Hannu A. Sinivirta

Kiinalaiset yliopistot kehittäneet CO2 -kaukokartoituksen Air-IRSS

  • Kuva 1. Kaukokartoituksen periaate
    Kuva 1. Kaukokartoituksen periaate
  • Kuva 2. Kasvihuonekaasumolekyylien spektriset jakaumat
    Kuva 2. Kasvihuonekaasumolekyylien spektriset jakaumat
  • Kuva 3. WFM-DOAS implementointiprosessi
    Kuva 3. WFM-DOAS implementointiprosessi
  • Kuva 4. Kasvihuonekaasujen spektriset lämpötilakorrelaatiot
    Kuva 4. Kasvihuonekaasujen spektriset lämpötilakorrelaatiot

Neljä Kiinalaista yliopistoa:

1. Key Laboratory of Environmental Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China

2. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

3. CAS Center for Excellence in Urban Atmospheric Environment, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China

4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Ovat yhteistyössä kehittäneet IR-spektormetriaa hyväksi käyttäen mittauksen kasvihuonekaasujen pitoisuuksista molekyylitasolla. Mittaukset on tehty lentokoneesta käsin, lentokorkeuden ollessa 3km. 

Tutkimus on julkaistu 10. tammikuuta 2019

Alla yhteenvetoa 

Abstrakti:

Hiilidioksidi (CO2) on yksi tärkeimmistä antropogeenisista kasvihuonekaasuista ja vaikuttaa merkittävästi ilmakehän järjestelmien energiatehokkuuteen. Suuremmat peittoalueet ja hiilidioksidimittausten korkeampi spatiaalinen resoluutio voivat täydentää olemassa olevia in situ -verkko- ja satelliittimittauksia ja siten parantaa ymmärrystä maailmanlaajuisesta hiilen kierrosta.

Tässä tutkimuksessa käytettiin infrapunakaukosäätimen spektrometriä (Air-IRSS), jonka tarkoituksena on määrittää hiilidioksidin alueellinen jakautuminen. Air-IRSS:n mittasi CO2:n spektrialueella 1590 - 1620 nm spektriresoluutiolla 0,45 nm ja altistusaika 1 s. Sitä käytettiin lentokoneessa 3 km:n korkeudessa, nopeudella 180 km / h ja paikkatarkkuudella 50,00 m × 62,80 m.

Mitattujen spektrien analysointiin käytettiin painotustoimintoa muunneltua optista absorptiospektroskopiaa (WFM-DOAS). Tulokset osoittavat, että arvioitu kokonaisvarmuus oli 1,26% ilmassa tapahtuvissa mittauksissa laajemmalla alueella ja 0,30% kiinteän pisteen, kuten tehopisteiden tai tehtaiden osalta.

Värähtelyvapaissa staattisissa olosuhteissa maanpäälliset Air-IRSS-havainnot voivat riittävästi toistaa kasvihuonekaasujen tarkkailevan satelliitin (GOSAT) havaitut vaihtelut korrelaatiokertoimella (r) 0,72.

GOSAT laukaistiin avaruuteen 2009.

http://www.gosat.nies.go.jp/en/

Lopuksi teimme ilmatilan hiilidioksidin alueellisen jakautumisen määrittämiseksi Pohjois-Kiinan tasangolla. CO2:n alueellinen jakauma neljän kaupungin Xing-tai-, Hengshui-, Shijiazhuang- ja Baoding-välillä paikannettiin GPS:n avulla, joka vaihteli 2,00 × 10^21 molekyyleistä cm2 - 3,00 × 10^21 molekyyliä cm2.

CO2-vertikaalijakaumat olivat lähes yhtenäiset alle 3 km: n korkeudella alueella, jossa ei ole hiilidioksidipäästöjä, ja korkeimmat arvot löytyivät Baoding Citystä.

Instrumentointi:

AIOFM-CAS: n (Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics) kehittämä Air-IRSS (Airborne Infrared Remote Sensing Spectrometer) on esitetty kuvassa 1. 

