DOI: https://doi.org/10.3390/s26020462
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41600260
تاريخ النشر: 2026-01-10
المؤلف: Viacheslav Meshcherinov وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطبيقات الطيفية والليزر
نظرة عامة
تقدم البحث E-CAHORS، وهو مقياس طيف ليزر ثنائي مفتوح المسار مضغوط يعمل بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة مصمم لقياس تركيزات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) والميثان (CH₄) وبخار الماء (H₂O) في الغلاف الجوي القريب من السطح بشكل متزامن. يستخدم الجهاز ليزرين متسلسلين يعملان عند أطوال موجية 2.78 ميكرومتر و3.24 ميكرومتر، مدمجين ضمن خلية بصرية جديدة على شكل حرف M بأربعة تمريرات، مما يمكّن من الحصول على قوة إشارة عالية وتشغيل ميداني طويل الأمد دون الحاجة إلى أخذ عينات هواء نشطة. باستخدام مطيافية امتصاص ليزر الثنائي القابل للتعديل (TDLAS) ومطيافية تعديل الطول الموجي المبسطة (sWMS)، أظهر المقياس استجابات خطية لجميع الغازات (R² ≈ 0.999) ودقة كشف تصل إلى 311 جزء في البليون لثاني أكسيد الكربون، و8.87 جزء في البليون للميثان، و788 جزء في البليون لبخار الماء بمعدل قياس قدره 10 هرتز. أظهرت الاختبارات الميدانية علاقات قوية مع المحللات التجارية، مما يؤكد موثوقية الجهاز لقياسات التدفق عبر طريقة التباين الدوامي.
تسلط النتائج الضوء على مزايا TDLAS من حيث انخفاض الضوضاء والاستقرار تحت الظروف الخارجية، بينما كانت sWMS، على الرغم من توفيرها لطيف خالي من القاعدة، أكثر حساسية لتقلبات الطاقة. تؤكد الدراسة على إمكانيات E-CAHORS في مراقبة غازات الدفيئة في الهواء الطلق، مع خطط لمزيد من التحسينات في معدلات جمع البيانات والتصميم البصري لتعزيز الأداء. التصميم المضغوط (4.2 كجم) واستهلاك الطاقة المنخفض (10 واط) يضعان E-CAHORS كأداة واعدة لتوسيع شبكات القياس، مما يساهم في فهم أفضل للتأثيرات البيئية للنشاط البشري.
مقدمة
تستعرض مقدمة هذه الورقة السياق التاريخي والتطور العلمي لأبحاث تغير المناخ، مع التأكيد على الاعتراف الطويل الأمد بتأثير الأنشطة البشرية على المناخات المحلية، والذي يعود إلى العلماء القدماء مثل ثيوفراستوس. اكتسبت الدراسة الرسمية لتغير المناخ زخمًا في القرن التاسع عشر مع تحديد تأثير الدفيئة الطبيعي. على الرغم من التقدم في علم المناخ، لا تزال العديد من المناطق النائية تفتقر إلى بنية تحتية كافية للقياس، مما دفع إلى تطوير جهاز محمول مصمم لقياس الوفرة الطبيعية لغازات الدفيئة في النظم البيئية المحلية باستخدام طريقة التباين الدوامي (EC).
كانت طريقة EC محورية في تحديد التدفقات العمودية المضطربة للحرارة وبخار الماء وثاني أكسيد الكربون وغيرها من الغازات على مدار الثلاثين عامًا الماضية. تتيح هذه التقنية القياس المباشر لتدفقات غازات الدفيئة بين الأسطح النباتية والغلاف الجوي، مع قدرة الأجهزة الحديثة على تقييم تدفقات الكتلة والطاقة على مقاييس زمنية مختلفة مع تقليل الاضطراب البيئي. توضح الورقة الإطار الرياضي لطريقة EC، حيث يتم التعبير عن التدفق العمودي المضطرب \( F \) لغاز تتبع كالتالي \( F \approx \rho_d w’s’ \)، حيث تمثل \( \rho_d \) كثافة الهواء الجاف المتوسطة، و\( w’ \) الانحراف اللحظي لسرعة الرياح العمودية، و\( s’ \) انحراف تركيز الغاز. يبرز هذا التشكيل التباين بين تركيز الغاز وتقلبات سرعة الرياح، وهو أمر أساسي لفهم ديناميات انبعاثات غازات الدفيئة استجابةً للتأثيرات البشرية.
