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CARBOCAP®-Technologie unterstützt innovative Forschung zu Kohlendioxidemissionen

Forschung zu Kohlendioxidemissionen in Städten
Calgary, Alberta
Canada
Nachhaltigkeit
Industrielle Messungen
Innovationen und Inspirationen

Da die menschliche Bevölkerung zunehmend städtisch geprägt ist, ist die Untersuchung der Luftverschmutzung von entscheidender Bedeutung, um die Auswirkungen der Urbanisierung auf die Luftqualität besser zu verstehen. Luftverschmutzung betrifft Menschen, Tiere, die Landwirtschaft, die Luftfahrt, künstliche Strukturen sowie marine und andere empfindliche Biome. Dr. Ke Du und sein Forschungsteam arbeiten in Kanada und China und untersuchen die globale und regionale Luftqualität. Dr. Ke Du ist Assistenzprofessor im Department of Mechanical and Manufacturing Engineering an der University of Calgary’s Schulich School of Engineering. Seine Hauptforschung umfasst die Messung von Emissionen, die optische Fernmessung von Luftschadstoffen, die Identifizierung von Quellen für Aerosole, die Kohlenstoff im städtischen Dunst enthalten, sowie die Erstellung von 3D-Modellen des Treibhauseffekts und anderer atmosphärischer Phänomene.

Stabile Sensoren für komplexe Forschung

Durch die Untersuchung und Modellierung des Verhaltens von CO2 in städtischen Emissionen hoffen Dr. Ke Du und sein Team, neue und kostengünstige Strategien zur Minderung der Luftverschmutzung zu finden. Vor Ort verwendet das Team den Vaisala GMP343 CO2-Sensor und die MI70-Messanzeige. Dr. Ke Du entschied sich für CO2-Sensoren von Vaisala aufgrund ihrer überlegenen Genauigkeit, einer Auflösung von ±3 ppm + 1 % des Messwerts sowie einer stabilen Bauweise, die dem anspruchsvollen Forschungsverfahren standhält. 

Im Jahr 2014 veröffentlichte Atmospheric Environment diese Studie in dem Artikel „Vertical distribution of CO2 in the atmospheric boundary layer: Characteristics and impact of meteorological variables“. In der Studie kamen eine Vaisala GMP343-Sonde zur Erstellung von CO2-Profilen und ein Kestrel 4500-Wettermessgerät zur Erstellung simultaner Temperatur-, Druck- und relative Feuchteprofile zum Einsatz. Ziel war es, den Einfluss meteorologischer Variablen auf die vertikale Verteilung von CO2 in dem Teil der Atmosphäre zu untersuchen, der sich in Bodennähe befindet. Die Sensoren wurden an einem angebundenen Ballon in einem Vorort in Xiamen, China, angebracht und zur Datenerfassung freigegeben. Xiamen ist für diese Forschung relevant, da sich das Gebiet schnell verstädtert. 

Aufstieg bedeutet weniger CO2

Dies war die erste Studie, um die vertikale Verteilung von CO2 zu charakterisieren und die Ursachen für verschiedene Arten vertikaler Profile in einer weniger städtischen Atmosphäre zu untersuchen. Der größte Teil unseres derzeitigen Verständnisses des Verhaltens von CO2 stammt aus Forschungen, die sehr nahe am Boden oder in sehr großer Höhe durchgeführt wurden. Bei der Erstellung eines CO2-Profils zählt die Höhe, in der die Messung durchgeführt wird. In der Schicht der atmosphärischen Grenzschicht (typischerweise vom Boden bis zu einer Höhe von 1 000 m) besteht eine Lücke bei der Überwachung mit hoher Auflösung. Diese Informationen sind für die Modellierung des Klimaeffekts von CO2 in städtischen Gebieten von wesentlicher Bedeutung. 

Angebundene Ballons, die bis zu einer maximalen Höhe von ~ 1 000 m aufsteigen, sind eine kostengünstige Lösung für Probenahmen über längere Zeiträume bis zu einer relevanten Höhe. Sie bieten eine Reihe von Messungen mit höherer Auflösung und damit ein genaueres Profil. Die Daten zur vertikalen Verteilung von CO2 sind auch wichtig, um die Satellitenmessungen von CO2 kalibrieren und validieren zu können. 

Die Daten ergaben eine langsame Abnahme der CO2-Konzentration mit zunehmendem Ballonaufstieg. Die vertikalen Profile wurden dann für Regressionsanalysen verwendet, um eine exponentielle Abnahme von CO2 mit zunehmender Höhe zu erreichen. Das Team stellte fest, dass die CO2-Konzentration ein tägliches Muster aufwies, das in Bodennähe offensichtlicher war als in großer Höhe. Dies war auf die unterschiedlichen Quellen und Senken von CO2 in Bodennähe zurückzuführen. 

In Bezug auf die Messgenauigkeit eignete sich die Vaisala GMP343-Sonde hervorragend, da der CO2-ppm-Ausstoß von Druck und Temperatur abhängt. Der Sensor verfügt über integrierte Optionen zum Ausgleich von Temperatur, Druck und relativer Feuchte. 

3D-Modellierung hilft bei Bewertung der CO2-Auswirkungen 

Die Ergebnisse der Arbeit vor Ort können genutzt werden, um 3D-Dispersionsmodelle zu erstellen – Computerprogramme, die mithilfe von Algorithmen zeigen, wie sich Schadstoffe in unserer Atmosphäre verhalten. Diese Modelle helfen beim Verständnis der Verteilung, Bewegung und Auswirkungen von CO2 in städtischen Umgebungen. 
Highlights aus der Studie 

  • Vertikale CO2-Profile von 0 bis 1 000 m mit täglichen Schwankungen wurden erfasst
  • Auswirkungen täglicher Schwankungen von CO2 in Bodennähe innerhalb von 300 m begrenzt
  • Drei Profilstrukturen unter verschiedenen meteorologischen Bedingungen beobachtet
  • Gleichung für die vertikale CO2-Verteilung ermittelt

Dr. Ke Du hat weitere Artikel zur CO2-Profilerstellung in chinesischen Fachzeitschriften veröffentlicht. In einem Artikel geht es um stationäre Sensoren in städtischen und ländlichen Gebieten zur Langzeitüberwachung, in dem anderen um mobile Überwachungsverfahren, bei dem er den CO2-Sensor an seinem Auto anbringt und durch städtische Gebiete fährt. Diese Forschung baut nicht nur unser Wissen über die Merkmale der Luftverschmutzung aus, sondern kann zudem Regulierungsbehörden bei der Lösung der Herausforderungen durch Luftverschmutzung, die durch Emissionen verursacht wird, unterstützen. 

Laut der US-Umweltschutzbehörde „sind die gesundheitlichen, ökologischen und wirtschaftlichen Auswirkungen der Luftverschmutzung erheblich. Die Luftverschmutzung verringert auch die landwirtschaftliche Ernte und Wirtschaftswalderträge um Milliarden Dollar pro Jahr“.

Eine verstärkte Forschung zur Luftverschmutzung unterstützt Regierungsbehörden dabei, positive Änderungen in Bezug auf Richtlinien vorzunehmen und ein besseres Verständnis dafür zu erlangen, wie Lösungen entwickelt und optimiert werden. Ziel ist es, die Auswirkungen schädlicher Emissionen zu verringern. 

Erfahren Sie mehr über unsere Kohlendioxidmessungen und die GMP343-Sonde.