海洋大气中碳氮循环检测方案(同位素质谱仪)

北京唯思德科技有限公司海洋环境监测解决方案 海洋环境监测解决方案北京唯思德科技有限公司 氮是初级生产力的主要限制因子之一，海洋中氮库的变化对大气中二氧化碳(CO2)的浓度具有调控作用，氮循环研究已成为海洋生物地球化学循环和全球气候变化的关键问题之一。通过稳定同位素示踪水团循环，结合分析不同氮组分的天然稳定氮同位素组成分布以及采用人为标记的手段，可全面而系统地定性和定量不同碳氮循环过程及反演古海洋碳氮循环过程。 监测指标 二氧化碳(C02)、一氧化碳(C0)、甲烷(CH4)、羰基硫(OCS)、氧化亚氮(N20)、亚硝酸(HONO)、硝酸 (HONO)、氨气(NH3) 等浓度， C02中 8 13C、814C、CH4中 8 13C、N20中81N及8180值。 应用方案 A. 海水中溶解无机、有机碳813C 的测量 B.海藻、淤泥等固体样品8 13C的测量 C.海洋大气浓度及同位素测量 D.海水溶解气体浓度及同位素走航监测 E.天然水合物通量监测平台 沿非洲西北部和欧洲西南部海岸进行的 CO2和CH4碳同位素连续测量揭示了多种温室气体来源 远航考察船 Fleur de Passion 沿着北大西洋东部进行613CO2和613CH4的高精度光腔衰荡测量实验 Magdalena E. G. Hofmannr， Donis， Daphne2，Ordonez， Cesar2， Bent， Jonathan D.1， Lucic， Gregor，McGinnis， Daniel F.2 and crew of Fleur de Passion1Picarro， Inc.， Santa Clara， USA2University of Geneva， Switzerland 3Foundation Pacifique， Sailing for Science & Sustainability， Carouge， Switzerland *Contact： mhofmann@picarro.com**Contact：t：daphne.donis@unige.ch，daniel.mcginnis@unige.ch 引言 .区分本底空气中由微生物引起的、源于人类活动的和热源性的二氧化碳(CO2)和甲烷 (CH4)是了解海洋上层生态系统过程的重要环节。 ·通过本文，我们展示了通过 Fleur de Passion 远航考察船获得的二氧化碳和甲烷的同位素数据。作为由日内瓦 NPO组织太平洋基金会 (NPO Fondation Pacifique) 开展的大型海洋测绘远征活动的一部分，该考察船于2019年4月至10月间从达喀尔(Dakar)(塞内加尔 (Senegal))先后航行至佛得角 (Carbo Verde)、亚速尔群岛 (the Azores) 和法国(France)。 仪器设备 .分析仪可现场部署，用以同时进行 CH4 和 CO2的高精度813C分析。 PICARRO · 精度(1-0，1小时窗口，5分钟平均)： 813C-CO2<0.16%o，， O13C-CH4<1.15%o 参考文献 [1] Becker M.， Andersen N.， Fiedler B.， Fietzek P.， Kortzi nger A.， Steinhoff T. and Friedrichs G. (2012) Using cavity ringdown spectroscopy for continuous monitoring of 813C(CO2) and fCOz in the surface ocean. Limnol. Oceanogr. Methods 10，752-766 [2] Becker M.， Steinhoff T. and Kortzinger A. (2018) A Detailed View on the Seasonality of Stable Carbon Isotopes Across the North Atlantic. GlobalBiogeochem. Cycles 32， 1406-1419.[3] Maher D. T.， Santos I. R.， Leuven J.R. F. W.， Oakes J. M.， Erl er D. V.， Carvalho M. C. and Eyre B. D. (2013) Novel use of cavity ring-downspectroscopy to investigate aquatic carbon cycling from microbial to ecosystem scales. Environ. Sci. Technol. 