DOI: https://doi.org/10.5194/amt-19-185-2026
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Paul Waldmann وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الغازات الجوية والبيئية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة النشر الأول لنظام قياس تباين الدوامة الهوائية (EC) المصمم لتحديد انبعاثات غازات الدفيئة غير CO₂، وبالتحديد الميثان (CH₄) وأكسيد النيتروز (N₂O)، من المصادر الزراعية. أجريت الدراسة في فريزلاند، هولندا، خلال أوائل صيف 2023 باستخدام طائرة بحثية من DLR، حيث يدمج النظام مقياس طيف الليزر الكمي المعد للاستخدام الجوي، مما يوفر بيانات عالية التردد (10 هرتز) إلى جانب القياسات الجوية. تتيح هذه الطريقة المبتكرة تغطية على نطاق إقليمي مع الحفاظ على دقة مكانية عالية، مما يلتقط بشكل فعال تعقيد انبعاثات الزراعة. ومن الجدير بالذكر أن الدراسة تحدد نقاط انبعاث N₂O الساخنة، حيث تصل تدفقات الذروة إلى 0.34 ميكروغرام م⁻² ث⁻¹ بعد أحداث الهطول، بينما ظلت انبعاثات CH₄ مستقرة نسبيًا بمعدل 1.62 ميكروغرام م⁻² ث⁻¹.
تشير النتائج إلى أن انبعاثات N₂O في منطقة الدراسة هي من بين الأعلى المبلغ عنها عالميًا لانبعاثات الزراعة خلال موسم النمو، مما يبرز التقديرات الكبيرة الناقصة في السجلات الحالية مثل EDGAR v8.0 وسجل الانبعاثات الهولندي Emissieregistratie. تؤكد الأبحاث على ضرورة التحقق المستقل من انبعاثات غازات الدفيئة الزراعية، خاصة مع توقع أن يصبح هذا القطاع أكثر أهمية بسبب زيادة الطلب العالمي على الغذاء. تمثل طريقة EC الهوائية التي تم تطويرها في هذه الدراسة تقدمًا كبيرًا في قياس الانبعاثات البشرية من الأعلى إلى الأسفل، مما يوفر أداة قوية للبحوث المستقبلية وقد تمتد إلى المصادر الطبيعية لغازات الدفيئة، مما يعزز فهم ميزانية غازات الدفيئة العالمية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور المهم للميثان (CH₄) وأكسيد النيتروز (N₂O) كغازات دفيئة بشرية، حيث تحتل المرتبة الثانية والثالثة بعد ثاني أكسيد الكربون (CO₂). منذ العصور ما قبل الصناعية، زادت تركيزات CH₄ في الغلاف الجوي بأكثر من 2.5 مرة، ويرجع ذلك أساسًا إلى الأنشطة البشرية مثل استخراج الوقود الأحفوري والزراعة وإدارة النفايات. يتمتع CH₄ بإمكانات الاحترار العالمي (GWP₁₀₀) تبلغ 27 وعمر جوي قصير يبلغ 9.1 سنوات، مما يجعله هدفًا حاسمًا للتخفيف الفوري من تغير المناخ. شهدت السنوات الأخيرة معدلات نمو غير مسبوقة في انبعاثات CH₄، خاصة من 2020 إلى 2022، مما أثار القلق بشأن الآثار على أهداف المناخ في ظل سيناريوهات المسار الاجتماعي والاقتصادي المشترك (SSP). وبالمثل، يتم إصدار N₂O، الذي يتمتع بـ GWP₁₀₀ يبلغ 273 وعمر جوي يبلغ حوالي 116 عامًا، بشكل أساسي من خلال الممارسات الزراعية ومن المتوقع أن يسهم بشكل كبير في تغير المناخ على المدى الطويل.
