КАМЕРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ПОТОКА ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ С ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА
CHAMBER FOR MEASURING THE SPECIFIC FLOW OF GREENHOUSE GASES FROM THE SOIL COVER

Изобретение относится к области экологии, почвоведения, в частности к способам измерения удельного потока парниковых газов (метана, углекислого газа и др.) с почвенного покрова (почвы, отходы, болото и др.) в атмосферу с использованием открытой камеры и лазерного детектора газа.
Известна автоматическая камера для измерения потоков парниковых газов на поверхности раздела почва-атмосфера (патент RU №169373, опубл. 15.03.2017), состоящая из подвижной и неподвижной частей камеры. Неподвижная часть камеры выполнена в виде рамы квадратной формы, с закрепленным на ней цельным листом из прозрачного материала, установленной на вертикальных стойках, зафиксированных на основании. Подвижная часть камеры образована каркасом, который имеет форму прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, на котором установлены боковые стенки из прозрачного материала, при этом она дополнительно содержит крестообразную раму, установленную над каркасом, к концам образующих раму элементов прикреплены штоки пневмоцилиндров, установленных вертикально на основании камеры.
Недостатками известной камеры является сложность конструкции, наличие связующего элемента в основании между пластиной и квадратным колодцем, который может создать дополнительное сопротивление основания в процессе установки его в почву, особенно при наличии в почве камней и прочих твердых крупных включений. Квадратная форма камеры при работе вентиляторов провоцирует возникновение застойных воздушных зон в углах, и как следствие неоднородного распределения газа по объему камеры. Камера выполнена из прозрачного материала, под действием солнца температура внутри камеры будет расти, что повлияет на процессы эмиссии газа внутри камеры. Нерегулируемая скорость потока воздуха внутри камеры, которая задается работой вентиляторов и газоанализатора (замкнутый цикл анализа воздуха), будет отличаться от текущей скорости ветра вне камеры и как следствие поток газа в камере и поток газа в природных условиях могут отличаться. При высокой скорости потока парникового газа из земной поверхности, внутри камеры может возникнуть избыточное давление во время измерения, по причине ее герметичности, что приведет к понижению скорости диффузии парникового газа с почвенного покрова внутри камеры.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для измерения эмиссии парниковых газов из почвы и растений (патент RU №2518979, опубл. 10.06.2014). Устройство представляет собой разъемную камеру, состоящую из цилиндрических камеры и основания, скрепленных между собой посредством двух горизонтальных пластин с зажимами. Нижняя часть основания выполнена со скосами, а в верхней части камеры герметично установлена крышка с эластичной пробкой. Камера содержит приспособление для вентилирования в ней воздуха. Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - камера для измерения удельного потока парниковых газов с почвенного покрова выполнена разъемной и состоит из двух частей: цилиндрического основания и верхней части, выполненной в виде полого цилиндра; нижний край основания заострен.
У известного оборудования, принятого за прототип, вызывает сомнение герметичность стыка основания и цилиндрической камеры, поскольку герметичность обеспечивается только прижатием горизонтальных пластин основания и камеры между собой посредством зажимов. Нерегулируемая скорость работы вентилятора внутри камеры, которая задает скорость воздушного потока отличную от скорости ветра снаружи камеры, что ведет к изменению скорости потока парниковых газов с почвенного покрова в камеру относительно природных условий. Опасность возникновения избыточного давления внутри камеры во время измерения, по причине герметичности и скопления газа. При возникновении избыточного давления скорость диффузии парниковых газов внутри камеры уменьшается.
Кроме того, необходимость отбора проб газа шприцом, транспортирование в лабораторию, хранение и анализ на газовом хроматографе ведут к увеличению суммарной погрешности измерения концентрации исследуемого газа в газовой пробе.
В природных условиях поток парниковых газов с почвенного покрова в атмосферу формируется за счет следующих основных механизмов.
- диффузия - молекулярный перенос газа по градиенту его концентрации;
- естественная конвекция - гравитационный перенос газов под действием силы тяжести, при его неравномерном нагреве (под действием температурных градиентов);
- вынужденная конвекция - при активной газогенерации органики в почвенной и подпочвенной толще, возникает избыточное давление, формируется биогенный градиент давления.
Среди физических свойств почв, которые также оказывают влияние на поток парниковых газов особо стоит отметить гранулометрический состав, пористость, влажность, температурный режим, микро- и макрорельеф поверхности.
На скорость эмиссии парниковых газов с почвенного покрова также оказывают влияние атмосферные факторы, среди них скорость ветра, атмосферное давление, температура, влажность воздуха, солнечная активность.