47， 12938-12945.[4] Pohlman J. W.， Greinert J.， Ruppel C.. Sily akova A.，Vielstadte L.， Casso M.，Mienert J. and Bunz S.(2017) Enhanced CO2 uptake at a shallow ArcticOcean seep field overwhelms the positive warmi ng potential of emitted methane. Proc. Natl. Acad. Sci. 114， 5355-5360. [5] Webb J. R.，Maher D. T. and Santos l. R. (2016) Automated， in situ measurements of dissolved CO2， CH4， and 613C values using cavity enhanced laserabsorption spectrometry： Comparing response times of air-water equilibrators.Limnol. Oceanogr. Methods 14，323-337. 20图.1：在科考船 Fleur de Passion上测量 的二氧化碳和甲烷浓度。航行于4月从达 喀尔(Dakar) 开始，至10月在法国 (France)结束。在公海时，浓度接近于 本底值。在靠近海岸及亚速尔群岛(the Azores)时浓度显著提升。 经度 经度 图.2：沿远航考察船的航行轨迹测量的二 第氧化碳和甲烷的碳同位素组成。为了便于 阅读，数据点显示为4小时平均值。结果 表明，碳同位素呈显著的变化特征。 经度 经度 图.3：(a)考察船航行轨迹随时间变化 10地图。(b)总体而言， 813C (CO2) 和 813C (CH4) 呈反相关。(C) CH4的 Keeling 图没有表现出明显的同位素端 元组分。(d)然而， CO2 的 Keeling 图显示出5月、6月和9月具有明显 不同的来源特征。 经度 月 (C) s (d)+9 11 11177 -10 -10 00000 088 Equati 8 Adj R-Squang 50051 000215 00 0002250008203203000023 1/CH， 1/CO， ( 结论 ) ·远航考察考 Fleur de Passion 上的分析仪在具有挑战性的气温和重复移动条件下具有极好的表现，使研究人员能够获得迄今为止沿非洲海岸最全面的二氧化碳和甲烷同位素记录之一。 ·连续测量的数据结果展示了同位素组成的明显变化，这可能与季节、地理和来源差异有关。研究人员目前正在对这些新数据作进一步研究! 走航式 C02/CH4 闭路涡动相关监测系统 海气界面通量的研究对海洋生态环境、刻画大气波导特征和提高海洋大气耦合数据模式预报能力等方面具有重要应用价值和科学意义。海气 C02 CH4交换速率及通量的测定、估算是碳循环研究的重要内容。 整套系统架构 涡动相关法是海气间热量、物质与能力交换通量观测的标准方法，结合海洋高湿度、高盐度的特点，走航式涡动相关系统高精度 C02/CH4分析仪为测量核心，超低漂移无需执行不必要的校准和参比气体，测量搭配三维超声风速仪，实时与10Hz 风速计数据自动同步，以高性能、耐腐蚀的数据采集器作为数据采集与控制中心，结合多层高精度温湿度传感器、风速风向传感器、雨量筒、大气压传感器、辐射传感器和红外温度传感器等，进行准确、稳定、可靠、高速运行。 三维超声风速仪 将3-D声速风速计直接连接到分析仪 数据以 10Hz 实时同步 支持的制造商： Campbell， Gill， Metek， RM Young 等 接口系统，无需数据记录器 消除由于手动同步和信号滞后引起的错误 分析器在标准输出文本文件中报告风数据 性能规格： 测量组分 CO2 CH4 H20 三组分精度(10Hz，1o) ≤200ppb ≤3ppb ≤6ppm+0.3%读数 最大漂移(24h/1month)*50min av ≤250/500ppb ≤2.5/3ppb ≤10ppm+0.3%读数 测量速度 ≥10Hz ≥10Hz ≥10Hz 测量池中的气体响应 ≥5Hz ≥5Hz ≥5Hz 水汽同位素的研究如雨后春笋般增长，在全球不同区域如美国、欧洲和中国等地，均有水汽同位素连续观测的报道，并对开放水体蒸发和植被蒸腾乃至降水形成等机理有了新的认识。