تؤكد الورقة على ضرورة تحقيق تخفيضات كبيرة في غازات الدفيئة غير CO₂ لتحقيق أهداف اتفاقية باريس للحد من ارتفاع درجة حرارة الأرض. على وجه التحديد، تدعو إلى تخفيض بنسبة 51% في انبعاثات CH₄ الناتجة عن الأنشطة البشرية وتخفيض بنسبة 22% في انبعاثات N₂O بحلول عام 2050 مقارنة بمستويات عام 2020. تناقش المقدمة أيضًا التحديات في قياس انبعاثات الزراعة بدقة، والتي تمثل جزءًا كبيرًا من إجمالي انبعاثات CH₄ البشرية (40%) وN₂O (56%). تواجه المنهجيات الحالية، بما في ذلك الأساليب من الأسفل إلى الأعلى (BU) ومن الأعلى إلى الأسفل (TD)، قيودًا في التقاط التباين المكاني والزماني لانبعاثات المصادر الزراعية. تقترح الدراسة إعدادًا مبتكرًا لقياس تباين الدوامة الهوائية (EC) المحسن لـ N₂O لتعزيز قياس كل من انبعاثات CH₄ وN₂O بدقة مكانية عالية، مما يلبي الحاجة إلى تحسين القدرات الرصدية في السياقات الزراعية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم إجراء قياسات تدفق تباين الدوامة الهوائية (EC) باستخدام الطائرة البحثية DLR Cessna Grand Caravan 208-B، التي تم تجهيزها بمحلل غازات دفيئة (GHG) بتردد 10 هرتز من MIRO Analytical AG للكشف عن أكسيد النيتروز (N₂O) والميثان (CH₄). تم تعديل المحلل خصيصًا للاستخدام الجوي، حيث يحتوي على وحدة معايرة لتعديلات متكررة أثناء الطيران. بالإضافة إلى ذلك، كانت الطائرة مزودة بنظام METPOD، القادر على تسجيل بيانات الرياح العمودية السريعة بمعدلات تتجاوز 10 هرتز، كما وصفه Mallaun et al. (2015).
تتناول هذه القسم المبادئ الأساسية لقياسات تباين الدوامة وتناقش التحديات الفريدة التي تم مواجهتها عند تطبيق هذه الطريقة في سياق جوي. كما تفصل مواصفات محلل GHG والأدوات الجوية المستخدمة، إلى جانب توضيح استراتيجية الطيران المطبقة خلال حملة GHGMon.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث المنهجية والافتراضات الأساسية لتقنية تباين الدوامة (EC) لقياس التدفقات العمودية لغازات الدفيئة (GHGs) وغيرها من الكميات في طبقة الحدود الكوكبية (PBL). تعتمد EC على التباين بين سرعة الرياح العمودية ($w$) وكمية سكلارية ($c$)، مع افتراض وجود اضطراب متطور جيدًا، ووجود إرجوديسي، وتجانس مكاني. بينما تقتصر EC التقليدية على المصادر المساحية، يمكن لـ EC الهوائية التقاط الانبعاثات من مصادر نقطية متفرقة بشكل فعال من خلال متوسط مساهماتها على نطاقات مكانية أكبر. ومع ذلك، قد لا ينطبق افتراض الإرجوديسي تحت ظروف الطقس المتغيرة، مما يمكن أن يؤدي إلى أخطاء قياس كبيرة، خاصة في التطبيقات الجوية الحساسة للحركات الفرعية.
تناقش هذه القسم أيضًا أهمية قياس التدفقات العمودية المضطربة بدقة، والتي تمثلها المعادلة $F = \rho_{\text{air}} w c$، حيث $\rho_{\text{air}}$ هو كثافة الهواء. يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى اختيار دقيق لأرجل التدفق للامتثال لافتراضات EC، مع تحقيق توازن بين الدقة المكانية وعدم اليقين في القياس. ي outline المؤلفون خطوات المعالجة المسبقة التي تم اتخاذها لضمان جودة البيانات، بما في ذلك مزامنة توقيتات القياس، والتعامل مع البيانات المفقودة، واستبعاد أرجل التدفق التي تنتهك افتراضات EC. بالإضافة إلى ذلك، يبرز المؤلفون أهمية التحليلات الطيفية والكوطيفية في معالجة فقدان التدفقات عالية التردد المحتمل وضمان أن التدفقات المقاسة تعكس بدقة المساهمات المضطربة. بشكل عام، تؤكد المناقشة على التعقيدات والصرامة المنهجية المطلوبة للحصول على قياسات موثوقة لتدفقات GHG باستخدام EC الهوائية.
DOI: https://doi.org/10.5194/amt-19-185-2026
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Paul Waldmann et al.
Primary Topic: Atmospheric and Environmental Gas Dynamics
Overview
This study presents the inaugural deployment of an airborne eddy covariance (EC) system designed to quantify non-CO₂ greenhouse gas emissions, specifically methane (CH₄) and nitrous oxide (N₂O), from agricultural sources. Conducted in Friesland, Netherlands, during early summer 2023 using a DLR research aircraft, the system integrates a quantum cascade laser spectrometer adapted for airborne use, providing high-frequency (10 Hz) data alongside meteorological measurements. This innovative approach allows for regional-scale coverage while maintaining high spatial resolution, effectively capturing the complexity of agricultural emissions. Notably, the study identifies significant N₂O emission hotspots, with peak fluxes reaching 0.34 µg m⁻² s⁻¹ following precipitation events, while CH₄ emissions remained relatively stable at an average of 1.62 µg m⁻² s⁻¹.
