Том 39, номер 08, статья № 3

Аннотация:

Углекислый газ – один из основных парниковых газов, динамика концентрации которого обусловлена не только природными процессами, но и антропогенным воздействием. В связи с этим разработка и модернизация устройств и технологии зондирования CO₂ является актуальной прикладной задачей. Представлены результаты разработки мобильного сенсора CO₂, который функционирует на основе метода перестраиваемой диодной лазерной абсорбционной спектроскопии, в полосе поглощения исследуемого целевого газа 1567–1573 нм. Проведена апробация сенсора на горизонтальной трассе зондирования с использованием топографической мишени в климатических условиях лета средних широт. Среднее содержание CO₂ в атмосфере, восстановленное из экспериментально регистрируемых обратно отраженных сигналов, составило 451,03 ppm с отклонением относительно показаний локального газоанализатора на 6,16% при однократном измерении и 428,02 ppm при усреднении на протяжении 120 с. Результаты работы могут быть полезны для изучения динамики содержания CO₂ в атмосфере, а также мониторинга антропогенных выбросов от промышленных предприятий.

Ключевые слова:

углекислый газ, атмосфера, парниковый газ, дистанционное зондирование, перестраиваемая диодная лазерная абсорбционная спектроскопия

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Li J., Yu Z., Du Z., Ji Y., Liu C. Standoff chemical detection using laser absorption spectroscopy: A review // Remote Sens. 2020. V. 12, N 17. Р. 2771. DOI: 10.3390/rs12172771.
2. Кистенев Ю.В., Cuisset A., Романовский О.А., Жердева А.В. Исследование малых газовых составляющих на границе «водная поверхность – атмосфера» с использованием средств дистанционного и локального лазерного ИК-газоанализа. Обзор // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 10. С. 799–810. DOI: 10.15372/AOO20221002; Kistenev Yu.V., Cuisset A., Romanovskii O.A., Zherdeva A.V. A study of trace atmospheric gases at the water – atmosphere interface using remote and local IR laser gas analysis: A review // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N S1. P. S17–S29.
3. Романовский О.А., Яковлев С.В., Садовников С.А., Невзоров А.А., Невзоров А.В., Харченко О.В., Кравцова Н.С., Кистенев Ю.В. Наземные стационарные лидары дифференциального поглощения для мониторинга парниковых газов в атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2025. Т. 38, № 1. С. 72–84. DOI: 10.15372/AOO20250109; Romanovskii O.A., Yakovlev S.V., Sadovnikov S.A., Nevzorov A.A., Nevzorov A.V., Kharchenko O.V., Kravtsova N.S., Kistenev Yu.V. Ground-based stationary differential absorption lidars for monitoring greenhouse gases in the atmosphere // Atmos. Ocean. Opt. 2025. V. 38, N 3. P. 345–359.
4. Xia J., Zhu F., Zhang S., Kolomenskii A., Schuessler H. A ppb level sensitive sensor for atmospheric methane detection // Infrared Phys. Technol. 2017. V. 86. P. 194–201. DOI: 10.1016/j.infrared.2017.09.018.
5. Dong L., Tittel F.K., Li C., Sanchez N.P., Wu H., Zheng Ch., Yu Y., Sampaolo A., Griffin R.J. Compact TDLAS based sensor design using interband cascade lasers for mid-IR trace gas sensing // Opt. Express. 2016. V. 24, N 6. P. A528–A535. DOI: 10.1364/OE.24.00A528.
6. Yang H., Bu X., Song Y., Shen Y. Methane concentration measurement method in rain and fog coexisting weather based on TDLAS // Measurement. 2022. V. 204. P. 112091. DOI: 10.1016/j.measurement.2022.112091.
7. Stachowiak D., Jaworski P., Krzaczek P., Maj G., Nikodem M. Laser-based monitoring of CH₄, CO₂, NH₃, and H₂S in animal farming-system characterization and initial demonstration // Sensors. 2018. V. 18, N 2. P. 529. DOI: 10.3390/s18020529.
8. Lu H., Zheng C., Zhang L., Liu Z., Song F., Li X., Zhang Y., Wang Y. A Remote sensor system based on TDLAS technique for ammonia leakage monitoring // Sensors. 2021. V. 21, N 7. P. 2448. DOI: 10.3390/s21072448.
9. Siozos P., Psyllakis G., Samartzis P.C., Velegrakis M. Autonomous differential absorption laser device for remote sensing of atmospheric greenhouse gases // Remote Sens. 2022. V. 14, N 3. P. 460. DOI: 10.3390/rs14030460.
