 속도), 선택된 가스 스트림, 지표 및 깊이에 따른 토양 가스 및 지하수로부터 추출된 CO2에 대해 측정되는 화석 연료 CO2에 대한 14CO2 신호, 생물 CO2에 대한 13CO2 신호 및 총 12CO2를 제공한다;
2) 각각의 장치에 대해 비교 가능한 결과를 확보하기 위해 분석기들의 상호 보정된 네트웍을 갖춘다. GMP 밀도 및 배열은 국지적인 조건에 따라 좌우될 것이지만, 에디 공분산에 대한 공급원 신호는 배경 14C를 약 5 내지 10/mil로 취하면서 +2 내지 +200/mil의 범위 내에서 검측되도록 설정한다;
3) 중앙 위치로 데이터를 송신하기 위해 원격 측정 시스템을 갖춘다;
4) 데이터 분석 및 모델 통합을 갖춘다.
14CO2를 정량화하기 위한 복합 시스템의 용도는 상기 복합 시스템이 탄소 포획 및 저장에 사용되는 것과 많이 동일한 방식으로 핵 발전 설비를 측정, 모니터, 입증 및 회계하기 위해 적용될 수 있다. 다양한 에디 공분산, 지하수 CO2 샘플링, 지점 위치(예: 반응기 기반시설의 상이한 부분들) 및 토양 CO2 샘플링 위치는 핵 설비 부근에 배치될 수 있다. GMP의 특정 정렬 및 배열은 소정 설비 및 기타 인자에 허용되는 근접성인 발전소 신호의 공급원 강도, 에 따라 좌우될 것이다. 복합 시스템에 대한 요구는 식물 샘플 위치로의 직접 접근성에 따라 좌우되는 기존의 핵종 분석에 비해 소정 영역의 다면적 샘플링에서 취해지는 접근법에 의해 인식되었다. 상기 복합 시스템은 잠재적으로 장거리 모니터링이 제공되면 수조 달러의 비용으로 추정되는 항-중성미립자 검측에 비해 비교적 저렴한 경로일 수 있다(예: Guillian 2006).
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기타 양태들이 기능, 방법 및 계기 배치면에서 변화를 주면서 생성될 수 있으며 다양한 변형이 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 결정되어야 하며 상술한 예시 양태에 한정되지 않아야 한다.
Claims (113)
- 하나 이상의 숲에서 생물(biogenic) 및 화석 탄소 유동(flux)을 별도로 정량화하는 대기 관리 및 거래를 위한 데이터 산물들(products)을 생성하기 위한 시스템 복합 시스템(system of systems)으로서,
(a) 상기 하나 이상의 숲 전체에 걸쳐서 미리 결정된 대표적인 위치들에 배치되는 분석기들의 어레이(여기서, 각각의 분석기는 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치, 하나 이상의 숲 공기 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 개별량들을 측정하는 샘플 체임버, 상기 14C 레이저 장치를 조절하는 조절기, 및 미리 결정된 시간 기간 동안 1 ㎐ 이상의 속도에서 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 측정들을 허용하는 타이머를 포함한다);
표준 기준 기준선(standard reference baseline)을 수득하고, 상기 표준 기준 기준선에 기초하여 상기 분석기들 각각으로부터의 상기 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 측정량들을 보정하기 위한 표준 기준 가스 모듈; 및
상기 분석기들 각각으로부터의 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 측정량들, 상기 표준 기준 기준선, 및 상기 12C, 13C 및 14C의 보정된 측정량들 중 하나 이상을 데이터 프로세싱 시스템에 송신하기 위한 원격측정 장치;
를 포함하는, 상기 하나 이상의 숲에서의 탄소 데이터를 수집하기 위한 탄소 데이터 수집 시스템;
(b) 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치, 및 범지구 기준 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 개별량들을 측정하기 위한 범지구 기준 샘플 전지를 포함하는 범지구 기준 시스템;
(c) 상기 탄소 데이터 수집 시스템의 분석기들로부터의 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 측정량들을, 상기 범지구 기준 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 상기 측정량에 기초하여 표준화함으로써, 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 표준화된 양들을 수득하기 위한 보정 시스템; 및
(d) 상기 분석기들 각각으로부터의 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 측정량들, 상기 표준 기준 기준선, 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 표준화된 양들, 및 상기 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 보정된 측정량들 중 하나 이상을, 상기 하나 이상의 숲에서 생물 및 화석 탄소 유동을 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물들로 전환하기 위한 데이터 프로세싱 시스템;을 포함하는 시스템 복합 시스템. - 제1항에 있어서, 각각의 분석기는 표준 기준 가스 모듈을 포함하는, 시스템 복합 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 범지구 기준 시스템은 위성에 배치되는, 시스템 복합 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 분석기들의 어레이는 25개 초과의 분석기들을 