RU5249U1 - Камера для измерения эмиссии метана с болот и затопленных почв - Google Patents

Description

Камера для измерения эмиссии метана с болот и затопленных почв. Предлагаемая полезная модель относится к технике измерения газовых потоков и предназначена для измерения эмиссии метана (ЭМ) с пр1фодных объектов - болот, как мощных неантропогенных источников парникового газа - метана, оказывающего глобальное влияние на изменение климата. Основная область использования - экология. На настоящий момент наиболее точным методом измерения ЭМ с болот и затопленных почв тундры (погрещность измерений в ряде случаев - до единиц процента) является статический камерный. Известные камеры для измерения ЭМ этим методом представляют собой емкость, герметично изолированную от ачилосфери и с открытой снизу поверхностью, например колпак. Наиболее близкой к заявляемой является камера, содержащая цилиндрический корпус с открытым основанием, крышку, герметично соединенную с корпусом, и газоотводные трубки для отбора проб из камеры 1. Пршщип измерения ЭМ такой камерой заключается в следущем. На участок болота (обычно, площадью не более I кв.м) в момент времени (точка отсчета) устанавливается открытым основанием камера. В корпусе камеры образуется герметичный объем. За счет ЭМ через открытое основание средняя концентрация метана в камере возрастает линейно со временем 2. С - С(0) (ocH.)t/V(k)(1) где: С - средняя по объему концентрация метана в камере в момент времени t; 0(0)- начальная концентрация метана при М. кл. GOIF 1/76 GO IN 1/22.

J - ЭМ (поток метана через единицу площади основания в единицу времени);

S(ocH.) - площадь основания;

V(k) - объем камеры.

Надежно установлено, что в камерах объемом несколько десятков литров естественная конвекция, как правило, эффективна и устраняет неоднородности распределения текущей концентрации метана по объему камеры и не требуется принудительное перемешивание объема камеры (сравнение статических камер без перемешивания и с перемешиванием воздуха в камере вентилятором в зарубежной литературе - динамическая камера исследовалось в 21 ив пределах разброса экспериментальных данных оба способа дали совпадающие результаты).Цикл измерений ЭМ включает отбор газовых проб из объема камеры через определенные интервалы времени, последующий анализ на содержание метана, определение зависимости С от t и расчет величины J из (1). Отбор всех проб из статической камеры обычно проводится (в зависимости от величины ЭМ) в интервале времени от 0.5 до 2 часов. Требуется, по крайней мере, три отбора пробы за один эксперимент, чтобы построить экспериментальную зависимость С от t. После отбора всех проб камера разгерметизируется (снимается крышка с основания), проветривается для удаления накопившегося метана и камера готова для следующего цикла измерений.

Однако, измерение эмиссии метана такими камерами имеет следующие недостатки:

