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      應用案例

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      Picarro G2103(ES&T ? 應用Picarro G2103揭秘城市大氣氨濃度的早高峰)

      發表時間:2024-04-17瀏覽量:103

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      不管是煙霧箱實驗還是數值模擬,高濃度氨氣對PM2.5污染的影響都已被證實。然而,由于測量數據的缺乏,我國大氣氨濃度的時空變化特征依然不是十分清楚。中科院大氣物理研究所研究員潘月鵬團隊在環境領域頂級期刊ES&T上發表的最新文章,應用Picarro G2103高精度氨氣分析儀揭示了城市大氣氨濃度的日變化特征,并對其來源進行了追蹤。相關研究結果對從事全球氮循環、大氣污染、氨氮沉降等監測領域的專家學者具有借鑒意義。

       

       

      文章鏈接:

      https://doi.org/10.1021/acs.est.1c05884

       

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      研究概述

       

      我國氨氣(NH3)排放量居全球之首,超過了歐洲和北美之和。高濃度的NH3是造成我國城市霾污染的關鍵前體物,通過大氣傳輸和干濕沉降也會對自然生態系統產生不利影響。我國正在制定相關減排政策,準確開展NH3測量是重中之重。

       

      NH3在大氣中的停留時間很短,其日變化特征明顯。以往在農田或者草地的觀測發現,NH3在早晨7-10點常出現一個峰值。但以往的觀測資料主要是在某個季節,全年連續的測量數據非常少,這使得我們難以判斷NH3早高峰是否普遍存在,尤其是在大氣污染嚴重的城市地區。

       

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      觀測地點

       

      中國科學院大氣物理研究所某辦公樓頂,位于北京市中心以北,三環和四環之間,周邊每天的交通量約為10萬輛,交通流量從05:00開始迅速增加,在上午11:00左右達到峰值。

       

      潘月鵬研究員團隊使用Picarro公司在線光學法測量儀器G2103對NH3濃度日變化進行一整年的觀測,發現北京大氣環境中NH3早高峰是一種普遍現象:一年中共有267天出現NH3濃度早高峰,出現頻率為73.0%。特別是在冬季,不僅NH3濃度早高峰出現的頻率大,濃度的增長速度也很快,漲幅超過了20%,是NH3濃度早高峰最為典型的季節。

       

      圖1. NH3早高峰的出現頻率和濃度的增幅

       

      為了研究冬季NH3濃度早高峰,該研究還同時使用傳統的濕化學方法(ChemComb 3500采樣系統)測量了NH3的日變化特征。結果發現,ChemComb與Picarro光學法測量的NH3濃度日變化特征相似,均與機動車流量日變化特征一致。觀測期間,Picarro和ChemComb測量的NH3濃度分別為15.9 &plusmn; 12.5和14.1 &plusmn; 7.5 &mu;g m&minus;3,沒有顯著性差異。這一結果證實了光學儀器測量結果的可靠性。

       

      圖2. Picarro和ChemComb

      觀測NH3濃度時間序列對比

       

      該研究最后還提取了冬季樣品中的NH4+,使用離子色譜法(ICS-90, Dionex Corporation, Sunnyvale, CA)測定了NH4+濃度。隨后,基于自主發展的化學測量方法,在中國科學院應用生態研究所穩定同位素生態實驗室通過同位素比率質譜儀(IsoPrime100,IsoPrime limited,英國)測定分析NH4+的&delta;15N值。同位素數據確認了機動車排放對NH3濃度早高峰的貢獻高達40%,是需要重點管控的排放源。 

       

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      研究意義

       

      以往研究發現,早晨大量NH3排放會導致HONO和氣溶膠硝酸鹽和硫酸鹽的爆發性增長,誘發霾污染。因此,精準認識NH3濃度早高峰的來源對控制光化學和氣溶膠污染都有重要意義。本研究通過小時尺度同位素示蹤技術,完美再現了NH3同位素的日變化特征,從一個新的視角解讀了北京冬季氨氣濃度早高峰的形成過程,發現了機動車排放對NH3濃度早高峰的重要貢獻,為城市大氣NH3精準減排提供了科學依據。

       

      通訊作者簡介

       

      潘月鵬,中國科學院大氣物理研究所研究員、博士生導師。承擔國家級科研課題20余項,發表學術論文百余篇,獲省部級獎勵獎4項,擔任6個期刊編委,入選全球前2%頂尖科學家榜單。

