< Попер   ЗМІСТ   Наст >

ВИМІРЮВАННЯ ВИХРОВОЇ КОВАРІАЦІЇ ТА АКУМУЛЯЦІЇ

Метеорологічні вежі

Зазвичай комплекс приладів для оцінювання вихрової коваріації передбачає вимірювання густини водяної пари, температури повітря, швидкості вітру та містить три сенсори: інфрачервоний газоаналізатор (або гігрометр) для оцінювання Н2О та СО2, тривимірний ультразвуковий анемометр для оцінювання температури повітря та швидкості вітру у вертикальному та двох горизонтальних напрямках.

Усі ці прилади розташовано на різних висотах за допомогою метеорологічної вежі висотою 51 м (рис. 14.1). Дані, отримані від цих приладів, обробляються на комп'ютері. Частотний відгук сенсорів становить 0,1-10 Гц для досліджень коваріації на висоті кількох метрів, та 0,001 Гц – поблизу гладкої поверхні.

Метеорологічна вежа Кахоку (Японія): а – загальний вигляд; б – комплект приладів для вимірювання вихрової коваріація

Рис. 14.1. Метеорологічна вежа Кахоку (Японія): а – загальний вигляд; б – комплект приладів для вимірювання вихрової коваріація

Повний перелік приладів, розташованих на метеорологічній вежі, наведено в табл. 14.1.

14.1. Повний перелік приладів, розташованих на метеорологічній вежі Тахоку (Японія) [Shimizu, 2007]

Параметри спостереження

Висота над земною поверхнею

Прилад, тип, фірма

Глобальне сонячне випромінювання (падаюче)

47,2 м

Піранометр (СМ14, Kipp & Zonen, Нідерланди)

Глобальне сонячне випромінювання (відбите)

47,2 м

Піранометр (СМІ4, Kipp & Zonal, Нідерланди)

Довгохвильове випромінювання (падаюче)

47,2 м

Інфрачервоний радіометр (CNRI, Кірр & Zonen, Нідерланди)

Довгохвильове випромінювання (відбите)

47,2 м

Інфрачервоний радіометр (CNR1,* Кірр & Zonen, Нідерланди)

Сумарне випромінювання

47,2 м

Сумарний радіометр (NR-LITE, Кірр & Zonen, Нідерланди)

ГПФФ (падаюча)

Не визначена.

-

ГПФФ (відбита)

47,2 м

Quantum sensor (LI-190, LI-COR, USA)

Пряме/дифузне випромінювання

31,0 м

Піранометр (CM3. Kipp A. Zonen, Нідерланди з кільцеподібною стрічкою (PSB-100, Prede. Японія)

Пряма/дифузна ГПФФ

Не визначена

-

Температура повітря

51,0; 41,5; 34,0; 2 2,0; 10,3 м

Платиновий термометр опору (HMP45D, VA1SALA, Фінляндія/ ML-020L, ЕКО, Японія)

Вологість

51,0; 41,5; 34,0; 2 2,0; 10,3 м

Ємнісний гігрометр (HMP4SD, VAISALA, Фінляндія), аспіраційний гігрометр (ML-020L, Еко. Японія)

Температура грушу

0,03 м

Термістор (НОВО S-TMB-002, Onset, США)

Тепловий потік грунту

0,02 м

Перетворювач теплового потоку (HFT-3.1, REBS, США)

Вміст води е грунті

0,03 м

Ємнісний сенсор (ECHjO, Decagon Devises, США)

Швидкість вітру

45,7; 41,7; 37,7

Чашечковий анемометр (Met-One 014А)

Напрямок вітру

51,0 м

Тривимірний ультразвуковий анемометр-термометр (DA600, KAIJO, Японія)

Атмосферний тиск

51,0 м

Сенсор атмосферного тиску (РТВ210, VAIS ALA. Фінляндія)

Опади

1,5 м

Доиюмір: нахилені черпаки (RT-5, Ikeda Keiki, Японія)

COj концентрація

44,2; 38,5; 33,5; 27,0; 20,2; 13.5:6.8:1.0 м

COt/HjO аналізатор (замкнута система) (L1-6262, LI-COR, США)

Методика обчислення даних, одержаних при вимірюванні вихрової коваріації, досить складна математично і вимагає комп'ютерної обробки. Перевагами методу вихрової коваріації є висока точність вимірювань.

Інфрачервоні газові аналізатори

Принцип дії інфрачервоного газового аналізатора полягає в реалізації здатності асиметричних молекул поглинати інфрачервоне випромінювання на певних довжинах хвиль. Слід розрізняти закриті та відкриті типи газових аналізаторів. Закриті типи в свою чергу діляться на однопроменеві і двопроменеві системи.

Газові аналізатори закритого типу

Однопроменева система закритого типу складається з джерела інфрачервоного випромінювання, модулятора, оптичної системи (лінз, дзеркал, фільтрів), двох кювет (опорної та з газом, що аналізується), напівпрозорої пластини та двох детекторів (для СO2 та Н2O) (рис. 14.2).

Однопроменевий газовий аналізатор закритого типу

Рис. 14.2. Однопроменевий газовий аналізатор закритого типу

Поглинання газом випромінювання на довжині хвилі λ визначається за законом Бера-Ламберта:

(14.1)

де С – молярна концентрація СО2, моль/м3; / – довжина оптичного шляху, м; kλ молярний коефіцієнт поглинання на довжині хвилі А, м2/моль.

Вимірювання поглинання на довжинах хвиль 4,26 та 2,59 мкм надає можливість визначати концентрації СО2 та водяної пари відповідно.

