Российские исследователи разработали прибор для анализа парниковых газов, основанный на лазерных технологиях. Эта разработка поможет более эффективно использовать природные ресурсы и выяснить, как глобальное потепление влияет на растительность. Мониторинг экосистем, который ранее проводился с использованием импортного оборудования, теперь станет возмож о вести российскими приборами.
Среди наиболее важных задач, стоящих перед экологами, является изучение процессов газообмена в лесных массивах, полевых экосистемах, болотах и других природных сообществах. Необходимо определить, способствуют ли они улавливанию парниковых газов или же являются источником их выброса в атмосферу?
Полученные сведения можно рассматривать как подобие «медицинской карты». Например, если природная территория выделяет больше парниковых газов, чем способна поглотить, это может указывать на отклонение от ее нормального функционирования. Своевременное обнаружение подобных проблемных зон даст возможность предпринять шаги по их восстановлению.
С целью упрощения работы для ученых, группа специалистов из Московского физико-технического института, Института космических исследований РАН, Института эволюции и экологии имени А.Н. Северцова РАН, Института лесоведения РАН, а также Венского технического университета (Австрия) разработала переносное устройство, позволяющее одновременно определять концентрацию трех основных парниковых газов: углекислого газа, метана и водяного пара, присутствующих в атмосфере. Описание этой разработки представлено в научной статье, опубликована в журнале Sensors.
Разработанное устройство носит название E-CAHORS. Эта аббревиатура расшифровывается как «высокочастотный оптический спектрометр для изучения атмосферных потоков с использованием метода турбулентных пульсаций». Прибор состоит из двух лазеров, излучение от которых проходит сквозь атмосферный воздух, двигаясь по М-образной траектории между зеркалами.
Длина пути луча внутри прибора равна 135 см. Принцип работы спектрометра заключается в том, что молекулы различных газов поглощают свет на конкретных длинах волн. Таким образом, определяя характерное поглощение на известных длинах волн в излучении, достигающем фотодетектора, и используя вычислительные алгоритмы, представленные в работе, можно вычислить концентрацию всех трех измеряемых парниковых газов в каждый момент времени.
«Главное отличие E-CAHORS от зарубежных решений заключается в применении двух лазеров, что позволяет одновременно измерять концентрации трех ключевых парниковых газов. В большинстве случаев для выполнения таких измерений требуется не менее двух отдельных устройств», — пояснил один из разработчиков, ведущий инженер Научно-технического центра мониторинга окружающей среды и экологии МФТИ Вячеслав Мещеринов.
По словам разработчика, ещё одним существенным отличием является применение излучения среднего инфракрасного диапазона. Это связано с тем, что поглощение определенных газов в этом диапазоне спектра гораздо интенсивнее, чем в ближнем инфракрасном, который обычно используется в подобных устройствах.
Это позволило применять упрощенную оптическую схему «М-образной» формы, в которой каждый лазерный луч проходит через атмосферу четыре раза. Для обеспечения сопоставимой чувствительности в ближней инфракрасной области потребовалась бы более сложная многопроходная система, которая оказалась бы более восприимчива к внешним факторам в реальных условиях эксплуатации, что негативно сказалось бы на стабильности получаемых данных.
«Спектрометр обладает открытым аналитическим объемом, что позволяет проводить измерения непосредственно окружающего прибор воздуха. В конкурирующих системах, как правило, поток воздуха направляется насосом по трубкам в закрытую кювету для анализа, что приводит к задержке и необходимости в пересчете и корректировке данных. Также, благодаря реализованным решениям, прибор отличается большей компактностью. Вес газоанализатора — всего чуть более 4 кг, это упрощает его монтаж на большой высоте, что необходимо для измерений на мачтах над лесами», — уточнил ученый.
Разработчики отмечают, что поступающие запросы от научных учреждений свидетельствуют о высоком спросе на данное устройство. В частности, оно необходимо для поддержания деятельности карбоновых полигонов – участков, где осуществляется контроль за концентрацией парниковых газов. Новые приборы, отличающиеся доступностью и простотой использования, позволят расширить сеть экологических и климатических станций в России, что крайне важно для оценки состояния природных систем и влияния на них человеческой деятельности.
«Сейчас в России действует порядка 35 станций наблюдений, объединенных в сеть RuFlux. Они работают в лесах, на болотах, в тундре и в степях. До 2026 года все используемые газоанализаторы были иностранными. Их закупка стоит огромных денег и затруднена в условиях санкций. Например, чтобы следить за тремя газами, требовалось ставить два отдельных газоанализатора LI-COR Inc. американского производства общей стоимостью под 50 млн рублей», — отметила соавтор разработки, научный сотрудник Института проблем электроэнергетики им. Е.О. Виноградова Ольга Куричева.
По словам специалиста, создание нового спектрометра позволяет уменьшить начальную стоимость станции наблюдения и облегчить процесс приобретения необходимого оборудования. В целом, исследователи полагают, что внедрение современных российских инструментов для мониторинга парниковых газов и формирование разветвленной сети наблюдений помогут России оптимизировать управление природными ресурсами.
Оценка способности экосистем поглощать парниковые газы даст нашей стране возможность, в случае развития углеродного рынка, получать прибыль от продажи квот. Рациональное использование этого ресурса способно стать дополнительным источником дохода для экономики страны.
Научная статья: Мещерянов В., Газизов И., Правук Б., Казаков В., Зеневич С., Спиридонов М., Газизов С., Суворов Г., Куричева О., Лебедев Ю. и др. Лазерный спектрометр с методом больших траекторий для одновременного мониторинга CO2, CH4 и H2O. Сенсоры. 2026; 26(2):462. https://doi.org/10.3390/s26020462
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