I. Оператор при отборе проб из камеры вынужден находиться рядом с камерой на расстоянии от I до 3 м (в зависимости от длины газоотводных трубок). Как показала практика измерений ЭМ, в ряде случаев колебания поверхности растительного покрова болот за счет веса и перемещений оператора вблизи камер вызывает выдавливание пузырей с большим содержанием метана в основание камеры и неправильному измерению исти иной величины ЭМ. Из-за плотного растительного покрова эти возмущения за счет веса оператора визуально трудно заметить. С другой стороны, факт некорректного измерения ЭМ (выбросы на линейной зависимости С от t) устанавливается после проведения эксперимента и анализа отобранных проб. Эта неконтролируемая во время измерений и непрогнозируемая случайная вероятность полного брака в отдельных экспериментах - является недостатком техники измерений статическим камерным методом. 2. Очень важной научной и прикладной задачей при проведении измерений ЭМ на болотах, последующей надежной оценки величины средней ЭМ с данной экосистемы является необходимость исследования временной динамики ЭМ. Из многолетних наблюдений как в России 1, так и за рубежом 3 следует, что ЭМ (как на выделенном участке болота, так и на всем болоте) - непостоянна. Она случайно изменяется в пределах 1.5 - 2 раза от средней, наряду с редкими аномальными по величине выбросами метана. В период аномальных выбросов метана ЭМ возрастает в десятки и сотни раз 1,3. Причина флуктуации ЭМ на настоящий момент не установлена. Поэтому, для корректной оценки истиной величины средней ЭМ необходимы круглосуточные измерения ЭМ на длительном интервале времени (до I - 2 летних месяцев). Выполнение этой программы работ при использовании техники статических камерных измерений требует круглосуточного дежурства группы исследователей в течение 1-2 месяцев непосредственно на болотах. Это требование является серьезным недостатком при исследовании труднодоступных и удаленных от стационара болот, поскольку необходимы больщие материальные затраты для организации круглосуточного проживания и работы группы сотрудников на месте исследований. Принципиально возможна автоматизация отбора проб при использовании различных вариантов электропитания в технике камерных измерений: а) подведение электрического напряжения через кабели от стационарной линии электропередачи, 0) использование переносных бензиновых электростанций, в) использование аккумуляторов. Хотя разработка и использование таких автоматизированных камер устранит вышеуказанные недостатки, однако они, кроме существенного усложнения конструкции, будут также очень дорогими и будут требовать повышенного внимания при эксплуатации. По-видимому, только этими обстоятельствами можно объяснить отсутствие в открытой печати данных по разработке и использованию автоматических камер для измерения ЭМ. Задачей полезной модели является разработка простой в изготовлении конструкции камеры для автоматического круглосуточного измерения динамики ЭМ на болотах и затопленных почвах путем автоматизации отбора и консервации заданного количества проб по заданной временной программе без использования электропитания. Поставленная задача решается предложенным вариантом исполнения камеры для измерения ЭМ на болотах и затопленных почвах. Эта камера представляет собой корпус с открытым основанием с одной стороны, и герметично стыкуемой с корпусом крышкой с противоположной стороны. В отличие от прототипа (статическая герметичная камера) крышка предложенной камеры содержит капиллярные отверстия заданных диаметра и длины, обеспечивающие диффузию метана из камеры в атмосферу с сохранением равенства потоков метана через открытое основание в камеру за счет ЭМ и через капиллярные отверстия из камеры в атмосферу за счет диффузии метана, а в корпусе на жестко зафиксированных по заданному радиальному размеру упорах с помощью петель подвешены емкости для отбора проб метана из объема камеры, а также установлен часовой механизм, регулирующий во времени процесс отбора пробы в каждую емкость путем ее сбрасывания с упора через заданные промежутки времени. Для сбрасывания емкостей с упоров вал часового механизма снабжен сбрасывателем, жестко закрепленным на уровне середины петель. Каадая ем кость для отбора пробы метана снабжена пробкой с отверстием и водяным затвором. Верхний конец емкости соединен с петлей для подвешивания на упоре в положение пробка наверху, а нижний конец закреплен в корпусе с возможностью переворота емкости из положения пробка наверху в положение пробка внизу и наоборот. Емкость для отбора пробы может быть выполнена в виде флакона с горлышком, например, медицинского пузырька. В качестве водяного затвора может быть использована вода или насыщений раствор хлористого натрия (NaCI) в воде. Использование воды в качестве водяного затвора обусловлено двумя причинами: во-первых, низким коэффициентом диффузии метана в воде - в 10000 раз меньшем, чем в воздухе, и во-вторых, крайне низкой растворимостью метана в воде. Экспериментально было установлено, что в перевернутом флаконе (в положении пробка внизу) вода не выливается через отверстие в пробке и сохраняется во флаконе более суток без заметного изменения уровня. В насыщенном растворе NaCI растворимость метана близка к нулю, что позволяет использовать его, как и воду, в качестве надежного водяного затвора с большим временем консервации. Оценки показали, что водяной затвор с высотой столба жидкости до 2 см надежно консервирует состав газовой фазы в перевернутом флаконе. Для удобства эксплуатации камеры емкости для отбора проб, упоры для их подвешивания и часовой механизм смонтированы на отдельной раме, которая устанавливается в корпусе с возможностью извлечения из него. На фиг. I схематично изображена новая камера для измерения ЭМ с болот и затопленных почв, на фиг. 2 показано положение емкости (флакона) до начала отбора пробы (а) и после отбора пробы (б). Камера для измерения ЭМ с болот и затопленных почв (фиг. I и 2) содержит корпус I, крышку 2 с капиллярными отверстиями 3, флаконы для отбора проб метана 4 и часовой механизм 5, на валу 6 которого закреплен проволочный сбрасыватель 7. Каждый флакон имеет резиновую пробку 8 с отверстием и с помощью проволочной петли 9 подвешен на упоре 10 в положение пробка наверху. На дне флакона закреплено ушко II с осью 12, неподвижно связанной с рамой 13. Упоры 10 расположены в корпусе I по окружности по заданному радиальному размеру и жестко зафиксированы на неподвижном диске 14, закрепленном на раме 13, которая подвешена в корпусе на упорах 15.

В конкретном варианте исполнения использовался часовой механизм от волосного гигрометра, который вращает вал со скоростью I оборот за 26 часов 4, в качестве емкостей для отбора проб метана использовались 12 медицинских флаконов объемом 30 мл, предварительно на 3-4 мл (около 2 см) заполненных водой, которые подвешивались на 12 одинаковых по размеру упоров, размещенных в корпусе по окружности с углом между двумя упорами 30 градусов., пробки флаконов имели отверстие мм.

