CARBOCAP®-teknologia apuna innovatiivisessa hiilipäästötutkimuksessa

Kaupungistumisen lisääntyessä ilmansaasteiden tutkimuksesta on tullut tärkeä apuväline yritettäessä ymmärtää kaupungistumisen vaikutukset ilmanlaatuun. Ilmansaasteet vaikuttavat ihmisiin ja eläimiin, maatalouteen, lentoliikenteeseen, rakennuksiin sekä merieliöihin ja muihin herkkiin eliöihin. Calgaryn yliopiston Schulich-insinöörikoulun kone- ja valmistusosaston apulaisprofessori Ke Du tutkimusryhmineen on tutkinut globaalia ja alueellista ilmanlaatua Kanadassa ja Kiinassa. Dun ensisijaisia tutkimuskohteita ovat olleet päästöjen mittaaminen, ilmansaasteiden optinen kaukokartoitus, hiiltä sisältävien aerosolien tunnistus kaupunki-ilmassa sekä 3D-mallien luominen kasvihuonevaikutuksesta ja muista ilmastoon vaikuttavista ilmiöistä.

Kestäviä antureita herkkään tutkimukseen

Tutkimalla ja mallintamalla hiilidioksidin käyttäytymistä kaupunkialueilla Du tiimeineen toivoo löytävänsä uusia ja kustannustehokkaita strategioita ilmansaasteiden vähentämiseen. Kentällä tiimi käyttää Vaisalan GMP343-anturia ja MI70-mittaria. Du valitsi Vaisalan hiilidioksidianturit niiden tarjoaman erinomaisen mittaustarkkuuden, tarkkojen lukemien (±3 ppm + 1 %) sekä haastaviakin tutkimusmenetelmiä kestävän tukevan rakenteen vuoksi.

Vuonna 2014 Atmospheric Environment ‑lehti julkaisi Dun tutkimuksiin perustuvan artikkelin "Vertical distribution of CO₂ in the atmospheric boundary layer: Characteristics and impact of meteorological variables." Tutkimuksessa luotiin Vaisalan GMP343-mittapään avulla hiilidioksidiprofiilit ja Kestrel 4500 ‑säämittarin avulla samanaikaiset lämpötilan, paineen ja suhteellisen kosteuden profiilit, joiden avulla tutkittiin säämuuttujien vaikutusta hiilidioksidin pystysuuntaiseen jakaumaan maanpinnan läheisyydessä olevassa ilmakehän osassa. Anturit kiinnitettiin sääpalloon Xiamenin esikaupunkialueella Kiinassa, minkä jälleen sääpallo vapautettiin keräämään tietoja. Xiamen on tutkimuksen kannalta tärkeä alue, sillä se on kaupungistumassa hyvin nopeasti.

Korkealla vähemmän hiilidioksidia

Tämä oli ensimmäinen tutkimus, jossa selvitettiin hiilidioksidin pystysuuntaista jakaumaa ja tutkittiin erityyppisten vertikaalisten profiilien aiheuttajia lähellä maanpintaa. Suurin osa hiilidioksidin käyttäytymistä koskevasta tiedosta on saatu tutkimuksista, jotka on tehty joko hyvin lähellä maanpinnan tasoa tai hyvin korkealla ilmakehässä. Hiilidioksidiprofiilia luotaessa mittauskorkeudella on merkitystä, ja tarkassa valvonnassa on aukko ilmakehän rajakerroksessa (yleensä maanpinnan tasosta 1 000 metrin korkeuteen). Tällaiset tiedot ovat tärkeitä mallinnettaessa hiilidioksidin ilmastovaikutuksia kaupunkialueilla.

Enintään tuhannen metrin korkeuteen nousevat sääpallot ovat edullinen ratkaisu pitkäaikaiseen näytteenottoon sopivalta korkeudelta. Niistä saatavien mittaustulosten hyvä resoluutio mahdollistaa tarkan profiilin luomisen. Hiilidioksidin pystysuuntaista jakaumaa koskevat tiedot ovat tärkeitä myös hiilidioksidin satelliittimittausten kalibroinnissa ja validoinnissa.

Mittaustiedot osoittivat hiilidioksidipitoisuuden pienenevän korkeuden lisääntyessä. Tutkimusryhmä käytti pystysuuntaisia profiileja regressioanalyyseissä, joiden avulla saatiin laskettua hiilidioksidin eksponentiaalinen väheneminen korkeuden funktiona. Ryhmä havaitsi hiilidioksidipitoisuudessa päivittäisen vaihtelukuvion, joka oli selvempi maanpinnan tasolla kuin korkealla. Tämä johtuu hiilidioksidilähteiden ja ‑nielujen vaihtelusta maanpinnan tasolla.

Paine ja lämpötila vaikuttavat hiilidioksidin pitoisuuslukemaan. Vaisalan GMP343-anturissa on sisäiset toiminnot lämpötilan, paineen ja suhteellisen kosteuden kompensointiin, joten se oli hyvä valinta mittaustarkkuuden kannalta.

3D-mallinnus auttaa arvioimaan hiilidioksidin vaikutuksia

Kenttätyön tulosten avulla voidaan luoda 3D-dispersiomalleja eli tietokoneohjelmia, jotka mallintavat saasteiden käyttäytymistä ilmakehässä algoritmien avulla. Nämä mallit auttavat ymmärtämään hiilidioksidin jakaumaa, liikettä ja vaikutusta kaupunkiympäristöissä.
Tutkimus pääpiirteittäin

• Tutkimuksessa kirjattiin hiilidioksidin pystysuuntaiset profiilit 0–1 000 metriin päivittäisine vaihteluineen.
• Maanpinnan tason hiilidioksidin päivittäisen vaihtelun vaikutus rajoittui 300 metriin.
• Eri sääolosuhteissa havaittiin kolme erilaista profiilirakennetta.
• Hiilidioksidin pystysuuntaiselle jakaumalle saatiin kaava.

Du on julkaissut kiinalaisissa lehdissä myös muita hiilidioksidiprofiileihin liittyviä artikkeleita. Yksi käsittelee pitkän aikavälin valvontaa kaupunki- ja maaseutualueilla kiinteiden anturien avulla ja toinen liikkuvaa valvontatapaa, jossa autoon kiinnitettyä hiilidioksidianturia kuljetettiin eri puolille kaupunkialuetta. Tämä tutkimus paitsi lisää tietämystämme ilmansaasteiden ominaisuuksista myös auttaa viranomaisia ratkaisemaan päästöjen aiheuttaman ilman saastumisen luomia haasteita.

Yhdysvaltain ympäristöviranomaisen mukaan "ilmansaasteiden vaikutukset terveydelle, ympäristölle ja taloudelle ovat merkittäviä, ja ilmansaasteet myös pienentävät maatalouden ja kaupallisen metsänhoidon tuottoa miljardeilla dollareilla joka vuosi".

Lisätutkimus ilmansaasteista auttaa viranomaisia tekemään positiivisia muutoksia käytäntöihin sekä ymmärtämään paremmin, miten voidaan luoda ja optimoida ratkaisuja, jotka pienentävät haitallisten päästöjen vaikutuksia.

Lue lisää hiilidioksidimittauksista ja GMP343-mittapäästä.