使用Picarro通量分析儀完成北美大陸甲烷橫斷面測量

加利福尼亞大學圣巴巴拉分校海洋科學研究所Ira Leifer博士

　　加利福尼亞州圣巴巴拉 - 加利福尼亞大學圣巴巴拉分校的科學家 Ira Leifer博士、Paige Farrell博士和Dan Culling博士最近完成了美國南部的甲烷橫斷面測量，途中將其 Picarro 通量分析儀交付給路易斯安那州的一艘等候船。Picarro 分析儀和其它設備最初僅打算用于船上測量，但Leifer博士認為，考慮到運輸費和到達港口的費用，他們可以開車運輸儀器，并借此機會收集遠距離移動甲烷數(shù)據(jù)。團隊當即租了一輛房車，安裝好儀器，幾乎日以繼夜地開了兩個星期，從加利福尼亞州圣巴巴拉出發(fā)，前往路易斯安那州科科德里和佛羅里達州圣彼得堡，然后返回加利福尼亞州南部。雖然移動測量日益普及，但就我們所知，這個團隊是增加車載在線組件，以實現(xiàn)移動地面測量的團隊。

團隊在房車上裝載了氣相色譜儀（GC）、GPS、功率調(diào)節(jié)器、幾臺帶有手機調(diào)制解調(diào)器的便攜式計算機、一臺 Picarro 通量分析儀以及被稱為“空氣壓力機"的 30 英尺定制空氣采樣口?？諝獠蓸涌谟稍诜寇嚽胺酵怀?10 英尺的 4 英寸 ABS 管材制成。團隊面臨的挑戰(zhàn)是防止 GC 受到地面和墻體振動影響。為此，小組將大號臥鋪區(qū)域改造成臨時分析化學實驗室，并在壁櫥里配置了氣瓶和真空泵。經(jīng)過大量反復實驗，團隊使用了一個半充氣的大號氣墊和幾塊塞滿舒泰龍泡沫塑料填充顆粒的雙層防水布，并在 GC 支腿下墊上帶有“Dr. Scholl"式凝膠支架的膠合板，從而實現(xiàn)了振動隔離。為了完成任務，團隊使用彈力繩和繩索將其捆綁在了一起。

一旦啟動并運行，團隊便能每 50 秒從 GC 獲得一次甲烷測量結(jié)果，而 Picarro 通量分析儀則以 2 赫茲的頻率記錄甲烷、二氧化碳和水汽的數(shù)據(jù)。所采用的測量方法為：首先使用儀器識別甲烷特征以及通過視覺識別地質(zhì)或人為特征，確定興趣點（甲烷熱點）。然后，使用從在線網(wǎng)站檢索到的當?shù)氐娘L力數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，沿著甲烷濃度增加的方向行駛，直到找到并確認源頭。

在行進的過程中，小組能夠不斷完善方法，并迅速適應條件的變化。例如：發(fā)現(xiàn)汽車是一個持久的甲烷來源后，他們調(diào)整了校準時間表，在晚上交通減少的時候進行測量。Daniel還注意到 Picarro 儀器的同步二氧化碳測量功能在識別汽車尾氣何時污染空氣進樣方面發(fā)揮了重要作用，這通常會導致路線的改變。同樣，當嘗試在莫哈韋沙漠進行本底測量時，他們發(fā)現(xiàn)，即使是不超過 10 座房屋的最小型城鎮(zhèn)的排放也會導致環(huán)境本底反復中斷。

由于駕駛房車而無需經(jīng)常停下來找地方用餐、上洗手間或住宿，小組在 11 天的跋涉中可以說實現(xiàn)了連續(xù)測量。事實上，測量工作通常只在校準、加注氣瓶或修復儀器問題時才會暫停。當小組在偏遠地區(qū)時遇到了氣瓶耗盡的情況，但卻有幸避免了長時間的延誤。Airgas 公司的路易斯安那州分公司前來救援，更改了本來運往加利福尼亞州的一批校準氣體的路線，使小組能夠繼續(xù)進行測量。在整個行程中，幾位研究人員僅在加利福尼亞州南部就記錄了 6000 多個 GC 測量結(jié)果和 40 多個小時的 2 赫茲 Picarro 儀器數(shù)據(jù)。但是，本次行程的可貴之處不僅在于收集的數(shù)據(jù)數(shù)量。數(shù)據(jù)集涵蓋了各種甲烷來源，包括精煉廠和城市等可預測的人為來源以及濕地等自然來源。

令人驚訝的是，本次行程測得的甲烷來源是自然來源。團隊前往拉布雷亞焦油坑時，雖然預計會有明顯的甲烷信號，但從焦油坑及其周邊地區(qū)逸出的地質(zhì)甲烷排放量之大仍遠超預期。根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，這可能占整個洛杉磯縣總量的四分之一。其它報告的測量要點包括：駕車穿越圣貝納迪諾山脈時獲得的洛杉磯盆地的垂直大氣剖面；以及在附近路易斯安那州發(fā)生大面積山林火災時，三次穿過煙霧估算的排放強度。

　　Leifer博士在談到這次經(jīng)歷時說：“大部分人在公路旅行時會選擇國家公園，而我們則是穿越了美國的工業(yè)腹地，這也很美妙。相比一般的公路旅行，我們必須集中注意力，密切關注地形、風力和事件的細節(jié)。這樣的經(jīng)歷使我們能夠以全新視角看待某些事物，這是大部分人一般不會想到的。"

團隊已將其研究成果投稿給《大氣環(huán)境》（Atmospheric Environments）期刊進行發(fā)表；在他們計劃特別提交的第二部分中，他們將把研究成果與衛(wèi)星數(shù)據(jù)（大氣層制圖掃描成像吸收頻譜儀和溫室氣體觀測衛(wèi)星）進行對比和聯(lián)系。此行非常成功，團隊已經(jīng)計劃于夏季前往加拿大北極地區(qū)的麥肯齊三角洲進行測量，并可能在秋季進行另一次北美大陸甲烷橫斷面測量。

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