Измерение ЭМ предложенной камерой проводят следующим образом.

Заводят часовой механизм 5, отмечают положение сбрасывателя 7 и нумерацию флаконов 4. Камеру закрывают крышкой 2 и открытьвд основанием корпуса I погружают на некоторую глубину исследуемого участка болота. Поскольку объем камеры сообщается с атмос(рой через капиллярные отверстия 3 в крышке, то через некоторое время At (постоянная камеры) поток метана через эти отверстия из камеры в атмосферу становится равным потоку метана в камеру через открытое основание за счет ЭМ и в объеме камеры I устанавливается стационарная (постоянная и однородная за счет конвекции в объеме камеры) концентрация метана. Через отверстия в резиновых пробках 8 происходит диффузия метана во флаконы 4 и состав газовой фазы внутри флакона, находящегося в положении пробка наверху, соответствует текущему составу газа внутри камеры. При вращении вала 6 сбрасыватель 7 последовательно подходит к проволочной петле 9 каждого флакона 4 и тащит ее по упору 10 до тех пор, пока петля не соскочит с него. Тогда флакон, вследствие заданного изначально отклонения его центра тяжести от вертикали при размещении в камере I, сразу поворачивается вокруг оси 12 и занимает положение пробка внизу. Водяной затвор немедленно изолирует газовый объем флакона от объема камеры, то есть консервирует пробу метана, концентрация которого соответствует концентрации метана в объеме камеры в данный момент времени. Таким образом, при использовании часового механизма от волосного гигрометра за время полного оборота вала 6 и сбрасывателя 7, равного 26 часам, производено 12 заборов и консервации газовых проб во флаконы, размещенные в камере. Отметим, что механических усилий пружинного часового механизма от волосного гигрометра было достаточно, чтобы один за другим последовательно сбросить петли 12 флаконов за 26 часов. Не было обнаружено замедления хода часового механизма из-за дополнительных усилий, затрачиваемых на протаскивание петель с флаконами по упорам. После заверщения цикла забора проб, снимают крышку 2, извлекают раму 13, последовательно снимают перевернутые флаконы 4, в отверстия пробок 8 вставляют заглущки, например, стандартные заготовки дюралевых заклепок, и флаконы в положении пробка внизу доставляются в лабораторию на анализ газа. Следует отметить, что для защиты камеры от перегрева прямыми солнечными лучами и защиты капиллярных отверстий в крышке от воды, в случае дождя, над камерой устанавливают навес. При анализе отобранных проб определяют концентрацию (С) метана в каждом флаконе. Величина С однозначно связана с ЭМ (J) и определяется из уравнения баланса: поток метана через основание камеры за счет ЭМ равен потоку метана через капиллярные отверстия в крыщке в атмосферу. Форма записи баланса потоков основывается на трех фактах твердо установленных в большом числе опубликованных исследований: а)Измеряемая величина ЭМ через основание камеры не зависит от текущей концентрации метана в камере и поток метана в любой момент времени равен величине (ocH.). Для статических камер это эквивалентно условию линейного роста концентрации метана в камере со временем, что и лежит в основе расчета ЭМ для этого типа камер (см. соотношение I). б)Естественная конвекция в камерах объемом порядка 50 л эффективно перемешивает газ в объеме камеры и концентрации метана в любой точке объема камеры одинаковы и равны текущей средней по объему - С, что также лежит в основе расчета ЭМ по соотношению (I) для статических камер. В) Лдффузия газа через капиллярные отверстия происходит строго в режиме молекулярной диффузии, поскольку конвекция в капиллярах, как правило, полностью подавлена. В стационарном режиме поток через капилляр равен , где S, D, АС, L - площадь (сечения) капилляра, коэффициент молекулярной диффузии газа, разность концентраций газа на входе и выходе капилляра, длина капилляра, соответственно. Этот режим диффузии газа через капилляр и указанная форма записи стационарного потока газа через капилляр широко используется см., например, устройство диффузионной ячейки для калибровки детекторов в газовой хроматографии 51. С учетом этих фактов, уравнение баланса потоков метана в предлагаемой камере имеет вид: (OCH.) - S(k) - С(атм.)/Ь (2) где: J - эмиссия метана (ЭМ); S(ocH.) - площадь открытого основания камеры; S(k) - суммарная площадь капиллярных отверстий в крышке; D - коэффициент молекулярной диффузии метана в воздухе; С(атм.) - фоновая концентрация метана в атмосфере; L - длина капиллярных отверстий в крышке. Из (2) следует, что при постоянной J в камере устанавливается (через время At) постоянная концентрация метана. Каждой величине J в камере соответствует однозначно связанное значение С. Таким образом, определяя С в каждом флаконе, определяют из (2) величину J ( ЭМ) и получают динамику ЭМ, т.е. устанавливают временной ход (в течение суток) величины ЭМ на болоте. Полученная диаграмма ЭМ наиболее точно отражает все реальные колебания величины ЭМ. Относительно упомянутой выше величины At (постоянная камеры) отметим следующее. Из эмпирических наблюдений за динамикой ЭМ на болотах следует, что достаточны круглосуточные измерения ЭМ каждые два часа, чтобы надежно установить временной ход величины ЭМ на болоте. Это значит, что постоянная камеры At должна быть не более I часа. Можно показать, что величина At однозначно связана с объемом камеры, размерами устройства - S-cocjff. ), 5-Сй:) , Л. F3mm оегрйсюяр, jmsyisp MFj 8 mswsr ms dsssKssmo p&iry лироваться экспериментатором в достаточно широких пределах. При начале эксперимента At - величина известная. Из описания конструкции предложенной камеры и принципа ее работы видно, что она позволяет более точно производить круглосуточные измерения временной динамики ЭМ на болотах и затопленных почвах без использования электропитания и не требует, при этом, постоянного присутствия оператора в течение заданного цикла измерений, причем интервал времени между отдельными измерениями и число измерений можно регулировать. Камеру можно калибровать с целью независимого определения ЭМ и проверки соотношения (2). Это достигается путем введения через основание в камеру стандартного (постоянного во времени) потока Q подходящего газа-трассера. В результате можно независимо от соотношения (2) определить ЭМ из соотношения: J(метана)/Q(трассера) D(метана)С(метана)/CD(трассера)С(трассера)J. Камера, в предлагаемом варианте, в любой момент времени готова к работе, в то время как известную статическую камеру надо готовить к каждому измерению (проветривать от накопившегося в ней метана). Предложенную камеру после проведения круглосуточного цикла измерений за время менее 30 минут можно подготовить для следующего цикла автоматической работы в течение суток. Для этого необходимо заменить флаконы и завести часовой механизм. Список литературы: 1. Н.С.Паников, М.В.Сизова, В.В.Зеленев, Г.А.Махов, А.В.Наумов, М.М.Гаджиев. Эмиссия метана и углекислого газа из болот Западной Сибири: пространственное и временное варьирование потока. Экологи еская Химия, 1995 4(1): 13-24. (прототип) 2 .T.R.Moore and N.T.Roulet. А Comparison of Dlnamic and Static Chambers for Methane Biission Measurements Erom Subarctic Fens. ATMOSPHERE-OCEAN 29(1) 1991, 102-109. 3.Nancy B.Dlse. Methane Bnlsslon from Minnesota Petlands: Spatial and Seasonal Variability. GLOBAL BIOGEOCHEMICAL CYCLES, vol.7, N0.1,p.123-142, 1993. 4.Руководство к лабораторным работам по экспериментальной физике атмосферы. Гидрометеоиздат, Л., 1969, (см. стр. 155). 5. Ж.Гиошон, К.Гийемен. Количественная газовая хроматография для лабораторных анализов и промышленного контроля, т.2, Москва, Мир, I99I, (см.стр.147).

