碳氮?dú)怏w同位素同步觀測系統(tǒng)

簡要描述：該系統(tǒng)主機(jī)Aerodyne閉路氣體分析儀采用可調(diào)諧紅外激光直接吸收光譜（TILDAS）技術(shù)，用中紅外激光探測氣體分子，像散型多光程吸收池技術(shù)有效測量光程高達(dá)210m，有效提高氣體分子的測量精度，達(dá)ppt級。

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更新時間：2024-10-15
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    一、觀測應(yīng)用

    大氣中CO2、CH4、N2O等溫室氣體迅速增加，是造成全球氣候變化的最重要因素之一。痕量溫室氣體的測定對準(zhǔn)確評估大氣溫室氣體源匯至關(guān)重要，目前在定量估計(jì)溫室氣體吸收匯方面還存在很大的不確定性，比較而言，甲烷吸收匯和吸收匯的不確定性比CO2吸收匯大得多。

    新一代的Aerodyne穩(wěn)定碳氮?dú)怏w同位素光譜儀可以對氣體和同位素同步進(jìn)行高頻（10Hz）連續(xù)的原位監(jiān)測，同時可以實(shí)現(xiàn)痕量溫室氣體含量和碳氧同位素的同步觀測，為痕量溫室氣體的監(jiān)測和溯源提供了新的工具。

    生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過程中的多種溫室氣體排放速率（CO2、CH4、N2O等）的實(shí)時測定需要提高時間分辨率、空間分辨率，需要原位無損、長時間、全參數(shù)、高精度、一體化、自動化和遠(yuǎn)程操控等技術(shù)協(xié)助捕獲參數(shù)的微量變化，并通過同位素13C-CO2、18O-CO2溯源，了解碳、氮、水循環(huán)耦合過程。

    二、系統(tǒng)組成該系統(tǒng)主機(jī)Aerodyne閉路氣體分析儀采用可調(diào)諧紅外激光直接吸收光譜（TILDAS）技術(shù)，用中紅外激光探測氣體分子，像散型多光程吸收池技術(shù)有效測量光程高達(dá)210m，有效提高氣體分子的測量精度，達(dá)ppt級。

    可以同時測量痕量氣體及碳氧同位素N2O、CH4、H2O、CO2、δ13C-CO2、δ18O-CO2。

    三、技術(shù)特點(diǎn)

    1、用中紅外激光直接吸收技術(shù)，測量頻率可達(dá)10Hz，檢測限達(dá)ppt級。

    2、雙激光測量技術(shù)，一個分析儀同時測量多個痕量氣體和同位素，減少多臺系統(tǒng)測量時的系統(tǒng)誤差。

    3、TDLWINTEL軟件提供光譜回放模式，可選擇HITRAN光譜標(biāo)庫里的標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線，對測量的光譜重新擬合，對測量結(jié)果重新判定，其它品牌無法做到。如，若標(biāo)氣不純、含雜質(zhì)，可從光譜回放中判定。

    4、多氣體測量時，可用高純度氮（99。9992%）沖洗測量室，定期測定零氣光譜，去除背景干擾。

    5、每次測量時關(guān)閉激光，從“Zero”測量光譜絕對值（非差分法、光腔衰蕩），測量過程無需標(biāo)定。

    6、技術(shù)-活性鈍化裝置可顯著提高粘性氣體分子如NH3的響應(yīng)時間，實(shí)現(xiàn)粘性氣體和非粘性氣體的同步觀測，如NH3，CO2，O3，N2O，CH4同步觀測。

    7、技術(shù)-慣性顆粒物去除接口，專門用于粘性氣體測量時，去除進(jìn)氣口顆粒物殘余，去除對二次采樣的污染。

    8、具有激光頻點(diǎn)校準(zhǔn)腔室，可以在測量過程中實(shí)時校準(zhǔn)激光吸收光譜頻點(diǎn)，防止頻點(diǎn)飄移。

    四、技術(shù)參數(shù)

