Российские ученые создали компактный лазерный анализатор парниковых газов. Разработка позволит рациональнее распоряжаться природными ресурсами и понять, что происходит с растительным миром при глобальном потеплении. Мониторинг экосистем, который предыдущие десятилетия осуществлялся на зарубежном оборудовании, теперь станет возможным вести российскими приборами.
Одна из актуальных задач экологов состоит в том, чтобы понять, как «дышат» леса, поля, болота и другие виды экосистем. Поглощают ли они парниковые газы или, наоборот, выделяют их в атмосферу?
Эти данные служат своего рода «медицинской картой». К примеру, если природная территория производит больше парниковых газов, чем усваивает, это может свидетельствовать о нарушении ее обычного режима работы. Своевременное выявление таких «больных» участков позволит принять меры для их восстановления.
Чтобы облегчить исследователям задачу, коллектив ученых из Московского физико-технического института, Института космических исследований РАН, Института эволюции и экологии имени А. Н. Северцова РАН, Института лесоведения РАН, а также Венского технического университета (Австрия) создали портативный прибор, который способен одновременно измерять концентрацию сразу трех парниковых газов — углекислого газа, метана и водяного пара в воздухе. Научная статья, посвященная описанию разработки, опубликована в журнале Sensors.
Устройство получило название E-CAHORS. Это аббревиатура, которая переводится как «высокочастотный оптический спектрометр для исследования атмосферных потоков методом турбулентных пульсаций». Прибор представляет собой систему из двух лазеров, излучение которых проходит через атмосферный воздух по М-образной траектории между зеркалами.
Общий путь луча внутри устройства составляет 135 см. Действие спектрометра основано на том, что молекулы разных газов поглощают свет на определенных длинах волн. Поэтому, измеряя характерное поглощение на известных длинах волн в попавшем на фотодетектор излучении, при помощи описанных в работе вычислительных алгоритмов возможно определить концентрацию всех трех измеряемых парниковых газов в каждый момент времени.
«Основное отличие E-CAHORS от зарубежных аналогов в том, что мы использовали два лазера, добившись возможности измерять концентрации трех основных парниковых газов одновременно. Обычно же для этого используют как минимум два отдельных прибора»,— прокомментировал один из разработчиков, ведущий инженер Научно-технического центра мониторинга окружающей среды и экологии МФТИ Вячеслав Мещеринов.
Другое важное отличие, добавил он, заключается в использовании излучения в среднем инфракрасном диапазоне спектра, поскольку поглощение выбранных газов в этом диапазоне значительно сильнее, чем в обычно используемом в подобных приборах ближнем инфракрасном диапазоне.
Благодаря этому стало возможно использовать простую «М-образную» оптическую схему с четырьмя проходами излучения каждого лазера сквозь атмосферный воздух. Для достижения такой же чувствительности прибора в ближнем инфракрасном диапазоне спектра понадобилось бы использовать значительно более сложную многопроходную оптическую схему, которая была бы более чувствительна к любым внешним воздействиям в полевых условиях, а значит, результаты были бы менее стабильными.
«Кроме того, спектрометр имеет открытый аналитический объем, то есть мы измеряем окружающий прибор воздух напрямую, тогда как в конкурирующих системах поток воздуха часто прокачивается насосом по трубкам для анализа в закрытой кювете, что дает задержку и требует пересчета и корректировки данных. Кроме того, благодаря предложенным решениям прибор выигрывает в компактности. Вес газоанализатора — всего чуть более 4 кг, это упрощает его монтаж на большой высоте, что необходимо для измерений на мачтах над лесами»,— уточнил ученый.
По словам разработчиков, запросы из академических институтов подтверждают востребованность прибора. В том числе для обеспечения работы карбоновых полигонов — территорий, где проводят мониторинг парниковых газов. Новые доступные и простые в эксплуатации приборы помогут уплотнить сеть эколого-климатических станций в России, что необходимо для понимания реального состояния экосистем и воздействия на них человека.
«Сейчас в России действует порядка 35 станций наблюдений, объединенных в сеть RuFlux. Они работают в лесах, на болотах, в тундре и в степях. До 2026 года все используемые газоанализаторы были иностранными. Их закупка стоит огромных денег и затруднена в условиях санкций. Например, чтобы следить за тремя газами, требовалось ставить два отдельных газоанализатора LI-COR Inc. американского производства общей стоимостью под 50 млн рублей»,— поделилась соавтор разработки, научный сотрудник ИПЭЭ Ольга Куричева.
Разработка нового спектрометра, добавила специалист, снижает первоначальную стоимость станции наблюдения и упрощает работу по закупке приборов. В целом, по мнению исследователей, внедрение современных отечественных средств мониторинга парниковых газов и создание густой сети наблюдений поможет России улучшить систему управления природными ресурсами.
Также, оценка поглощения парниковых газов экосистемами позволит нашей стране в перспективе, при развитии углеродного рынка, извлекать выгоду, продавая квоты. Аккуратное обращение с этим ресурсом может стать дополнительным источником дохода для национальной экономики.