Se käsittää kolme osaa: spektrometrin, tietojenkäsittely-yksikön ja GPS:n. Spektrometriin kuuluu teleskooppi, joka kerää auringonvaloa kuidulla ja spektrometrillä (Andor 303i). Air-IRSS: n hetkellinen näkökenttä (IFOV) lentoradan poikki ja pitkin on 1,16 ° (θ) × 0,02 ° (β). 3 km: n lentokorkeudessa ja 180 km / h: n nopeudella pinta-alan, joka on 62,80 m × 500 m 1 s: n altistumisaikana.

Kuitu lähettää valon spektrometriin. Tärkein komponentti on ritiläspektrometri, jonka polttoväli on F = 303 mm ja f-luku 4. Spektrometri toimii lyhyen aallon infrapuna-alueella (SWIR) 1550 nm ja 1650 nm.

Spektrinen resoluutio on 0,45 nm. Spektrometri sisältää Andor iDus: n syvyysjäähdytetyn InGaAs 1 × 1024 -mittarin, jossa on termoelektrinen jäähdytin, jonka lämpötila on vähintään -90 ℃.

Spektrit tallennetaan tietokoneeseen ja analysoidaan käyttäen WFM-DOAS-algoritmia kolonnikonsentraatioiden saamiseksi. Tämän jälkeen kaasujen jakautuminen paikannetaan GPS:n avulla, joka sisältää maantieteelliset tiedot ja lentokoneen nopeuden.

Algoritmit:

WFM-DOAS (Weighting Function Modified Differential Optical Absorption Spectroscopy) -hakualgoritmi selvittää absorptiopisteiden muutoksia lämpötilan ja paineen suuruudesta riippuvaisia vaikutuksia, ja sitä on sovellettu onnistuneesti infrapunakaistalla. Lisäksi WFM-DOAS kehitettiin spesifisesti CO2: n hakemiseksi avaruudesta, käyttämällä SCIAMACHY NIR (Scanning Imaging Absorption spectrometer for Atmospheric Chartography Near-Infrared -spektrimittauksia. 

WFM-DOAS-hakualgoritmi perustuu mitattujen spektrien pienimpiin neliösovelluksiin mallinnettuihin spektreihin, jolloin saadaan tavoitekaasukolonnikonsentraatio. Kuten yhtälössä 1. on esitetty, normalisoidun mitatun spektrin logaritmi on mallin säteilyn logaritmin summa, sen ensimmäinen johdannainen, neliöpolynomi ja virhetermi.

WFM-DOAS implementointiprosessi kuvassa 3.

Yhtälö 1. algoritmeista enemmän:

https://www.mdpi.com/2072-4292/11/2/123/htm

Virhetermi kattaa kaikki aallonpituudesta riippuvat erot mittauksen ja mallin välillä, joita ei voida mallintaa tai joita ei voida mallintaa ilman likiarvoja (esim. Aerosolivaikutuksia). 

Yhtälö 2. algoritmeistä enemmän:

https://www.mdpi.com/2072-4292/11/2/123/htm

CO2, H2O, CH4 ja CO absorbtioita 1550–1620 nm alueella kuva (a) ja kuva (b) CO2 CWF -kahdella kaistalla

Air-IRSS toimii kaistanleveysalueella välillä 1550 nm - 1650 nm, joka tarjoaa kaksi taustalla olevaa absorptiokaistaa CO2: n hakuun (eli 1560-1590 nm: n kaistalle ja 1590 - 1620 nm: n kaistalle). Molemmissa vyöhykkeissä CH4, H2O ja CO ovat tärkeimpiä häiritseviä kaasuja. Häiriötaso riippuu häiritsevästä absorptiotaajuudesta, joka on suurempi kuin konsentraatio.