طرق
تستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. توضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية ومعدات وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية التقنيات المطبقة لجمع البيانات وتحليلها، بما في ذلك الطرق الإحصائية وأي أدوات حسابية تم استخدامها.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم إعداد التجربة، بما في ذلك الضوابط والمتغيرات، لتوضيح كيفية الحصول على النتائج. تتيح هذه المقاربة الشاملة فهمًا واضحًا لإطار البحث، مما يسهل تقييم النتائج وتأثيراتها ضمن السياق الأوسع للدراسة.
نتائج
في تقييم نموذج E-CAHORS، تم إجراء المعايرة باستخدام خلطات غازية معروفة داخل غرفة فراغ في معهد أبحاث الفضاء التابع للأكاديمية الروسية للعلوم. سهلت هذه العملية تقييم دقة القياس لتركيزات ثاني أكسيد الكربون (CO$_2$) والميثان (CH$_4$) وبخار الماء (H$_2$O).
علاوة على ذلك، تم إجراء قياسات متزامنة على مدى ست ساعات باستخدام محللات LI-COR LI-7200 وLI-7700 في موقع حقل عشبي يقع في منطقة موسكو. كانت هذه الاختبارات تهدف إلى التحقق من أداء نموذج E-CAHORS في ظروف العالم الحقيقي، مما يساهم في فهم فعاليته التشغيلية في قياس تركيزات غازات الدفيئة.
مناقشة
تقيّم قسم المناقشة في الورقة أداء وتصميم مقياس التدفقات الجوية عالي السرعة (E-CAHORS)، وهو جهاز جديد لقياس غازات الدفيئة (GHGs) مثل CO₂ وCH₄ وH₂O. يستخدم E-CAHORS نظامًا بصريًا مفتوح المسار بأربعة تمريرات، مما يسمح بالمراقبة في الوقت الحقيقي دون الحاجة إلى مضخات هواء، مما يقلل من تأخير العينة ويعزز الكفاءة التشغيلية. تم مقارنة أداء الجهاز مع المحللات التجارية المعروفة، وخاصة LI-COR LI-7200 وLI-7700، مما أظهر توافقًا قويًا في قياسات تركيز الغاز، لا سيما مع طريقة مطيافية امتصاص ليزر الثنائي القابل للتعديل (TDLAS)، التي أظهرت استقرارًا أكبر من تقنية مطيافية تعديل الطول الموجي المبسطة (sWMS).
تسلط المناقشة الضوء على التحديات الرئيسية التي تم مواجهتها خلال التقييمات الميدانية، مثل الضوضاء الناتجة عن فيلم PTFE الذي يحمي المكونات البصرية والانعكاسات الخلفية التي تؤثر على دقة استرجاع الميثان. تم التخطيط لتحسينات مستقبلية، بما في ذلك تحسين معالجة البيانات لـ sWMS، وزيادة معدلات الاكتساب، وتصميمات وحدات الليزر المحسّنة لتقليل التداخل البصري. يضع تصميم E-CAHORS المضغوط وقدرته على قياس عدة غازات دفيئة في وقت واحد كأداة واعدة للمراقبة البيئية، مع إمكانية نشر أوسع لفهم التأثيرات البشرية على المناخ.
DOI: https://doi.org/10.3390/s26020462
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41600260
Publication Date: 2026-01-10
Author(s): Viacheslav Meshcherinov et al.
Primary Topic: Spectroscopy and Laser Applications
Overview
The research presents E-CAHORS, a compact mid-infrared open-path diode-laser spectrometer designed for the simultaneous measurement of carbon dioxide (CO₂), methane (CH₄), and water vapor (H₂O) concentrations in the near-surface atmosphere. The instrument employs two interband cascade lasers operating at wavelengths of 2.78 µm and 3.24 µm, integrated within a novel four-pass M-shaped optical cell, enabling high signal power and long-term field operation without active air sampling. Utilizing tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) and simplified wavelength modulation spectroscopy (sWMS), the spectrometer demonstrated linear responses for all gases (R² ≈ 0.999) and detection precisions of 311 ppb for CO₂, 8.87 ppb for CH₄, and 788 ppb for H₂O at a measurement rate of 10 Hz. Field tests indicated strong correlations with commercial analyzers, affirming the instrument’s reliability for flux measurements via the eddy-covariance method.