       

      個人主頁:

      http://people.ucas.ac.cn/~panyuepeng

       

      核心儀器介紹

      Picarro G2103是一款高精度在線氨氣分析儀。其業內領先的性能優勢主要體現在以下方面:

       

      1. 低檢測限:該分析儀具有很高的靈敏度,其檢測下限在 ppt 級別。

       

      2. 低漂移:一整月的連續工作中僅漂移了 &plusmn;0.5 ppb。

       

      3. 低吸附快響應:G2103 分析儀部件在重要的氣體過道上應用了涂層( SilcoNert&reg; ),這能減小氨氣 ( NH3 ) 分子在過道表面上的吸附傾向性,加快測量的響應時間并消除測量偏差。

       

      響應時間原始數據結果展示

       

      4. 抗干擾氣:Picarro&rsquo;s (CRDS) 光腔衰蕩光譜,在光譜中的相鄰氣體分子之間的高度選擇性,常見的揮發性有機化合物對氨氣測量沒有干擾 (Ref. Kamp et al. 2018, Atm. Meas. Tech.)

       

      5. 水汽校準:英國國家物理實驗室對 G2103 的獨立驗證表明,G2103 分析儀可報告準確的干摩爾分數,適用于潮濕環境條件,無需校正水的影響

       

      該圖顯示了 G2103 對一系列加濕(相對濕度= 60%)空氣樣品的線性行為 ,并準確報告干摩爾分數。(Ref. Martin et al., 2016, Appl. Phys. B)

       

      6. 便攜性:該分析儀尺寸小,功耗要求低,可在幾分鐘內進行拆裝(無論是在實驗室還是在野外),操作簡便,運行數月無需維護或消耗品。

       

       

      Picarro氨氣分析儀性能卓越,大量實驗室采用Picarro的CRDS技術測量NH3

       

      • MetNH3 - 歐洲環境空氣中氨的計量,ENV55 的聯合研究項目(JRP)

        旨在開發用于測量空氣中氨的計量溯源性,從初級氣體混合物和儀器標準水平到現場水平。Picarro 是該項目的技術合作方

      • EMPA - 瑞士聯邦材料科學與技術實驗室

        自2006年以來,Picarro G2103 分析儀在瑞士國家空氣質量監測網絡(Nabel)中使用,被認為是NH3報告的參考方法

      • AGROSCOPE - 瑞士農業聯邦部

        為了滿足與農業相關的環境目標(AEO),瑞士的氨(NH3)總排放量必須減少約 40%。

      • NPL &ndash; 英國國家物理實驗室

        英國的國家測量標準實驗室,總部設在英國倫敦 Teddington 的 Bushy Park。是英國最大的應用物理組織

      • PTB -德國聯邦物理技術研究院

        Physikalisch-Technische Bundesanstalt(PTB)是德國國家計量機構, PTB 測量具有最高的準確性和可靠性 

      • METAS - 瑞士國家計量研究所

        瑞士聯邦計量研究所(METAS)以必要的準確度實現和傳播國際統一和認可的計量單位。

      • INTEL &ndash; 英特爾公司

        英特爾是全球最大,價值最高的半導體芯片制造商之一。Picarro 分析儀用于其半導體制造工廠

        FMI - 芬蘭氣象研究所

      • 當前和預測條件,包括動畫衛星圖像,氣候統計和研究和定制服務說明

      • UBA Germany - 德國環境部

        德國的主要環境保護機構,UBA 的任務是確保同胞們擁有健康的環境,最大限度地保護他們免受空氣,水和其它污染物的侵害

      • NOAA - 美國國家海洋和大氣管理局

        美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)是一個專注于海洋和大氣條件的聯邦機構

       

      我國科研院所、高校及高新技術企業也應用Picarro G2103 氨氣高精度分析儀進行相關領域的研究,包括但不限于以下單位: 

         

      國內應用Picarro G2103分析儀機構不完全概況

       

       
       
       

       

      Picarro G2103分析儀具體參數信息請點擊鏈接或發送“G2103”至任意以下郵箱獲?。?/p>

       

      https://www.picarro.com/zh-hans/support/library/documents/g2103_analyzer_datasheet?language=zh-hans

       

      韓工:hyx@cen-sun.com

      陳工:chenxf@cen-sun.com

      高工:gaoch@cen-sun.com 

       

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