Kuva 2. esittää CO2:n, CH4:n, H2O:n ja CO:n sekä CO2 CWF: n absorptio-ominaisuudet näissä kahdessa aallonpituuskaistassa. CO2-CWF 1590–1620 nm: n kaistalla on suurempi kuin 1560–1590 nm: n kaistalla. CH4: n absorptiointensiteetti 1590–1620 nm: n kaistalla on tyypillisesti suurempi kuin 1560–1590 nm: n kaistalla.

H2O: n ja CO: n absorptiointensiteetit ovat vertailukelpoisia näissä kahdessa aallonpituuskaistassa. CH4: n, H2O: n ja CO: n absorptiointensiteetit ovat pienemmät kuin CO2: n suuruusluokka. Ilmakehässä H2O-konsentraatio on tyypillisesti ~ 30 kertaa suurempi kuin CO2:n, ja CH4- ja CO-pitoisuudet ovat tyypillisesti ~ 200 kertaa pienempiä kuin CO2. Kun otetaan huomioon kaikki nämä ominaisuudet, 1590 - 1620 nm: n kaista valittiin CO2: n mukaan, ja H20: n ja CH4: n interferenssi otettiin huomioon, kun taas CO-häiriöitä ei otettu huomioon.

Johtopäätöksiä:

Tässä tutkimuksessa käytettiin infrapunasäteilyspektrometriä (Air-IRSS), joka on suunniteltu määrittämään hiilidioksidin alueellista jakautumista. Se mittasi CO2: n spektrialueella välillä 1590 - 1620 nm resoluutiolla 0,45 nm ja altistusajalla 1s. 

Air-IRSS: ää liikennöitiin lentokoneessa 3 km: n korkeudessa, nopeudella 180 km / h. Air-IRSS: n hetkellinen näkökenttä (IFOV) on 1,16 ° (lentoradan poikki) × 0,02 ° (lentoradan varrella), joka vastaa 50,00 m × 62,80 m: n pinta-alaa. 

Mitattujen spektrien analysointiin käytettiin painotustoimintoa, modifioidun differentiaalisen optisen absorptiospektroskopian (WFM-DOAS) tekniikkaa.

Air-IRSS-havainnot toistivat hyvin GOSATin havaitsemia vaihteluja, korrelaatiokertoimen (r) ollessa 0,72 eli lähes 1.

Lopuksi teimme ilmatilan CO2:n alueellisen jakautumisen määrittämiseksi Pohjois-Kiinassa. CO2:n alueellinen jakautuminen neljän kaupungin Xing-tai-, Hengshui- ja Shijiazhuang ja Baodingin välillä saatiin GPS-tietojen avulla. 

Näiden neljän kaupungin CO2- jakaumat vaihtelivat välillä 2,00 × 10^21 molekyyliä cm2 - 3,00 × 10^21 molekyyliä cm2. 

CO2-vertikaalijakaumat olivat lähes yhtenäiset alle 3 km: n korkeudella alueella, jossa ei ole hiilidioksidipäästöjä, ja korkeimmat arvot löytyivät Baoding Cityssä päästölähteiden, kuten voimalaitosten ja tehtaiden vaikutuksesta.

Kyseisen tutkimuksen tarkoitus on siis kaukokartoittaa kasvihuonepäästöjen alueellisia eroja ja maailman laajuista hiilen kiertoa.

Kiinalaisten hankkeesta kaiken kaikkiaan:

https://www.mdpi.com/2072-4292/11/2/123/htm

Vuoden 2019 ilmakehän CO2-päästöt ovat luokkaa 410ppm. Jos tämän muuntaa molekyyleiksi / cm3, se saadaan laskettua mg/kg:na seuraavasti:

[0,410g CO2 / 44,01g/mol] x [6,022 x 10*23 molekyyliä / mol] 5,61 x 10^21 molekyyliä / m3, eli:

5,61 x 10^15 molekyyliä / cm3

6,022 x 10^23 molekyyliä/mol = Avogadron luku

Kuvasta 4. voi todeta lämpötilakorrelaatiot spektrisiltä aallonpituuksilta.