포함하고; 임의적으로는 상기 분석기들의 어레이가 100개 초과의 분석기들을 포함하고, 임의적으로는 상기 미리 결정된 대표적인 위치들은 임관(forest canopy) 위, 임관 아래 및 임상(forest floor)을 포함하는, 시스템 복합 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 타이머는 최대 100 ㎐의 샘플링 주파수에서 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 측정들을 허용하는, 시스템 복합 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 대표적인 위치들은 별개의 숲 영역들의 경계들을 포함하며, 상기 경계들은 온실가스 조약 또는 온실가스 모니터링을 요구하는 기타 협약을 규정하는 지역, 주, 주들의 그룹, 경계 배열을 포함하는, 시스템 복합 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 데이터 프로세싱 시스템은, 상기 데이터 프로세싱 시스템 중의, 상기 분석기들 각각으로부터의 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 측정량들, 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 표준화된 양들, 상기 표준 기준 기준선, 및 상기 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 보정된 측정량들을, 상기 하나 이상의 숲에서 생물 및 화석 탄소 유동을 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물들로 전환하기 위해, 생물 및 화석 연료 탄소에 대해 파라미터로 나타낸 하나 이상의 전환 시스템을 포함하는, 시스템 복합 시스템.
- 숲 공기 중의 생물 및 화석 탄소를 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물들을 생성하기 위한 방법으로서,
(a) 하나 이상의 숲 전체에 걸쳐서 미리 결정된 대표적인 위치들에 분석기들의 어레이를 배치하는 단계(여기서, 각각의 분석기는 12C 레이저 장치, 13C 레이저 장치, 14C 레이저 장치, 및 샘플 체임버를 포함한다);
(b) 상기 분석기들의 샘플 체임버들에서 하나 이상의 숲 공기 샘플을 수집하고, 미리 결정된 시간 기간 동안 1 ㎐ 이상의 샘플링 주파수에서 상기 샘플에 함유된 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 개별량들을 측정하는 단계;
(c) 표준 기준 가스 모듈을 사용하여 표준 기준 기준선을 수득하는 단계;
(d) 상기 표준 기준 기준선을 기초로 하여 상기 분석기들 각각으로부터의 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 측정량을 보정하는 단계;
(e) 범지구 기준 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 측정량들을 기초로 하여 상기 하나 이상의 숲 공기 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 측정량들을 표준화하는 단계;
(f) 상기 분석기들 각각으로부터의 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 측정량들, 상기 표준 기준 기준선, 상기 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 보정량들, 및 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 표준화된 양들 중 하나 이상을 데이터 프로세싱 시스템에 송신하는 단계; 및
(g) 상기 데이터 프로세싱 시스템 중의, 상기 분석기들 각각으로부터의 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 측정량들, 상기 표준 기준 기준선, 상기 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 보정된 측정량들, 및 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 표준화된 양들 중 하나 이상을, 상기 숲에서 생물 및 화석 탄소 유동을 별도로 정량화하는 거래 가능한 산물들로 전환하는 단계;를 포함하는 방법. - 제9항에 있어서, 상기 표준 기준 기준선은 각각의 분석기에서 수득되는, 방법.
- 삭제
- 제9항에 있어서, 상기 범지구 기준 샘플은 위성에 배치되는, 방법.
- 제9항에 있어서, 25개 이상의 분석기들이 상기 하나 이상의 숲 전체에 걸쳐서 미리 결정된 대표적인 위치들에 배치되고; 임의적으로는 100개 이상의 분석기들이 상기 하나 이상의 숲 전체에 걸쳐서 미리 결정된 대표적인 위치들에 배치되고; 임의적으로는 상기 미리 결정된 대표적인 위치들은 임관 위, 임관 아래 및 임상을 포함하는, 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 숲 공기 샘플 중의 12C, 13C 및 14C 동위원소들의 양들은 최대 100 ㎐의 샘플링 주파수에서 수집 및 측정되는, 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 미리 결정된 대표적인 위치들은 별개의 숲 영역들의 경계들을 포함하며, 상기 경계들은 온실가스 조약 또는 온실가스 모니터링을 요구하는 기타 협약을 규정하는 지역, 주, 주들의 그룹, 경계 배열을 포함하고; 및/또는
상기 전환하는 단계는 생물 및 화석 탄소에 대해 매개변수로 나타낸 하나 이상의 전환 시스템을 사용하여 수행되는, 방법. - 삭제
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