Российские ученые создали первый в мире компактный анализатор, который одновременно измеряет концентрацию трех парниковых газов — углекислого газа, метана и водяного пара. Прибор может стать основным инструментом для мониторинга природных экосистем в нашей стране. Он заменит прежние громоздкие и дорогостоящие импортные устройства, которые исследовали каждое вещество по отдельности. Разработка позволит уплотнить сеть наблюдений для изучения аномалий, связанных с парниковыми газами.
Один прибор вместо двух
В РФ создали первый в мире компактный лазерный анализатор, способный в полевых условиях измерять концентрацию сразу трех парниковых газов — углекислого газа, метана и водяного пара. Ранее для этого требовалось как минимум два отдельных прибора. В разработке приняли участие специалисты Института космических исследований РАН, Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова и Московского физико-технического института.
Как пояснили ученые, внедрение прибора позволит заменить дорогое импортное оборудование и поможет более рационально распоряжаться национальными природными ресурсами.
— Устройство представляет собой систему из двух лазеров: их излучение проходит между зеркалами по М-образной траектории. Общий путь лучей — 135 см. Работа спектрометра основана на том, что молекулы разных газов поглощают свет на строго определенных длинах волн. Измеряя степень этого поглощения и обрабатывая данные вычислительными алгоритмами, можно в каждый момент времени определять концентрацию газов, — рассказал «Известиям» один из разработчиков, инженер ИКИ РАН, ведущий инженер МФТИ Вячеслав Мещеринов.
Особенность разработки — использование более длинных волн по сравнению с теми, которые обычно применяются в подобных системах. Это позволило упростить конструкцию прибора и повысить его надежность, пояснил он. Кроме того, устройство измеряет концентрацию газов непосредственно в окружающей среде. В большинстве аналогичных систем воздух сначала прокачивают по трубкам и анализируют в закрытой кювете, что создает временную задержку и требует дополнительной коррекции данных.
За счет внедренных решений газоанализатор получился компактным: его масса составляет чуть более 4 кг. Это упрощает установку прибора, например, на высоких мачтах, которые используют для измерений над лесными массивами.
Зачем исследуют парниковые газы
По словам разработчиков, запросы из академических институтов подтверждают востребованность прибора. В том числе для обеспечения работы карбоновых полигонов — территорий, где проводят мониторинг парниковых газов.
— Сейчас в России действует порядка 35 станций наблюдений, объединенных в сеть RuFlux. Они работают в лесах, на болотах, в тундре и в степях. До 2026 года все газоанализаторы были иностранными. Их закупка стоит огромных денег и затруднена в условиях санкций, — отметила соавтор разработки, научный сотрудник ИПЭЭ Ольга Куричева.
Например, чтобы следить за тремя газами, требовалось ставить два отдельных газоанализатора LI-COR Inc. американского производства общей стоимостью под 50 млн рублей, пояснила она. Новые доступные и простые приборы снизят затраты на создание станций наблюдения и позволят уплотнить их сеть.
Это даст возможность лучше изучить состояние национальных экосистем и воздействие на них человека, а также поможет улучшить управление природными ресурсами.
— Содержание парниковых газов в воздухе отражает функционирование экосистем в меняющихся условиях среды. Изменение их концентрации может свидетельствовать как об адаптации растительных сообществ к условиям среды, так и о нарушениях внутри экосистем. Например, о сдвиге в обмене веществ, пожарах и вырубках, — объяснила младший научный сотрудник Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН Дарья Полосухина.
По ее словам, такие наблюдения помогут понять, почему природа ведет себя по-разному: например, почему в одни периоды деревья активнее поглощают углекислый газ, а в другие — меньше, почему болота иногда начинают выделять больше метана. Понимание этих процессов позволяет строить прогнозы состояния экосистем в условиях изменения климата.
— Мониторинг парниковых газов позволяет оценить как природный, так и антропогенный вклад в глобальные климатические процессы. Эти данные помогут усовершенствовать методы защиты окружающей среды от негативного воздействия, — отметил член Общественного совета Базовой организации государств — участников СНГ по экологическому образованию, доцент Института экологии РУДН имени Патриса Лумумбы и главный редактор научного интернет-журнала «Отходы и ресурсы» Владимир Пинаев.
В перспективе, добавил он, при развитии углеродного рынка такие исследования позволят России извлекать экономическую выгоду, продавая квоты на выбросы.
Как объединить наземные и космические наблюдения
— Чтобы понимать глобальный климат, нужна единая система наблюдений от кроны дерева до стратосферы. Представленная разработка — это первый уровень. Такие приборы видят только локальный участок, — отметил генеральный директор стартапа «Стратолинк» Николас Оксман.
Второй уровень системы — аэростаты, которые на высоте до 1 км могут собирать данные в радиусе порядка 100 км и строить вертикальные профили газов в атмосфере. Третий уровень — стратосферные псевдоспутники вроде российского перспективного комплекса «Аргус». Это беспилотные аппараты, которые могут неделями барражировать на высоте около 20 км. Их радиогоризонт — до 600 км, что позволяет отслеживать региональный фон газов.
Самый верхний уровень — орбитальные спутники с гиперспектрометрами. Сейчас подобную технику, к примеру, испытывают на кубсатах HyperView-1G и Colibri-S разработки Самарского университета им. С.П. Королева. Их запустили в ноябре 2024 года.
Эти аппараты регистрируют выбросы метана и углекислого газа. Их успешная эксплуатация откроет дорогу созданию группировок недорогих спутников, которые в реальном времени будут отслеживать парниковые газы по всей стране.
В целом комплексные системы, которые объединяют наземные, атмосферные и космические аппараты, позволят получить более достоверную картину, отметил Николас Оксман. Подробнее совместные проекты участники отрасли смогут обсудить на Неделе космоса, которую впервые проведут 6-12 апреля.
— Новые отечественные приборы актуальны в связи с дороговизной зарубежного оборудования и сложностями с импортом. Кроме того, многие страны нуждаются в качественном оборудовании для мониторинга состояния экосистем, — добавил климатолог, проректор по перспективным проектам Сибирского федерального университета Сергей Верховец.
Если нашим ученым удастся доработать и вывести на рынок свои разработки, это станет очередным шагом для усиления позиций российской науки в мире, резюмировал эксперт.
Как думаете, такие технологии помогут лучше контролировать климат?