 

Piditkö tästä kirjoituksesta? Näytä se!

1Suosittele

Yksi käyttäjä suosittelee tätä kirjoitusta. - Näytä suosittelija

NäytäPiilota kommentit (17 kommenttia)

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Käytännön mittaukset ovat avain-asemassa päästöjen osalta. Kiina on tunnetusti päästöjen kärkimaa, joten siellä jos missä alueellisten päästöjen jakaumista saadaan eksplisiittistä informaatiota. Korrelaatiokerroin (r = 0,72) suhteessa Japanilaiseen satelliittiin GOSAT:iin on hyvin lähellä 1:1.

Käyttäjän JaliKarjalainen1 kuva
Jali Karjalainen

Nii, Kiinassa on päästöjä, se on vähän ikävää.

Käyttäjän JaliKarjalainen1 kuva
Jali Karjalainen

No se on hyvä, että selvitetään. Syntyyhän ilmassa myös hiilidioksidista happeakin eli happea ei kehity yksin kasvien avulla, biologisissa proseissa. Hiilidioksidi pilkkoutuu myös hapeksi ja myös silloin luomisen alussakin eli happi ei lisääntynyt silloin alussa yksin kasveilla. Eli siis nyt ilmassa olevasta hiilidioksidista pilkkoutuu myös happea

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Maapallon happi on luonnollisesti lähtöisin kasveista ja levistä. Syntyvän hapen määrä on verrannollinen niiden kasvuun. Periaatteessa se voitaisiin laskea punnitsemalla esimerkiksi metsän puut tai meren levät, mutta tähän on olemassa myös matemaattisia malleja.

Matemaattisten mallien perusteella on päädytty arvioon, että maapallolla syntyy n. 280 mrd tonnia happea vuodessa. Siitä n. 46% syntyy merissä eli pääosin levien tuottamana. Loput 56% ovat kuivan maan kasvien tuottamaa.

Tästä ei kuitenkaan voida suoraan päätellä, että 46% ilmakehän hapesta olisi lähtöisin merilevistä. Se mihin happi päätyy, riippuu ympäristöstä. Osa yhdistyy muihin aineisiin ja kulkeutuu esimerkiksi merenpohjan kerroksiin jne.

Käyttäjän JaliKarjalainen1 kuva
Jali Karjalainen

Maapallon happi ei ole yksin lähtöisin yksistään levistä ja kasveista. Auringonvalo tekee happea hiilidiokšista. Alussa oli happea liuennut auringon avulla hiilidioksidista ja nytkin happea ilmassa liuotetaan hiili co2 . Näin on asia. Happea syntyy myös ilman biologista prosessia myös siitä kun aurinko liuottaa hapea hiilidiokidista. Näin on asia Kalifornian yliopiston mukaan. Hiilidioksidi pilkkoutuu hapeksi kiinalaisen prof , Fyysisen kemian prof Cheuk--Yiu Ng mukaan(kait proffa on kiinalainen, arvelen)

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

7. Pääosin happi syntyy merissä eli levien tuottamana ja loput ovat kuivan maan kasvien tuottamaa, eli isossa kuvassa. That's the fact.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

Kasvihuonekaasujen spektriset lämpötilakorrelaatiot ovat tärkeä yksityiskohta tässäkin tutkimuksessa (ks. kuva 4).

