温室效应和温室气体监测(1).pdf

温室效应和温室气体监测 韩香玉 卢照方 中节能六合天融环保科技有限公司 北京 摘 要 近年来 大气中温室气体含量的增加及其产生的温室效应 对气候和生态系统造成了一系列影响 因 而对大气中温室气体含量的监测显得更为迫切 关键词 温室气体 温室效应 监测 作者简介 韩香玉 女 年出生 硕士 从事现场环境污染控制研究 引 言 温室气体指的是大气中能吸收地面反射的太阳 辐射 并重新发射辐射的一些气体 如水蒸气 二氧 化碳 大部分制冷剂等 它们的作用是使地球表面 变得更暖 类似于温室截留太阳辐射 并加热温室内 空气的作用 由于这些温室气体对来自太阳辐射的 可见光具有高度的透过性 而对地球反射出来的长 波辐射具有高度的吸收性 能强烈吸收地面辐射中 的红外线 也就是常说的 温室效应 导致全球气候 变暖 全球变暖的后果 会使全球降水量重新分配 冰川和冻土消融 海平面上升等 既危害自然生态系 统的平衡 更威胁人类的食物供应和居住环境 水 汽 二氧化碳 氧化亚氮 甲烷 和臭氧 是地球大气中主要的温室气体 其中二氧化碳 甲烷 氧化亚氮 气体造成温室效应的贡献百分比最大 特别是二氧 化碳 所产生的温室效应大约占整体温室效 应的 温室气体来源 城市中的汽车尾气 工厂燃烧矿物燃料是温室 气体的主要来源 其中 化石燃料燃烧为二氧化碳 人为排放之主要来源 甲烷 多属天然排放 自然界的生物厌氧 腐解作用会有 排放 如水体流动性不高的湖 泊 湿地等均有较高贡献 而人为活动造成的 排放因素则有自然水体受生活污水及工业废水的污 染 农业畜牧活动及工业制造程序等 氧化亚氮 人为排放源多为农业 畜牧之 相关活动 工业程序排放则以需用氮元素相关化工 原料制程为主如硝酸 己二酸 以硝酸为反应原料之一 等 温室气体的影响 人们谈论温室气体有一个误会 认为温室气体 不是什么好东西 导致了气候变暖 灾害增加等等 其实 温室气体的存在是人类生存的必要条件 而现 在所讨论的温度升高 环境变化等等这些问题 主要 与温室气体的增加有关 二氧化碳等温室气体的增加对气候和生态系统 的影响是一个更为复杂的问题 二氧化碳增加虽然 有利于增加绿色植物的光合产物 但它的增加引起 的气温和降水的变化 会影响和改变气候生产潜力 从而改变生态系统的初级生产力和农业的土地承载 力 这种因气候变化而对生态系统和农业的间接影 响 可能大大超过二氧化碳本身对光合作用的直接 影响 按照气候模拟试验的结果 二氧化碳加倍以 后 可能造成热带扩展 副热带 暖热带和寒带缩小 寒温带略有增加 草原和荒漠的面积增加 森林的面 积减少 二氧化碳和气候变化可能影响到农业的种 植决策 品种布局和品种改良 土地利用 农业投入 和技术改进等一系列问题 因此从科学上我们所关 注的核心是温室气体增加的量 而目前最需要做的 事情就是监测每年大气中温室气体含量的增减 温室气体监测 温室气体监测的重要意义就是测量大气中这些 组分的浓度变化 评估它们的辐射效应 和我们熟 知的空气质量监测相比 温室气体的监测也需要一 套相应的规范标准 对温室气体的监测主要包括排 放源和背景浓度的监测 监测温室气体很多时候不 分 析 仪 器 年第 期 需要重新设立观测点 在现有空气质量监测的监测 点上完全可以套用对温室气体浓度的监测 而背景浓度的监测是对大气中每一种温室气体 浓度变化的监测 这一部分的监测通常选择在受污 染小的地方 比如山区 海上等等人类活动少的地 点 这样能够反映出一个区域的背景浓度 与城市的 温室气体形成对比 如此才能发现温室气体浓度的 变化 温室气体监测 目前采用的主要是气象色谱法 此外还有世界温室气体监测最先进的方法 光腔 衰荡法 通过气体对红外线吸收的不同 收集分析温 室气体的浓度数据 气相色谱法 从目前世界各国科学家对大气的连续监测表 明 的日增加在每立方米几至几十毫升之间 因此 对大气中 测试精度要求高达 以监测精度 效率 监测必要性 简捷性为出发点 现 今很多部门都在用气相色谱法进行测试 