10. Royer S.-J., Ferrón S., Wilson S.T., Karl D.M. Production of methane and ethylene from plastic in the environment // PLoS ONE. 2018. V. 13, N 8. P. e0200574. DOI: 10.1371/journal.pone.0200574.
11. Feng Y., Chang J., Chen X., Zhang Q., Wang Z., Sun J., Zhang Z. Application of TDM and FDM methods in TDLAS based multi-gas detection // Opt. Quantum Electron. 2021. V. 53, N 4. P. 1–11. DOI: 10.1007/s11082-021-02844-9.
12. Gao G., Zhang T., Zhang G., Liu X., Cai T. Simultaneous and interference-free measurements of temperature and C₂H₄ concentration using a single tunable diode laser at 1.62 mm // Opt. Express. 2019. V. 27, N 13. P. 17887–17904. DOI: 10.1364/OE.27.017887.
13. Liang W., Wei G., He A., Shen H. A novel wavelength modulation spectroscopy in TDLAS // Infrared Phys. Technol. 2021. V. 114. P. 103661. DOI: 10.1016/j.infrared.2021.103661.
14. Kwasny M., Bombalska A. Optical methods of methane detection // Sensors. 2023. V. 23, N 5. P. 2834. DOI: 10.3390/s23052834.
15. Peng W.Y., Goldenstein C.S., Mitchell Spearrin R., Jeffries J.B., Hanson R.K. Single-ended mid-infrared laser-absorption sensor for simultaneous in situ measurements of H₂O, CO₂, CO, and temperature in combustion flows // Appl. Opt. 2016. V. 55, N 33. P. 9347–9359. DOI: 10.1364/AO.55.009347.
16. Cui P., Chen J., Zhou Ch., Yu X., Zhang H., Wang P., Wang N., Ma L. Research on gas concentration field reconstruction method based on laser SLAM and TDLAS // Infrared Phys. Technol. 2025. V. 145. P. 105741. DOI: 10.1016/j.infrared.2025.105741.
17. Zhang L., Dai X., Zhang W., Wang W., Liu X., Li W. A TDLAS gas detection method based on digital signal modulation // Opt. Commun. 2025. V. 574. P. 131211. DOI: 10.1016/j.optcom.2024.131211.
18. Shi Y., Hu Z., Niu M., Li T., Li H., Liu H., Li X. High-sensitive double incidence multi-pass cell for trace gas detection based on TDLAS // Sens. Actuators, B. 2024. V. 412. P. 135829. DOI: 10.1016/j.snb.2024.135829.
19. Liu Y., Sun X., Sun H., Qiao S., He Y., Ma Y. Highly sensitive CH₄–TDLAS sensor based on 3D-printed multi-pass cell // Infrared Phys. Technol. 2024. V. 141. P. 105484. DOI: 10.1016/j.infrared.2024.105484.
20. Gazizov I., Pinto D., Moser H., Sam S., Martin-Mateos P., O’Faolain L., Lendl B. Absorption and dispersion: In search of a versatile spectroscopic technique // Sensors and Actuators: B. Chemical. 2025. V. 436. P. 137688. DOI: 10.1016/j.snb.2025.137688.
21. Ashik A.S., Rodrigo P.J., Larsen H.E., Vechi N.T., Kissas K., Fredenslund A.M., Mønster J.G., Scheutz C., Pedersen C. Integrated-path multi-gas sensor using near-infrared diode lasers: An alternative to vehicle-driven point gas analyzer // Sensors and Actuators: B. Chemical. 2024. V. 412. P.135855. DOI: 10.1016/j.snb.2024.135855.
22. Gordon I.E., Rothman L.S., Hargreaves R.J., Hashemi R., Karlovets E.V., Skinner F.M., Conway E.K., Hill C., Kochanov R.V., Tan Y., Wcisło P., Finenko A.A., Nelson K., Bernath P.F., Birk M., Boudon V., Campargue A., Chance K.V., Coustenis A., Drouin B.J., Flaud J.-M., Gamache R.R., Hodges J.T., Jacquemart D., Mlawer E.J., Nikitin A.V., Perevalov V.I., Rotger M., Tennyson J., Toon G.C., Tran H., Tyuterev V.G., Adkins E.M., Baker A., Barbe A., Canè E., Császár A.G., Dudaryonok A., Egorov O., Fleisher A.J., Fleurbaey H., Foltynowicz A., Furtenbacher T., Harrison J.J., Hartmann J.-M., Horneman V.-M., Huang X., Karman T., Karns J., Kassi S., Kleiner I., Kofman V., Kwabia-Tchana F., Lavrentieva N.N., Lee T.J., Long D.A., Lukashevskaya A.A., Lyulin O.M., Makhnev V.Yu., Matt W., Massie S.T., Melosso M., Mikhailenko S.N., Mondelain D., Müller H.S.P., Naumenko O.V., Perrin A., Polyansky O.L., Raddaoui E., Raston P.L., Reed Z.D., Rey M., Richard C., Tóbiás R., Sadiek I., Schwenke D.W., Starikova E., Sung K., Tamassia F., Tashkun S.A., Vander Auwera J., Vasilenko I.A., Vigasin A.A., Villanueva G.L., Vispoel B., Wagner G., Yachmenev A., Yurchenko S.N. The HITRAN2020 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2022. V. 277. P. 107949. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2021.107949.