Metoda komorowa pomiaru strumienia CO 2

Metoda komorowa pomiaru strumienia gazu z gleby polega na pomiarze zmian stężenia gazu we wnętrzu otwartej od dołu komory, którą ustawiono na powierzchni gleby emitującej badany gaz. W różnych konfiguracjach techniki komorowe były wykorzystywane do pomiarów emisji CO2 z gleby począwszy od lat dwudziestych ubiegłego wieku

[Bornemann, 1920; Lundegårdh, 1922]. Ze względu na konstrukcję układu komorowego można wyróżnić dwa podstawowe typy: komory otwarte, przez które powietrze przepływa swobodnie w czasie trwania pomiaru strumienia i zamknięte, które nie pozwalają na wymianę powietrza z otoczeniem. Zgodnie z klasyfikacją zaproponowaną przez Livingstona i Hutchinsona [1995], metodologie pomiarów komorowych można podzielić na dwie grupy: systemy działające w stanie ustalonym, gdzie do obliczenia strumienia wykorzystuje się graniczną wartość stężenia CO2 pod komorą ustalającą się po pewnym czasie, oraz w stanie nieustalonym, gdzie do obliczenia strumienia wykorzystywana jest szybkość narostu stężenia CO₂ pod komorą w początkowym okresie pomiaru.

W niniejszej pracy do pomiaru strumienia CO2 z gleby wykorzystano technikę komory zamkniętej działającej w stanie nieustalonym. Emitowany CO2 akumuluje się w komorze podczas pomiaru, a gęstość strumienia F [mol m^-2 s^-1] jest obliczana na podstawie szybkości zmian stężenia pod komorą ∂c/∂t [μmol mol-1

s^-1]:

^(4.1)

gdzie p – ciśnienie atmosferyczne [Pa], R – uniwersalna stała gazowa [8.314 J mol^-1K^-1], T – temperatura powietrza [K], V i A to odpowiednio objętość komory [m³] i zakryta nią powierzchnia gleby [m²]. Powyższe równanie jest prawdziwe przy założeniu, że powietrze w komorze można traktować jak gaz doskonały.

Ze względu na charakter dyfuzyjny emisji CO2 z gleby (Rozdział 2.1.3; Kutzbach i in., 2007) w zamkniętym układzie komorowym po pewnym czasie dochodzi do ustalenia się stężenia CO2 między glebą i komorą. W wyniku stopniowego zaniku gradientu stężenia jego narost pod komorą jest nieliniowy. Efekt jest szczególnie wyraźny przy długim czasie pomiaru lub dużych wartościach badanego strumienia.

Aby uzyskać wartość ∂c/∂t|t=0 do danych narostu stężenia pod komorą dopasowywana jest funkcja analityczna [Hutchinson i Mosier, 1981; Livingston i in., 2006; Kutzbach i in., 2007]. Szcze-gółowa charakterystyka modeli narostu stężenia pod komorą oraz ich stosowalności do komór wykorzystanych do badań znajduje się w Aneksie A.1.

W ramach niniejszej pracy do pomiarów strumienia CO2 z gleby w Krakowie wykorzy-stano dwie odmienne konstrukcje komory wykonane w WFiIS AGH (Rys. 4.1). Pierwsza będąca w użyciu komora o podstawie kwadratu ma pojemność 45 litrów i wykonana jest w całości ze stali nierdzewnej. Komora cylindryczna jest od niej mniejsza (pojemność około

27 litrów), wykonana ze stali nierdzewnej i pleksiglasu; wyposażona jest również w wężyk kompensujący zmiany ciśnienia pod komorą [Hutchinson i Livingston, 2001]. Obie komory wyposażone są w kołnierze wbijane w glebę co pozwala na uniknięcie nieszczelności w miejscu styku. Szczegółowe parametry komór zostały omówione w Aneksie A.2.

Testy porównawcze obu komór przeprowadzone w okresie przejściowym (wiosna i lato 2011 r.) wykazały zgodność mierzonych strumieni CO2 w granicach oszacowanej niepewności pomiaru strumienia. Wykonane ze stali nierdzewnej komory cylindryczne wyposażono w przezroczyste wieko – w takiej wersji możliwy jest pomiar strumienia netto (respiracja minus asymilacja). Po nakryciu komory nieprzezroczystą pokrywą można wykonać pomiar strumienia pochodzącego tylko z respiracji.

Rys. 4.1. Konstrukcje komór pomiarowych wykorzystanych do badania strumienia CO₂ z gleby w Krakowie.

Aby poprawić reprezentatywność wyników dla pomiarów komorowych i lepiej oszacować przestrzenne zróżnicowanie strumienia glebowego CO2, w 2013 r. zwiększono do trzech liczbę komór wykorzystywanych w pojedynczym pomiarze. Mogą one być rozstawiane w promieniu 10 metrów od analizatora. Każda z komór została wyposażona we własny czujnik temperatury, wilgotności i ciśnienia (zintegrowana sonda EI1050, LabJack Corporation). Na Rys. 4.2 przedstawiono schemat blokowy zbudowanego systemu pomiaro-wego, składającego się z trzech niezależnych torów.