气相色谱法是二十世纪五十年代出现的一项重 大科学技术成就 这是一种新的分离 分析技术 它 在工业 农业 国防 建设 科学研究中都得到了广泛 应用 气相色谱是一种以气体为流动相的柱色谱 法 根据所用固定相状态的不同可分为气 固色谱 和气 液色谱 气相色谱的流动相为惰性气体 气 固色谱法 中以表面积大且具有一定活性的吸附剂作为固定 相 当多组分的混合样品进入色谱柱后 由于吸附 剂对每个组分的吸附力不同 经过一定时间后 各组 分在色谱柱中的运行速度也就不同 吸附力弱的组 分容易被解吸下来 最先离开色谱柱进入检测器 而 吸附力最强的组分最不容易被解吸下来 因此最后 离开色谱柱 如此 各组分得以在色谱柱中彼此分 离 顺序进入检测器中被检测 记录下来 周凌等建立了气相色谱 法甲烷和二氧化 碳 连续观测系统 经过一年多时间里 的业务运行和标定情况 发现该系统具有良好的线 性 灵敏度 精度和精确度 其设计完全符合 全球大气本底测量的要求 具有高自动化的操作性 能和严格的质量控制 随着科学进步 分析手段不断改进 气相色谱仪 与氢火焰检测器 热导池检测器 和电 子捕获检测器 等检测器的连用将广泛用于石 油化工 环境检测等部门的 检测 光腔衰荡法 光腔衰荡光谱技术中 激光二极管发射出的单 频断源光束进入含有三面高反射率镜子的腔室进行 连续反射 由于镜子的反射率为 腔室内 部的光平稳泄露 光强度以指数级迅速衰减直至为 零 这称之为光腔衰荡光谱 工作原理见 图 这种衰荡被光电感应器实时记录 并编译成 唯一的时间语言 分析仪可自动连续记录和比较空 腔和充满目标气体腔室的衰荡时间 而这个时间差 便是目标气体吸收激光而导致的衰荡时间差 衰荡 时差与气体的浓度成线性相关 波长扫描是指将在 目标气体的吸收峰线上 通过软件选择多个点进行 复合式吸收光谱测量 并组成与吸收峰线最吻合的 峰面 以此确认最佳的吸收峰值和吸收面积 图 光腔衰荡光谱分析仪工作原理示意图 几乎所有小的气相分子 如 均具有特有的近红外吸收光谱 在负压条件 下 每种微小的气相分子都能在其特征吸收波长处 形成窄的锐谱线 尖峰 也就是一对一的特征光谱 线 因为这些线是很好的分离开的 而且其波长也 是事先知道的 因而通过测定某种波长的吸收强度 也就是某种波长的特定吸收峰值就可以确定是哪种 气体并计算出其浓度 但是对于传统的红外光谱仪 来说 由于痕量气体吸收而形成的峰值太低而不能 检测到 追其原因就是其最好的灵敏度限制在 级 而波长扫描光腔衰荡光谱 通过长 年第 期 分 析 仪 器 达 的有效路径科学地解决了这个限制 这样 可以在极短的时间内监测到 水平甚至 水 平的气体 波长扫描光腔衰荡光谱 技术中 激光二极管发射出的单频光束进入含有两个或更多 个高反射率镜子的腔室进行连续反射 分 析仪利用三面镜子进行光波的反射传递 与两面镜 子的腔室相比 这可提供更高的信噪比 当激光被 打开后 腔室内迅速充满循环的激光 一个快速的光 电感应器感应某一镜面泄露出的少量激光并录制其 信号 而这些信号与腔室内的光强度成比例输出 如果将吸收激光的气体导入腔室 第二种损耗 机理将被引入 相比没有任何其它吸收激光的空腔 损耗的加入必然加快激光的衰荡时间 分析仪可自 动连续计算且比较空腔或充满目标气体的衰荡时 间 而这个时间差便是目标气体吸收激光而导致的 衰荡时间差 此外 决定最终的目标气体浓度的是 空腔的衰荡时间及充满目标气体的衰荡时间差 而 不是激光的密度波动和激光的功率 通过可调节波长的激光 而不是通过移走光腔 内的气体 来计算空腔和非空腔 有目标气体的腔 室 的衰荡时间差 首先将激光波长调节到目标气 体吸收的波段 然后调节到目标气体不吸收的波段 这样 衰荡时间差就被计算出来 事实上 沿着目标 气体光谱的吸收线 调节对应吸收线不同位置的激 光波长 光腔衰荡在每个点都进行了测定 并通过 精确的匹配吸收峰来计算目标气体的浓度 小 结 年底的哥本哈根会议前 中国向世界明确 了减排目标 中国到 年单位 二氧化碳排