Käyttäjän JaliKarjalainen1 kuva
Jali Karjalainen

Maapallon happi syntyy myös siitä kun hiilidioksidi pilkkoutuu hapeksi ja luomisen alussa on jo ollut happea ennen kasveja ja leviä Kalifornian Yliopiston mukaan. Kysy vaikka Fyysisen kemian prof Cheuk---Yiu Ng. Hiilidioksidi ilmassa pilkkoutuu myös hapeksi eli happea oli jo ennen leviä ja kasveja luonnossa

Käyttäjän JaliKarjalainen1 kuva
Jali Karjalainen

Auringonvalo muuttaa hiilidioksidin hapeksi ilmassa, hiilidioksidi pilkkoutuu

Käyttäjän JaliKarjalainen1 kuva
Jali Karjalainen

Niin , jos väittelisit, sinun pitäisi väitellä professori Cheuk--Yiu Ng kanssa, ei minun kanssa. Se varmaan on luuloa, että kasvit ja levät tuottaisi yksistään happea. Nyt hiilidioksidi liukenee hapeksi myös.Mediassa oli kertomus jo vuonna 2014.En väittele minäkään, vaan esitän, mitä tietoo on saatu.Nyt pakkasennätys tänä vuonna ---38.6 Sodankylä.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

12. Kuten jo sanoin, en lähde väittelemään hapen synnystä kenenkään kanssa, siitä löytyy runsaasti asianmukaista tietoa jo alan oppikirjoista jne. Se mihin tulisi enemmän kiinnittää huomiota on tämä ks. Kiinalaisten tekemä käytännössä tehty tutkimus. Eli:

Kuva 1. Kaukokartoituksen periaate
Kuva 2. Kasvihuonekaasumolekyylien spektriset jakaumat
Kuva 3. WFM-DOAS implementointiprosessi
Kuva 4.Kasvihuonekaasujen spektriset lämpötilakorrelaatiot

Onko näihin asiallista kommentoitavaa?

Sekä pakkas - että lämpöennätyksiä tehdään tämän tästä. Suuret lämpötilojen vaihtelut kielivät ilmastonmuutoksesta, missä energia lisääntyy ja sen seurauksesta ilmastossa tapahtuvat ääri-ilmiöt.

Käyttäjän MikaLamminp kuva
Mika Lamminpää

"65 prosenttia kansalaisista on sitä mieltä, että hallituksen pitäisi luultavasti tai ehdottomasti ottaa ilmastonmuutoksen torjunta tärkeimmäksi tavoitteekseen – vaikka se tarkoittaisi puuttumista suomalaisten elämäntapaan.

Lisäksi 63 prosenttia suomalaisista on täysin tai jokseenkin sitä mieltä, että Suomen pitää olla edelläkävijä päästöjen nopeassa vähentämisessä."

https://www.hs.fi/politiikka/art-2000005975737.htm...

Hesarilta on tullut todella asiallista ilmastojournalismia viime aikoina! Tämä otsikko (Vähän lentävät kannattavat lentoveroa, autottomien mielestä ruuhkamaksu on hyvä idea – Suomalaiset vaativat tiukkoja toimia ilmaston hyväksi, mutta niitä pitäisi tehdä jonkun muun) on sinänsä hieman harhaanjohtava kun tutkimuksen tärkein tulos on että enemmistö kannattaa tiukempaa ilmastopolitiikkaa!

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

14. Kyllä näin on. Hesaria parjataan milloin mistäkin syystä, mutta nämä gallupit tosiaan kertovat, miten kansa on ryhtynyt ajattelemaan.

Käyttäjän MikaLamminp kuva
Mika Lamminpää

Kyllä Hesarin parjaamisen ymmärtää, sehän voi pysyvästi vahingoittaa tietämättömyyttäsi. Jos ihmiset tulisivat yhtäkkiä järkiinsä, se aiheuttaisi populisteille korvaamatonta vahinkoa.

Käyttäjän HannuSinivirta kuva
Hannu Sinivirta

16. Näihän siinä yleensä käy. Samaan aikaan kun informaatiokohina lisääntyy, lisääntyy myös tietämättömyys. On äärimmäisen vaikeaa löytää aitoa tietoa, joka on merkitsevää. Blogissa oleva tutkimus on yksi osoitus aidosta tiedosta sillä osaamisella, mikä on käytettävissä.

Toimituksen poiminnat

Tämän blogin suosituimmat kirjoitukset