The findings indicate that N₂O emissions in the study area are among the highest reported globally for growing-season agricultural emissions, highlighting substantial underestimations in current inventories such as EDGAR v8.0 and the Dutch emission inventory Emissieregistratie. The research underscores the necessity for independent verification of agricultural greenhouse gas emissions, particularly as this sector is projected to become increasingly significant due to rising global food demands. The airborne EC method developed in this study represents a significant advancement in the top-down quantification of anthropogenic emissions, offering a robust tool for future research and potentially extending to natural sources of greenhouse gases, thereby enhancing the understanding of the global greenhouse gas budget.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant role of methane (CH₄) and nitrous oxide (N₂O) as anthropogenic greenhouse gases, ranking second and third after carbon dioxide (CO₂). Since preindustrial times, atmospheric CH₄ concentrations have surged by over 2.5 times, primarily due to human activities such as fossil fuel extraction, agriculture, and waste management. CH₄ has a 100-year global warming potential (GWP₁₀₀) of 27 and a short atmospheric lifetime of 9.1 years, making it a critical target for immediate climate mitigation. Recent years have seen unprecedented growth rates in CH₄ emissions, particularly from 2020 to 2022, raising concerns about the implications for climate targets under the Shared Socioeconomic Pathway (SSP) scenarios. Similarly, N₂O, with a GWP₁₀₀ of 273 and an atmospheric lifetime of approximately 116 years, is predominantly emitted through agricultural practices and is projected to contribute significantly to long-term climate change.
The paper emphasizes the necessity for substantial reductions in non-CO₂ greenhouse gases to meet the Paris Agreement’s goals of limiting global temperature rise. Specifically, it calls for a 51% reduction in human-made CH₄ emissions and a 22% reduction in N₂O emissions by 2050 compared to 2020 levels. The introduction also discusses the challenges in accurately quantifying agricultural emissions, which account for a significant portion of total anthropogenic CH₄ (40%) and N₂O (56%). Current methodologies, including bottom-up (BU) and top-down (TD) approaches, face limitations in capturing the spatial and temporal variability of emissions from agricultural sources. The study proposes an innovative airborne eddy covariance (EC) setup optimized for N₂O to enhance the quantification of both CH₄ and N₂O emissions at high spatial resolution, addressing the need for improved observational capabilities in agricultural contexts.
Methods
In this study, airborne eddy covariance (EC) flux measurements were conducted using the DLR research aircraft Cessna Grand Caravan 208-B, which was outfitted with a 10 Hz greenhouse gas (GHG) analyzer from MIRO Analytical AG for the detection of nitrous oxide (N₂O) and methane (CH₄). The analyzer was specifically modified for airborne use, featuring a calibration unit for frequent in-flight adjustments. Additionally, the aircraft was equipped with the METPOD system, capable of recording fast vertical wind data at rates exceeding 10 Hz, as described by Mallaun et al. (2015).
The section elaborates on the principles underlying eddy covariance measurements and discusses the unique challenges encountered when applying this method in an airborne context. It details the specifications of the GHG analyzer and the meteorological instruments utilized, alongside outlining the flight strategy implemented during the GHGMon campaign.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the methodology and assumptions underlying the eddy covariance (EC) technique for measuring vertical fluxes of greenhouse gases (GHGs) and other scalars in the planetary boundary layer (PBL). EC relies on the covariance between vertical wind velocity ($w$) and a scalar quantity ($c$), assuming well-developed turbulence, ergodicity, and spatial homogeneity. While traditional EC is limited to areal sources, airborne EC can effectively capture emissions from dispersed point sources by averaging their contributions over larger spatial scales. However, the assumption of ergodicity may not hold under varying weather conditions, which can introduce significant measurement errors, particularly in airborne applications sensitive to submeso-scale motions.
The section also discusses the importance of accurately quantifying vertical turbulent fluxes, represented by the equation $F = \rho_{\text{air}} w c$, where $\rho_{\text{air}}$ is air density. The authors emphasize the need for careful selection of flux legs to comply with EC assumptions, balancing spatial resolution and measurement uncertainties. They outline the preprocessing steps taken to ensure data quality, including synchronization of measurement timestamps, handling of missing data, and exclusion of flux legs that violate EC assumptions. Additionally, the authors highlight the significance of spectral and cospectral analyses in addressing potential high-frequency flux losses and ensuring that the measured fluxes accurately reflect turbulent contributions. Overall, the discussion underscores the complexities and methodological rigor required for reliable airborne EC measurements of GHG fluxes.