Rys. 4.2. Schemat blokowy trzykomorowego systemu pomiarowego. T, p, H – czujniki temperatury, ciśnienia i wilgotności względnej powietrza pod komorą; P1-P3 – pompki; Z1-Z3 – zawory igłowe kontrolujące przepływ; ZK1-ZK6 – zawory sterujące napełnianiem kuwet; M1-M3 – przepływomierze.

W każdym torze znajduje się komora, pompka membranowa P zasysająca powietrze z wnętrza komory, zawór igłowy Z ustalający wielkość przepływu powietrza, osuszacz (silnie higroskopijny związek chemiczny – nadchloran magnezu, Mg(ClO4)2), oraz przepływomierz elektroniczny M. Dodatkowo w jednym z torów umieszczono zestaw gniazd i zaworów elektromagnetycznych ZK umożliwiających automatyczne napełnianie trzech jednolitrowych szklanych pojemników (kuwet) K1-3, pozwalających na późniejszy pomiar składu izotopowego CO₂. Centralnym elementem zestawu jest laserowy analizator stężenia i składu izotopowego CO2 Picarro G2101i. Cały zestaw przyrządów zasilany jest akumulatorami o pojemności 2x100 Ah, co umożliwia wykonywanie pomiarów terenowych.

Układ sterujący, zaprojektowany i wykonany w ramach pracy magisterskiej

[Węglarczyk, 2012], kontroluje automatycznie przepływ powietrza przez komory, proces pobierania powietrza do kuwet oraz monitoruje ciśnienie, temperaturę i wilgotność wewnątrz komór. Poprzez złącze USB, zrealizowane w wielofunkcyjnym elemencie akwizycji danych LabJack U12 (LabJack Corporation, Lakewood, Colorado, USA), można na bieżąco kontrolować proces pomiaru. Układ może być sterowany ręcznie lub pracować w trybie automatycznym pod kontrolą dedykowanego oprogramowania.

Ewolucja stężenia CO2 mierzonego równolegle w trzech komorach przedstawiona została na Rys. 4.3. Ponieważ analizator może dokonywać pomiaru stężenia z jednego źródła, stężenie w systemie trzykomorowym mierzone jest sekwencyjnie: co trzy minuty zmieniana jest komora, z której pobierane jest powietrze. Po eliminacji wartości stężenia związanych z efektami przełączania zaworów analizatora pozostaje trzyczęściowy przebieg c(t), do którego dopasować można funkcję zgodnie z wybranym modelem (Rys. 4.3). Kompletny pomiar strumienia CO2 z wykorzystaniem tej sekwencji trwa 28 minut, po 9 minutach płukania układu powietrzem atmosferycznym przy otwartych komorach.

Jednoczesny pomiar c(t) w trzech miejscach pozwala na uzyskanie informacji na temat homogeniczności strumienia CO2 w danym punkcie pomiarowym. W podanym na Rys. 4.3

przykładzie wartość strumienia dwutlenku węgla z komory 1 i 2 była równa w granicach niepewności standardowej pomiaru, natomiast w punkcie 3 zmierzony strumień był znacząco wyższy.

Rys. 4.3. Ewolucja stężenia CO₂ mierzonego przez analizator podczas pomiaru strumienia przez system 3komory wraz z dopasowaną funkcją regresji liniowej. Kolorami zaznaczono poszczególne ścieżki wielodrożnego zaworu analizatora.

Omawiany układ pomiarowy może współpracować również z komorą pływającą

(Rys. 4.4) umożliwiającą pomiary strumienia i składu izotopowego CO2 uwalnianego z powierzchni wody. Podstawą konstrukcji komory jest prostopadłościenny pojemnik wykonany z tworzywa sztucznego. Po jego bokach przymocowane zostały dwie puste w środku rury z PCW. Pełnią one rolę pływaków zapewniających odpowiednią wyporność i stabilność konstrukcji. Od wewnątrz komory zamontowano haczyki, do których można zamocować kotwicę unieruchamiającą komorę w wybranym miejscu. Objętość powietrza pod komorą w stanie zanurzonym wynosi około 74 litry, a pole powierzchni przykrytej komorą wody wynosi 0.313±0.010m2

Rys. 4.4. Komora pływająca do pomiaru strumienia CO₂ z powierzchni rzeki.

Zanim do pomiarów strumieni CO₂ został zaimplementowany analizator Picarro stężenia i składu izotopowego CO2, w zestawie z jedną komorą stosowano czujnik stężenia CO2 w podczerwieni CarboCAP (Vaisala, Vantaa, Finlandia). Czujnik wyposażono w pompkę i system LabJack ze złączem USB umożliwiający bieżącą obserwację wyników oraz kontrolę procesu pomiaru poprzez dedykowane oprogramowanie.