Claims (4)

1. Камера для измерения эмиссии метана с болот и затопленных почв, содержащая корпус с открытым основанием и крышку, герметично соединенную с корпусом, отличающаяся тем, что в крышке выполнены капиллярные отверстия заданных диаметров и длины, обеспечивающие поток метана из камеры в атмосферу, равный потоку метана в камеру через открытое основание, а в корпусе на жестко зафиксированных по заданному радиальному размеру упорах с помощью петель подвешены емкости для отбора проб метана из камеры, а также установлен часовой механизм сбрасывания этих емкостей с упоров через заданные промежутки времени, вал которого снабжен жестко закрепленным на уровне середины петель сбрасывателем, при этом емкость для отбора пробы снабжена пробкой с отверстием и водяным затвором, верхним концом соединена с подвешивающей петлей, а нижним установлена в корпусе с возможностью переворота из положения "Пробка наверху" в положение "Пробка внизу" и наоборот.

2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что емкость для отбора пробы выполнена в виде стеклянного флакона с горлышком.

3. Камера по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что для получения водяного затвора каждая емкость для отбора пробы заполнена до 2 см водой или насыщенным раствором хлористого натрия.

4. Камера по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что емкости для отбора проб, упоры для их подвешивания и часовой механизм смонтированы на отдельной раме, установленной в корпусе с возможностью извлечения из него.