«Agricomb» измеряет множественные выбросы газов от... коров

После того, как гребенка оптических частот дебютировала в качестве линейки для света, последовали побочные продукты, в том числе «астрогребень» для измерения звездного света и радарная система гребенки для обнаружения утечек природного газа. Теперь исследователи представили «агригребень» для измерения «коровьей отрыжки». Агрокомб может помочь оптимизировать сельскохозяйственные процессы, чтобы сократить производство удерживающих тепло парниковых газов.

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета штата Канзас (KSU) использовали агрокомб NIST для одновременного измерения выбросов метана, аммиака, углекислого газа и водяного пара из атмосферы вокруг откормочной площадки для крупного рогатого скота в Канзасе. Аппарат NIST — система с двумя гребенками — идентифицирует газовые следы на основе точных оттенков и количества инфракрасного света, поглощаемого атмосферой, когда гребенчатый свет направляется туда и обратно по путям под открытым небом.

Портативная система была установлена ​​внутри трейлера, припаркованного рядом с откормочной площадкой. Лазерный свет был специально усилен и отфильтрован для нацеливания на определенные газы. Исследователи измерили газы на двух 100-метровых путях, как по ветру, так и по ветру от загонов, в которых содержалось около 300 коров. Эксперимент был сосредоточен на метане и аммиаке, потому что выбросы от домашнего скота, в основном крупного рогатого скота, являются крупнейшим источником антропогенного метана в США, основного парникового газа; и аммиак является важным загрязнителем атмосферы.

Измерения зафиксировали выбросы от пищеварительных процессов крупного рогатого скота и от навоза на земле. Агрикомб измерил концентрацию метана и аммиака в миллионных долях с точностью 25 миллиардных долей. Результаты агрикомба для метана были сопоставимы с результатами коммерческого датчика, который брал пробы воздуха на нескольких входных отверстиях по краям откормочной площадки. Система гребенки была особенно полезна для аммиака, потому что этот газ липкий и его трудно измерить с помощью систем, которые всасывают в них воздух. Кроме того, agricomb может одновременно измерять большое количество газов, что является сложной задачей для обычных систем.

Наконец, в то время как коммерческие датчики быстрее измеряли точные фоновые уровни, агрогребень более точно улавливал шлейфы с подветренной стороны и, по словам исследователей, мог лучше охарактеризовать источники газа. Повышенная точность будет иметь решающее значение для запланированных будущих измерений метана от редко рассредоточенных коров на пастбище, что является гораздо более сложной задачей.

Согласие старых и новых методов внушает уверенность в том, что агрокомб можно использовать для точного количественного определения газов в сельскохозяйственных условиях. Преимущества agricomb включают чувствительность к широкому спектру инфракрасного излучения, высокую точность, обнаружение нескольких газов одновременно без калибровки и гибкость настройки измерения. Сочетание двух гребенок с разным расстоянием между «зубцами» для определения точных цветов света делает анализ еще более точным.

Оценка выбросов метана от домашнего скота является сложной задачей из-за различий в методах управления и характеристиках крупного рогатого скота на коммерческих фермах. Кроме того, то, что ест крупный рогатый скот, влияет на выбросы, но не учитывается в национальных кадастрах, что, по словам исследователей, приводит к большим неопределенностям в моделях выбросов парниковых газов. Крупный рогатый скот на откормочной площадке в Канзасе ел смесь сена и кукурузного силоса.

«В будущем мы планируем работать с KSU, чтобы провести измерение пастбищ, где скот питается местной травой», — сказал физик NIST Брайан Уошберн. «Другие корма, а также микробная активность в пастбищных почвах, которые потребляют метан, могут означать меньшее производство метана в атмосфере на пастбище, чем на откормочной площадке. Крупный рогатый скот проводит около 75% своей жизни на пастбищах, поэтому это измерение будет более репрезентативным для чистого производства метана. Это также было бы более сложным измерением, так как оно проходило бы на большей площади, примерно 500 метров на 500 метров, с меньшим количеством животных — около 40 голов».

Исследователи предполагают, что агрокомб может поддерживать точное земледелие — использование новых технологий для повышения урожайности — за счет одновременного измерения большого количества газов в больших пространственных масштабах, что позволяет создавать более чистые и производительные фермы.