參數(shù)	N2O	CH4	CO2	H2O
精度 1s	0.03ppb	0.1ppb	100ppb	10ppm
精度 100s	0.01ppb	0.25ppb	25ppb	5ppm
測量范圍	0-10000ppb	0-10000ppb	0-5000ppm	0-5000ppm
響應(yīng)時間	1-10HZ可選	1-10HZ可選	1-10HZ可選	1-10HZ可選

參數(shù)	CO2	δ13C	δ18O
精度 1s	25ppb	0.1‰	0.1‰
精度 10s	-	0.03‰	0.035‰
精度120s	10ppb	0.02‰	0.03‰
響應(yīng)時間	1-10Hz可選	1-10Hz可選	1-10Hz可選

五技術(shù)應(yīng)用

文獻(xiàn)信息：

    Long-termeddycovariancemeasurementsoftheisotopiccompositionoftheecosystem–atmosphereexchangeofCO2inatemperateforest

    溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)同位素組成的長期渦動協(xié)方差測量——大氣CO2交換

    CO2凈生態(tài)系統(tǒng)-大氣交換（NEE）的穩(wěn)定同位素組成攜帶了有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)機(jī)制的信息。二氧化碳在水中的羧化、擴(kuò)散和溶解等過程分餾了二氧化碳的同位素。因此，凈CO2交換的同位素組成可用于探測這些過程，并為評估生物物理生態(tài)系統(tǒng)模型提供獨(dú)立的約束條件。它還可以闡明生態(tài)系統(tǒng)對大氣同位素收支的影響，這對陸地/海洋、源/匯分配有影響。此外，它還可用于將NEE劃分為初級生產(chǎn)力總量和生態(tài)系統(tǒng)呼吸總量。

    NEE通常最直接的測量方法是渦流協(xié)方差（EC）法，在缺乏直接同位素通量測量的情況下，一些旨在劃分NEE的研究中使用了所謂的EC/燒瓶法（Bowlingetal.，1999）間接確定了NEE的碳同位素組成。13C在1秒到30分鐘的時間范圍內(nèi)發(fā)生，典型的標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.02‰（Saleska等人，2006年），在2008年開發(fā)出專門的量子級聯(lián)激光光譜儀（TILDAS）之前，還沒有能夠直接監(jiān)測二氧化碳同位素的儀器。與標(biāo)準(zhǔn)EC系統(tǒng)一樣，在平靜的夜晚觀察到“lostflux”，在其他時段也發(fā)揮一定作用。

與積分時間（τ），對于40min的校準(zhǔn)間隔以及幾乎相等的樣品和參考池CO2摩爾混合比。細(xì)對角線是白噪聲的相應(yīng)期望值。垂直的橙色虛線標(biāo)志著哈佛森林渦旋輸送的主要時間尺度。作為比較，Allan偏差為δ13C，無校準(zhǔn)（實(shí)線灰線）和校準(zhǔn)（虛線灰線）。

渦動協(xié)方差要求較高的采樣率，粗略地說，在渦動輸送的主要時間尺度上整合數(shù)據(jù)。我們的共譜（見第4.3節(jié)）表明，在哈佛森林，渦動輸送在1到1000秒的時間尺度上非常重要，峰值約為50秒或30秒（取決于您是考慮傅立葉還是多分辨率共譜）。因此，上圖表明，EC系統(tǒng)的TILDAS儀器噪聲約為C=18ppb，δ13C=0.02‰，δ18O=0.04‰（在40秒時用橙色垂直虛線標(biāo)記）。

上圖.QCLS噪聲（σm），單位為C（黑色，ppm）δ13C（綠色，‰），和δ18O（藍(lán)色，‰）與校準(zhǔn)間隔（△tcal），積分時間為100s，樣品和參考池CO2摩爾混合比幾乎相等。

上圖展示了光譜儀的特殊穩(wěn)定性，如使用△tcal等于4分鐘（短校準(zhǔn)時間間隔）可將噪聲降低到2倍左右。

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