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基于红外吸收光谱技术的CO2同位素测量研究进展

李庚昱 马若梦 臧金亮 马路遥 林鸿

李庚昱,马若梦,臧金亮,等. 基于红外吸收光谱技术的CO2同位素测量研究进展[J]. 计量科学与技术,2024, 68(3): 15-21 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0077
引用本文: 李庚昱,马若梦,臧金亮,等. 基于红外吸收光谱技术的CO2同位素测量研究进展[J]. 计量科学与技术,2024, 68(3): 15-21 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0077
LI Gengyu, MA Ruomeng, ZANG Jinliang, MA Luyao, LIN Hong. Research Progress on CO2 Isotope Measurement Based on Infrared Absorption Spectroscopy[J]. Metrology Science and Technology, 2024, 68(3): 15-21. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0077
Citation: LI Gengyu, MA Ruomeng, ZANG Jinliang, MA Luyao, LIN Hong. Research Progress on CO2 Isotope Measurement Based on Infrared Absorption Spectroscopy[J]. Metrology Science and Technology, 2024, 68(3): 15-21. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0077

基于红外吸收光谱技术的CO2同位素测量研究进展

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0077
基金项目: 国家重点研发计划-战略性科技创新合作(2023YEE0207200);中国计量科学研究院重点基本业务费项目(AKYZD2207)。
详细信息
    作者简介:

    李庚昱(1999-),中国计量科学研究院在读研究生,研究方向:精密分子吸收光谱,邮箱:1341991373@qq.com

    通讯作者:

    林鸿(1979-),中国计量科学研究院研究员,研究方向:大气反演计算、温室气体和大气污染物精密光谱计算,邮箱:linhong@nim.ac.cn

  • 中图分类号: TB96

Research Progress on CO2 Isotope Measurement Based on Infrared Absorption Spectroscopy

  • 摘要: 全球气候变暖形势加剧,温室气体排放是关键因素之一。二氧化碳作为主要温室气体,对其高精度监测技术是实现温室气体追踪的基础。在此基础上监测二氧化碳同位素组份,不仅可以实现高精度浓度监测,还能够区分不同排放源的碳循环过程贡献,实现人为排放和自然排放的追踪和溯源。发展高精度二氧化碳同位素监测技术对提升碳排放清单准确性,优化碳减排措施等具有重要意义。在自然界中,碳同位素气体浓度通常为大气浓度的10−6倍,并受测量条件的影响,这导致了碳同位素测量难度加大。综述了红外吸收光谱技术测量二氧化碳稳定同位素浓度的研究进展,分析了高灵敏度稳频光腔衰荡光谱技术的原理及研究进展,并展望了稳定同位素光谱研究的未来方向。光腔衰荡光谱技术作为新兴光学检测技术,克服了传统方法测量精度不足、灵敏度低等缺陷,或成为新一代温室气体及同位素丰度测量标准方法。
  • 图  1  光腔衰荡光谱原理图

    Figure  1.  Principle diagram of cavity ring-down spectroscopy

    图  2  1.6μm附近CO2同位素分子红外吸收谱线

    Figure  2.  Near 1.6μm CO2 isotope molecular infrared absorption spectrum lines

    表  1  各光谱参数及含义

    Table  1.   Spectral parameters and their meanings

    参数 单位 物理含义
    v0 cm−1 谱线跃迁中心波数
    ΓD cm−1 由分子热运动引起的多普勒展宽
    γ00/P cm−1/atm 单位大气压时所有分子速度平均后的碰撞展宽
    δ0=Δ0/P cm−1/atm 单位大气压时所有分子速度平均后的碰撞偏移
    γ22/P cm−1/atm 单位大气压时依赖于分子运动速度的碰撞展宽
    δ2=Δ2/P cm−1/atm 单位大气压时依赖于分子运动速度的碰撞偏移
    β=vVC/P cm−1/atm 单位大气压时分子碰撞导致分子速度
    分布改变引起的多普勒展宽的减小量
    η -- 分子碰撞引起的速度改变与内部
    状态改变间的耦合参数
    ξ=Yl/P cm−1/atm 一阶线形混叠效应参数的压力系数
    S cm/molec 谱线强度
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    表  2  近年16O13C16O光谱参数代表性研究

    Tab. 2 Recent research on 16O13C16O spectral parameters
    年份作者波数/(cm−1)光谱技术跃迁带支主要成果
    2004Ding[39]1480~1630CRDS相较之前金星大气光谱参数测量精度提高近十倍
    2006Kasyutich[40]6228.4362OA-ICOS30012←00001 P16e实现该技术测量结果近千分之一精度
    2006Wahl[41]6261.5~6262.4CRDS发现波长测量噪声扭曲同位素测量吸收峰导致误差
    2008Wehr[42]4978.0226CEAS20011←00001 P16e实现该技术测量结果精度降至千分之一以下
    2009Zare[43]6251.3169CRDS30012←00001 R12e证明该技术测量精度已接近质谱技术测量精度
    2011Long[45]6270.2491CRDS30012←00001 R50e实现实验拟合线强与实测跃迁线强相差1—4%
    2013李相贤[33,34]1800~4000FTIR改进FTIR技术并实现同位素丰度测量精度0.57‰
    2013陆燕[48]12436.4CRDS10051←00001 P16实现1cm−1扫描范围同时分辨率提高到0.003cm−1
    2017夏滑[49]3648.9193CRDS10011←00001 R22e在弱吸收谱线区域测得大气二氧化碳同位素丰度
    2018Kiseleva[47]6114.8580CRDS30014←00001 P6e证明弹性碰撞不会导致单根谱线发生Dicke窄化
    2018韩荦[51]2310.3472OA-ICOS00011←00001 R40e实现该技术测量二氧化碳跃迁精度0.17‰
    2020张熙[50]6252.6235CRDS30012←00001实现仪器等噪吸收系数达4×10−12cm−1Hz−1/2
    2023张志荣[52]3641.0311OA-ICOS10011←00001 R10e实现了大气13CO2气体测量精度0.3‰
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-12
  • 录用日期:  2024-03-15
  • 修回日期:  2024-03-18
  • 网络出版日期:  2024-03-25
  • 刊出日期:  2024-03-01

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