The findings highlight the advantages of TDLAS in terms of lower noise and stability under outdoor conditions, while sWMS, although providing baseline-free spectra, was more sensitive to power fluctuations. The study underscores the potential of E-CAHORS for outdoor greenhouse gas monitoring, with plans for further improvements in data acquisition rates and optical design to enhance performance. The compact design (4.2 kg) and low power consumption (10 W) position E-CAHORS as a promising tool for expanding measurement networks, ultimately contributing to a better understanding of the environmental impacts of human activity.
Introduction
The introduction of this paper outlines the historical context and scientific evolution of climate change research, emphasizing the long-standing recognition of human activities’ impact on local climates, dating back to ancient scholars like Theophrastus. The formal study of climate change gained momentum in the 19th century with the identification of the natural greenhouse effect. Despite advancements in climate science, many remote areas still lack adequate measurement infrastructure, prompting the development of a portable instrument designed to measure the natural abundance of greenhouse gases in local ecosystems using the Eddy Covariance (EC) method.
The EC method has been pivotal in quantifying vertical turbulent fluxes of heat, water vapor, carbon dioxide, and other gases over the past three decades. This technique allows for direct measurement of greenhouse gas fluxes between vegetated surfaces and the atmosphere, with modern instruments capable of assessing mass and energy fluxes at various temporal scales while minimizing ecological disruption. The paper details the mathematical framework of the EC method, where the turbulent vertical flux \( F \) of a trace gas is expressed as \( F \approx \rho_d w’s’ \), with \( \rho_d \) representing mean dry air density, \( w’ \) the instantaneous deviation of vertical wind velocity, and \( s’ \) the deviation of gas concentration. This formulation highlights the covariance between gas concentration and wind velocity fluctuations, which is essential for understanding the dynamics of greenhouse gas emissions in response to anthropogenic influences.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the techniques applied for data collection and analysis, including statistical methods and any computational tools utilized.
Additionally, the section may describe the experimental setup, including controls and variables, to clarify how the results were obtained. This comprehensive approach allows for a clear understanding of the research framework, facilitating the evaluation of the findings and their implications within the broader context of the study.
Results
In the evaluation of the E-CAHORS prototype, calibration was performed using known gas mixtures within a vacuum chamber at the Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences. This calibration process facilitated the assessment of measurement accuracy for carbon dioxide (CO$_2$), methane (CH$_4$), and water vapor (H$_2$O) concentrations.
Furthermore, simultaneous measurements were conducted over a duration of six hours utilizing LI-COR LI-7200 and LI-7700 analyzers at a grass field site located in the Moscow region. These tests aimed to validate the performance of the E-CAHORS prototype in real-world conditions, contributing to the understanding of its operational efficacy in measuring greenhouse gas concentrations.
Discussion
The discussion section of the paper evaluates the performance and design of the Eddy-Covariance Atmospheric fluxes High-speed Optical Research Spectrometer (E-CAHORS), a novel instrument for measuring greenhouse gases (GHGs) such as CO₂, CH₄, and H₂O. The E-CAHORS utilizes a four-pass open-path optical system, allowing for real-time monitoring without the need for air pumps, thus minimizing sample delay and enhancing operational efficiency. The instrument’s performance was compared against established commercial analyzers, specifically the LI-COR LI-7200 and LI-7700, demonstrating strong agreement in gas concentration measurements, particularly with the Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) method, which exhibited greater stability than the simplified Wavelength Modulation Spectroscopy (sWMS) technique.
The discussion highlights key challenges encountered during field evaluations, such as noise introduced by the PTFE film protecting the optical components and back-reflections affecting methane retrieval accuracy. Future improvements are planned, including enhanced data processing for sWMS, increased acquisition rates, and optimized laser module designs to mitigate optical interference. The E-CAHORS instrument’s compactness and capability to simultaneously measure multiple GHGs position it as a promising tool for environmental monitoring, with potential for broader deployment in understanding anthropogenic impacts on climate.