Как описано выше, поток парниковых газов с почвенного покрова формируется большим перечнем факторов. Поэтому при проведении измерений необходимо минимизировать влияние конструкции камеры на эти факторы. В противном случае мы можем наблюдать измененный как в большую, так и в меньшую сторону поток парниковых газов относительно природных условий.
Техническая задачазаключается в создании удобной в эксплуатации открытой камеры для измерения удельного потока парниковых газов (метана, углекислого газа и др.) с почвенного покрова (почва, отходы, болото и др.), обеспечивающей высокую точность замеров и достоверность полученных результатов.
Технический результат- повышение точности замеров и достоверности полученных результатов при измерении удельного потока парниковых газов (метана, углекислого газа и др.) с почвенного покрова (почва, отходы, болото и др.) за счет минимизации воздействия конструкции камеры на поток газа с почвенного покрова в атмосферу, измерений концентраций газа в камере на месте, в полевых условиях, с применением лазерного детектора газа.
Указанный технический результат достигается тем, что известная камера для измерения удельного потока парниковых газов с почвенного покрова выполнена разъемной и состоящая из двух частей: цилиндрического основания, нижний край которого заострен, и верхней части, выполненной в виде полого цилиндра, согласно полезной модели верхний край основания представляет собой П-образный желоб, который служит гидрозатвором стыка между основанием и полым цилиндром, полый цилиндр установлен в П-образный желоб гидрозатвора основания, на оголовок полого цилиндра установлена вентиляционная решетка, на боковой стенке цилиндра расположено по меньшей мере одно измерительное окно, при этом полый цилиндр выполнен из прозрачного оргстекла, наружная его поверхность покрыта светоотражающим материалом, а измерительные окна закрыты светоотражающими шторками.
В зависимости от задач исследований в камере может быть установлен температурный датчик.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - верхний край основания представляет собой П-образный желоб, который служит гидрозатвором стыка между основанием и полым цилиндром; полый цилиндр установлен в П-образный желоб гидрозатвора основания; на оголовок полого цилиндра установлена вентиляционная решетка; на боковой стенке цилиндра расположено по меньшей мере одно измерительное окно; полый цилиндр выполнен из прозрачного оргстекла; наружная поверхность цилиндра покрыта светоотражающим материалом; измерительные окна закрыты светоотражающим шторками; установлен температурный датчик.
Заявляемая конструкция открытой камеры, проведение измерений парникового газа лазерным детектором обеспечивают пониженное влияние на поток парникового газа с почвенного покрова относительно природных условий в процессе проводимых измерений.
Вентиляционная решетка на оголовке цилиндрической камеры обеспечивает связь с атмосферой внутреннего объема камеры. Отверстия вентиляционной решетки обеспечивают максимально свободный выход газового потока из камеры, при этом обратные вихревые потоки газа не возникают. Внутри камеры не происходит скопления парникового газа и роста его концентрации и как следствие снижения его интенсивности выделения во время измерений. Не возникает избыточное давление внутри камеры, оно уравновешенно и равняется атмосферному давлению. Уменьшается риск возникновения обратной тяги на оголовке цилиндра из-за завихрений наружных воздушных потоков, они ударяются о сетку вентиляционной решетки и растекаются. Внутри камеры возникает стационарный поток газа.
С течением времени в процессе длительных исследований условия внутри камеры изменяются наравне с природными условиями вне камеры (температура, освященность, влажность и др.) что позволяет наблюдать поток парникового газа внутри камеры минимально отличный от природных условий. Поэтому длительность измерений не ограничевается конструкционными особенностями камеры, а только задачами проводимых исследований.
Нижний край цилиндрического основания врезается в почвенную поверхность на глубину 3-15 см (в зависимости от пористости почвенной поверхности), за счет чего обеспечивается герметичность между камерой и почвенным покровом, предотвращается подсос в камеру наружного воздуха через основание и эмиссия парникового газа в атмосферу.
Гидрозатвор исключает утечку парникового газа из камеры через место стыка основания и верхней части камеры, что способствует формированию однонаправленного стационарного потока газа к вентиляционной решетке камеры.
Наличие светоотражающего покрытия исключает нагрев камеры и внутреннего объема воздуха под действием солнечных лучей.
Применение лазерного детектора газа исключает риск изменения концентрации этого газа внутри камеры, возникновения перепадов давления, вызванных неоднократным отбором проб воздуха на анализ. Измерения лазерным детектором проводятся на месте, в полевых условиях, что ведет к уменьшению суммарной погрешности измерения концентрации исследуемого газа в газовой пробе, за счет отсутствия этапов отбора, транспортировки, хранения газовых проб.