У двопроменевій системі закритого типу випромінювання джерела ділиться на два потоки – основний та еталонний, які проходять відповідно через дві кювети паралельно (рис. 14.3).

Двопроменевий газовий аналізатор закритого типу:

Рис. 14.3. Двопроменевий газовий аналізатор закритого типу:

1 – вхід газового потоку; 2 – вихід газового потоку; 3 – система реєстрації; 4 – модулятор; 5 – кювета з газом, що аналізується; 6 – діафрагма 7 – камера поглинання; 8 – оптичні фільтри 9 – опорна кювета; 10- джерела інфрачервоного випромінювання; 11 – підсилювач; 12 – вимірювач

Якщо ці потоки дорівнюють один одному, то система перебуває у рівновазі. Із зміною концентрації газу в основній кюветі рівновага порушується, сигнал розбалансування посилюється та реєструється. Двопроменева система здатна виключити зміни інтенсивності джерела випромінювання за рахунок старіння або коливань напруги живлення.

Інфрачервоні газові аналізатори відзначаються високою точністю вимірювань, простотою та надійністю.

Газові аналізатори відкритого типу

Аналізатор відкритого типу містить джерело інфрачервоного випромінювання, оптичну систему, що складається з дзеркала, лінз, сапфірового віконця та фільтрів з довжинами хвиль пропускання 4,26 мкм та 2,59 мкм (що відповідають поглинанню СО2 та водяної пари відповідно). Інфрачервоне випромінювання діаметром 1 см пропускають через модулятор, який обертається зі швидкістю 9000 обертів за хвилину, після чого воно проходить вздовж відкритого простору 12,5 см з повітрям, яке аналізується, та надходить на детектор, виготовлений з селеніду свинцю. Електричний сигнал з виходу детектора подається на систему реєстрації. Діапазон вимірювань становить 0-3000 ppm СО2 та від 0 до 60 ммоль/моль для Н2О. Інтервал температур варіює від -25 до +50 °С.

Схему однопроменевого газового аналізатора відкритого типу наведено на рис. 14.4.

Схема однопроменевого газового аналізатора відкритого типу

Рис. 14.4. Схема однопроменевого газового аналізатора відкритого типу

Квантовий каскадний лазер

Принцип дії каскадного лазера

Лазерну абсорбційну спектроскопію на основі квантового каскадного лазера протягом останніх років застосувукхгь для вивчення вихрових потоків [Sturm et ai., 2012]. Ця вимірювальна технологія характеризується високою чутливістю, універсальністю та швидкодією.

Звичайний діодний лазер генерує один фотон під час переходу електрона з зони провідності до валентної зони, де відбувається рекомбінація електрона з діркою. Довжина хвилі випромінювання визначається шириною забороненої зони напівпровідникового матеріалу (рис. 14.5,а).

Порівняння діодного лазера та квантового каскадного лазера: а – діодний лазер, який випромінює фотон за допомогою рекомбінації електрон-діркових пар, що долають заборонену зону напівпровідника; б – випромінювання квантово-каскадного лазера виникає при переході електронів між шарами гетероструктури напівпровідника

Fig. 14.5. Порівняння діодного лазера та квантового каскадного лазера: а – діодний лазер, який випромінює фотон за допомогою рекомбінації електрон-діркових пар, що долають заборонену зону напівпровідника; б – випромінювання квантово-каскадного лазера виникає при переході електронів між шарами гетероструктури напівпровідника

Квантовий каскадний лазер складається з періодичної серії тонких шарів різних матеріалів, які формують надрешітку. Інверсія населеності та генерація лазерного випромінювання відбувається між двома зонами надрешітки. Перестроювання частоти генерації випромінювання у широкому діапазоні здійснюється за рахунок зміни товщини потенціальних ям та бар'єрів.

Основна особливість каскадного лазера полягає в тому, що один електрон викликає емісію кількох фотонів при переході через багатошарову структуру та послідовність (каскад) потенціальних ям (рис. 14.5,0). Саме тому лазер отримав таку назву.

Квантовий каскадний лазер має певні переваги. Він може працювати при кімнатній температурі, інтенсивність випромінювання достатньо висока, частота генерації займає область 3,4-17 мкм, де розташовані обертально-коливальні смуги багатьох атмосферних газів.

Вимірювання вихрової акумуляції

Альтернативним методу вихрової коваріації є метод вихрової акумуляції, суть якого полягає у збиранні газів у слідових кількостях у два резервуари. Один із резервуарів розташований унизу, а другий – нагорі повітряного потоку, який аналізується. Швидкість, з якою гази збираються в об'ємах резервуарів, пропорційна вертикальній швидкості вітру. Повітряний потік можна оцінити завдяки різниці мас, зібраних у кожному резервуарі:

(14.2)

де – флуктуації вертикальної компоненти швидкості вітру, м/с; – флуктуації концентрації газів, кг/м3; t- інтервал часу, с; k – константа, яка зв'язує швидкість потоку з абсолютною величиною флуктуацій вертикальної швидкості вітру δυ:

(14.3)

Одиниці вимірювана повітряного потоку кг/м2•с; контанти k-м2.

Так, у роботі [Desjardins, 1972] було визначено, що маси, зібрані у нижньому та верхньому резервуарах дорівнювали 5,6 нг та 4 нг відповідно, а величина потоку F дорівнювала близько 1 мкг/м2•с.

Недоліком методу є повільне відкладення забруднюючих речовин у системах збирання зразків.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >