NIST и KSU представляют «Агрикомб» для точного измерения парниковых газов коров

После того как оптический частотный гребенка дебютировал как линейка для света, последовали спиноффы, включая «астрогребенку» для измерения звездного света и радароподобную гребенчатую систему для обнаружения утечек природного газа. Теперь исследователи представили «агрикомб» для измерения «коровьих отрыжек». Агрикомб может помочь оптимизировать сельскохозяйственные процессы для сокращения выбросов парниковых газов, удерживающих тепло.

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Канзасского государственного университета (KSU) использовали агрикомб NIST для одновременного измерения выбросов метана, аммиака, диоксида углерода и водяного пара из атмосферы вокруг кормовой площадки для говядины в Канзасе. Аппарат NIST — система из двух гребенок — идентифицирует слеговые газы на основе точных оттенков и количества поглощенного инфракрасного света атмосферой, когда свет гребенки посылается туда-обратно по открытым воздушным путям.

Переносимая система была установлена внутри прицепа, припаркованного рядом с кормовой площадкой. Лазерный свет был специально усилен и отфильтрован для таргетирования конкретных газов. Исследователи измеряли газы вдоль двух 100-метровых путей как наветренных, так и сответренных от загонов, содержащих около 300 коров. Эксперимент фокусировался на метане и аммиаке, потому что выбросы от скота, в основном коров, являются крупнейшим источником антропогенного метана в США, главного парникового газа; а аммиак — важный атмосферный загрязнитель.

Измерения уловили выбросы из пищеварительных процессов коров и из навоза на земле. Агрикомб измерил концентрации метана и аммиака на уровне частей на миллион с точностью 25 частей на миллиард. Результаты агрикомба по метану были сопоставимы с данными коммерческого датчика, который пробовал воздух на множестве входов по краям кормовой площадки. Гребенчатая система была особенно полезна для аммиака, потому что этот газ липкий и трудно измерить системами, засасывающими воздух внутрь. Кроме того, агрикомб может измерять многие газы одновременно, что сложно для конвенциональных систем.

Наконец, хотя коммерческие датчики быстрее измеряли точные фоновые уровни, агрикомб точнее уловил сответренные плюмы и мог лучше охарактеризовать источники газа, по мнению исследователей. Повышенная точность будет критична для планируемых будущих измерений метана от редко распределенных коров на пастбище, что является гораздо более сложной задачей.

Согласие старых и новых техник вдохновляет уверенность, что агрикомб можно использовать для точной квантификации газов в сельскохозяйственных контекстах. Преимущества агрикомба включают чувствительность к широкому диапазону инфракрасного света, высокую точность, калибровку-свободное обнаружение множества газов одновременно и гибкость измерительной установки. Сопряжение двух гребенок с разным интервалом «зубчиков» для идентификации точных цветов света делает анализ еще более точным.

Оценка выбросов метана от скота сложна из-за вариаций в практиках управления и характеристиках коров на коммерческих фермах. Кроме того, то, что едят коровы, влияет на выбросы, но не учитывается в национальных инвентаризациях, что приводит к большим неопределенностям в моделях выбросов парниковых газов, по мнению исследователей. Коровы на канзасской кормовой площадке ели смесь сена и силоса кукурузы.

«На будущее наш план — работать с KSU, чтобы провести измерения на пастбище, где коровы едят местные травы», — сказал физик NIST Брайан Уошборн. «Разный корм, плюс микробная активность в почвах пастбищ, потребляющая метан, может означать меньшее атмосферное производство метана на пастбище, чем на кормовой площадке. Коровы проводят около 75% жизни на пастбище, поэтому это измерение было бы более репрезентативным для чистого производства метана. Это также было бы более сложным измерением, так как оно происходило бы на большей площади, около 500 на 500 метров, с меньшим числом животных — около 40 голов».

Исследователи предполагают, что агрикомб может поддерживать точное земледелие — использование новых технологий для повышения урожайности — измеряя многие газы одновременно на больших пространственных масштабах, что позволяет проектировать более чистые и продуктивные фермы.