Цилиндрическая форма камеры более обтекаема для внешнего потока воздуха, относительно прямоугольной, что ведет к уменьшению внешних дополнительных турбулентных потоков воздуха на вентиляционной решетке оголовка камеры.
Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами.
На фиг. 1 схематично представлены заявляемая камера и лазерный детектор газа в момент измерения, на фиг. 2 - простой продольный разрез.
Устройство (фиг. 1) содержит основание 1 в виде цилиндра, нижний край 2 которого заострен. Верхний край 3 основания является гидрозатвором в виде П-образного желоба. П-образный желоб заполнен запирающей жидкостью 4. Верхняя часть 5 камеры представляет собой полый цилиндр диаметром от 50 см, который установлен в П-образный желоб основания 3. На оголовок полого цилиндра 5 камеры установлена вентиляционная решетка 6. На боковой стенке верхней части 5 камеры расположено по меньшей мере одно измерительное окно 7 (фиг. 2). Измерительные окна закрыты светоотражающими шторками 8. Замеры парникового газа в камере проводят лазерным детектором 9.
Основание 1 камеры металлическое. Верхняя часть 5 камеры выполнена из прозрачного оргстекла, наружная поверхность которой покрыта светоотражающим материалом. Камера может быть оснащена температурным датчиком.
Совместная работа открытой камеры заявляемой конструкции и лазерного детектора газа осуществляется следующим образом.
Цилиндрическое основание 1 камеры заранее врезают в почвенную поверхность заостренным краем 2. Рекомендуется врезать камеру минимум за 30 минут до начала измерений. Глубина врезания может составлять 3-15 см, в зависимости от пористости почвенной поверхности и типа экосистемы. Таким образом, обеспечивается герметичность между камерой и почвенным покровом.
Когда основание 1 «устоялось», верхнюю часть камеры в виде полого цилиндра 5 устанавливают в П-образный желоб 3 основания. П-образный желоб 3 основания заполняют запирающей жидкостью 4, таким образом, возникает гидрозатвор стыка между основанием 1 и верхней части камеры 5. В качестве запирающей жидкости может быть использована вода или насыщенный солевой раствор (например, 25% NaCl).
При наличии эмиссии парникового газа из почвенного покрова, он поступает не в атмосферу, а в цилиндрическую камеру 5. Далее поток газа, заполняя все сечение камеры, движется к вентиляционной решетке 6, и вытекает наружу в атмосферу.
С поверхности вентиляционной решетки 6 эмиссия парникового газа в атмосферу происходит под действием тех же факторов, что и при эмиссии парникового газа с почвенного покрова в природных условиях. Поскольку объем камеры сообщается с атмосферой, то через некоторое время возникает состояние динамического равновесия, при котором эмиссионные потоки парникового газа с почвенного покрова внутри камеры уравновешиваются соответствующими потоками и процессами, удаляющими газ из камеры через вентиляционную решетку в атмосферу. Поддерживается общий баланс между входным и выходным потоками парникового газа и постоянный градиент концентраций газовых компонентов в камере. Таким образом, камера представляет собой некий газовый зазор на пути прохождения потока парникового газа с почвенной поверхности в атмосферу. Чем меньше высота камеры, тем меньшее влияние она оказывает на поток газа, поскольку внутри камеры скорость потока может незначительно падать за счет сил молекулярной вязкости газа и трения о стенки камеры. Минимальная высота камеры ограничивается неровностями почвенного покрова, высотой растительности, так как луч лазера должен свободно проходит через объем камеры, до противоположной стенки и обратно.
Для измерения концентрации парникового газа внутри камеры светоотражающую шторку 8 отклоняют, к измерительному окну 7 боковой стенки верхней части 5 камеры приставляют лазерный детектор 9 газа, проводят замер концентрации исследуемого газа.
Применение открытой камеры для замера потока парниковых газов ограничивается нижним пределом чувствительности лазерного детектора на конкретный газ и возможностью врезания острого края основания в почвенный покров на достаточную глубину.
Преимущество предложенного изобретения состоит в том, что оно удобно в эксплуатации, обеспечивает высокую точность замеров и достоверность полученных результатов за счет минимизации воздействия конструкции камеры на поток парниковых газов с почвенного покрова в атмосферу, измерений концентраций газа в камере на месте, в полевых условиях, с применением лазерного детектора газа.