然而，受测量条件限制，一直未见有全球尺度的连续测量结果，对控制水汽同位素分馏尤其是气盈余的主导因素除相对湿度和海洋表面温度外，是否包括风速争议不断。 对于特定情况下的水， 8170就是我们所说的170盈余，它量化了相对“全球大气降水线”的偏离程度。170-盈余可被用于研究：重建空气质量轨迹、确定水源区、重建过去的湿度、识别大气中注入平流层的水汽、在树叶尺度上的蒸散收支限制、了解热带地区的云对流。 Nature Communications 发表了德国亥姆霍兹极地海洋研究中心、挪威卑尔根大学和丹麦哥本哈根大学研究人员为时两年(2015年6月29日-2017年6月30日)的海洋水汽同位素数据集研究成果(Bonne et al.，2019)。研究人员在科考船上安装了水汽同位素连续测量装置，考察路径从北极到南极、穿越大西洋和北冰洋。在测量水汽同位素数据的同时，测试了海水同位素，并沿途观测了海水温度、风速、气温与相对湿度等数据，获得了全球尺度下第一批连续原位测量数据。 全球不同纬度下的水汽同位素与气盈余以及海冰覆盖比例、海水表面温度、海水同位素与气盈余的连续变化 (Bonne et al.，22019) 测量指标 8180，8D，170盈余，8170 应用方案 A.海洋、入海口等水中的8180和8D原位在线测量 B. 船载大气水汽同位素原位测量 C.海洋水同位素高精度测量 应用案例 2014年和2015年秋季与美国地质勘探局合作绘制萨克拉门托河三角洲同位素图 水同位素走航监测 海洋溶解气体是海洋生态系统中重要的能量来源，在海洋物质能量循环中占据着重要地位，溶解气体监测系统可以帮助研究人员测量海洋、江河、湖水中3000米深度的溶解气体和同位素。 海洋是 CH4和 N20 重要的排放源，水体中溶解的 C02、CH4和N20等气体传统方法很难实现线测量， WSD2000C02/CH4水汽分离器，采用动态顶空平衡方法是基于以一定速度连续通过平衡器的海水喷淋不断循环的顶空气并与其达到平衡而测定 C02、CH4 和 N20等气体含量的装置。该设备响应迅速，可实现走航模式快速、准确分离目标气体。 采用动态顶空平衡原理，基于以--定速度连续通过平衡器的海水喷淋不断循环的顶空气并与其达到平衡而测定 CO2、CH4和 N20 等气体含量的装置。C02数据是沿用国际海洋学调查过程中测定 pC02 通常的做法-连续流动式水-气平衡法获得【1 Guide to BestPratices for Ocean C02 Measurements】。 海洋中溶解的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N20)、氨气(NH3)等浓度， C02中813C、、8814C、CH4中 81sC、N20中815N及8180值。 应用方案 A. 走航式溶解气体及同位素监测系统(C02/N20 平衡时间3-5min， CH4 平衡时间8-15min) B.深海溶解气体及同位素原位在线监测系统(3000米以下) 北京市丰台区海鹰路号层· 海洋水下溶解气体监测系统海洋溶解气体是海洋生态系统中重要的能量来源，在海洋物质能量循环中占据着重要地位，溶解气体监测系统可以帮助研究人员测量海洋、江河、湖水中3000米深度的溶解气体和同位素。海洋是CH4和N2O重要的排放源，水体中溶解的CO2、CH4和N2O等气体传统方法很难实现线测量，WSD2000CO2/CH4水汽分离器，采用动态顶空平衡方法是基于以一定速度连续通过平衡器的海水喷淋不断循环的顶空气并与其达到平衡而测定CO2、CH4和N2O等气体含量的装置。该设备响应迅速，可实现走航模式快速、准确分离目标气体。采用动态顶空平衡原理，基于以一定速度连续通过平衡器的海水喷淋不断循环的顶空气并与其达到平衡而测定CO2、CH4和N2O等气体含量的装置。CO2数据是沿用国际海洋学调查过程中测定pCO2通常的做法-连续流动式水-气平衡法获得【1 Guide to Best Pratices for Ocean CO2 Measurements】。        测量指标海洋中溶解的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氨气（NH3）等浓度，CO2中δ13C、δ14C、CH4中δ13C、N2O中δ15N及δ18O值。应用方案A.走航式溶解气体及同位素监测系统（CO2/N2O平衡时间3-5min，CH4平衡时间8-15min）B.深海溶解气体及同位素原位在线监测系统（3000米以下）