カーボンフラックスシステム 研究グレードの渦相関法システムで CO2 と CH4 フラックスを測定

カーボン フラックス システムとは何ですか?

カーボンフラックスシステムは、大気圏と大気圏の表面層の間の二酸化炭素 (CO2) またはメタン (CH4) の交換を測定、記録、処理するために使用されるコンポーネントの統合システムです。これらのシステムは、世界中のさまざまな土地タイプ (森林、草地、作物、低木など) で使用され、管理や研究の目的に必要な情報を提供します。頑丈な設計、低電力要件、低メンテナンス、ネットワーク監視ソフトウェアを備えた炭素フラックス システムは、高額なサイト訪問を必要とせずに、長期間リモートで操作できます。

注意: 「カーボンフラックスシステム」を表す類似の用語には、「CO2フラックス」、「二酸化炭素フラックス」、「GHGフラックス」、「温室効果ガスフラックス」、「渦相関」、「CH4フラックス」、「メタンフラックス」などがあります。

カーボン フラックス システムはどのように機能しますか?

Campbell Scientific が提供するカーボンフラックス システムは、渦共分散法を使用して、生物圏と大気の間の炭素交換を測定します。この技術は、高解像度で応答が速い 3D 町音波風速計、高速応答ガス分析装置、データロガー、フラックス処理プログラムに依存しています。

一部の生態系では、二酸化炭素、水蒸気、温度のプロファイル測定値が測定され、炭素貯蔵フラックス項が特定されます。

カーボンフラックス システムのさまざまなコンポーネントは何ですか?

渦共分散法を使用する一般的なカーボンフラックスシステムは、次のようなさまざまなコンポーネントで構成されています。

• 高解像度で高速応答の 3D 超音波風速計
• 高速応答のガス分析装置
• 貯蔵フラックス システム
• データロガー
• フラックス処理プログラム
• 表面エネルギー バランス センサ
• 補助的な生物気象学センサ
• 取り付け構造
• リモート通信

3D 超音波風速計

3D 超音波風速計 (Campbell Scientific の CSAT3B、CSAT3A、IRGASON^® など) は、3 組のトランスデューサ間の音の飛行時間を測定することにより、3 つの直交風成分と音速を測定します。カーボンフラックスシステムでは、3D 超音波風速計で測定された垂直風の乱流変動を赤外線ガス分析装置と組み合わせて使用​​し、CO2 交換の規模と方向を推定します。この機器は、大気中の小さな渦を捉えるのに十分な周波数応答を備えている必要があります。 Campbell Scientific の超音波風速計はすべて、カーボンフラックスシステムで使用するのに十分な周波数応答を備えています。

ガス分析装置

カーボンフラックス システムのガス分析装置は、フラックスのスカラー成分を測定します。CO2 交換を測定する Campbell Scientific のガス分析装置 (IRGASON^®、EC150、EC1555) は、非分散型中赤外線 (NDIR) 吸収分析装置です。赤外線源は光路に沿って検出器に送られます。干渉フィルタは、CO2 吸収と CO2 透過率に対応する光波長をフィルタ処理するために使用されます。したがって、分析装置の 2 波長特性により、別の参照セルと検出器を必要とせずに、参照とサンプルの両方の読み取りが提供されます。

を使用する代わりに、チューナブル ダイオード レーザー (TDL) を使用して CH4 交換を測定します。 Campbell Scientific の TGA200A 分析装置で使用されるレーザーは、インターバンドカスケードレーザー (ICL) であり、3 ～ 6 µm のターゲット波長に選択できます。この中赤外線範囲は、多くの重要な微量ガス (CO2、N2O、および CH4) が吸収ピークを持つ場所を捉えます。

渦共分散法でカーボンフラックスを測定するために使用されるガス分析装置は、空気力学的であり、小さな渦を分解するのに十分な速度でサンプリングする必要があります。

• Campbell Scientific では、オープンパスガス分析装置を空気力学的に設計し、音波風速計のサンプリングボリュームの隣に大きな鈍角ボディのガス分析装置を配置する他の設計と比較して、流れの歪みを最小限に抑えています。
• クローズドパス設計では、サンプルの吸気口と入口のサイズを最小限に抑えることで、流れの歪みも最小限に抑えます。

ガス分析装置は、大気中の小さな渦に迅速に対応できる必要があります。 IRGASON®、EC150、EC155、および TGA200A はすべて、カーボンフラックス システムで使用するのに十分な周波数応答を備えています。

注意: EC155 は、 CPEC300、CPEC306、CPEC310 システムの一部として注文されます。

貯蔵フラックス システム

特に夜間の乱流がほとんどまたはまったくない期間には、上記のガス分析装置および音波風速計では捕捉できないフラックスの大きな寄与が発生する可能性があります。乱流がないと、渦によって機器の感知領域に運ばれない CO2 の勾配が蓄積されます。この勾配は、太陽が昇り乱流が回復するまで続きます。上記のサイクルの結果、フラックスがほとんどまたはまったくない期間の後に、フラックスへの大きな寄与が発生します。 Campbell Scientific の AP200 などのプロファイル システムを使用すると、LI-840A (LI-COR Biosciences、ネブラスカ州リンカーン) などの応答の遅いガス分析装置と複数の吸気口を使用して、CO2 フラックスの勾配を測定できます。その後、この勾配を時間の経過とともに積分し、貯留フラックス項を計算して毎日のフラックス合計に追加できます。その結果、CO2 フラックスがより正確になり、純生態系交換 (NEE) の推定値が向上します。

データロガー

ほとんどすべてのアプリケーションで、Campbell Scientific のカーボンフラックスシステムはデータロガー (CR3000、CR6、CR1000、CR1000X) と連動して動作します。

• オープンパスカーボンフラックスシステムとクローズドパス CH4 フラックスシステムの場合、データロガーは次の目的で使用されます:
  
  • 生データを保存します。
  • 生データを処理してフラックスを保存します。
  • ステーションへのリモート通信を可能にします。
  • システムに関する診断情報を提供します。
• クローズドパス CO2 フラックスシステムの場合、上記の機能に加えて、データロガーはポンプの流量とバルブの切り替え (ゼロ/スパンのキャリブレーション用) の制御も提供します。
• 貯蔵フラックスシステムの場合、データロガーはオープンパスシステムに対して上記に挙げたすべての機能を提供し、さらにプロファイル勾配測定のバルブの切り替えとタイミングを制御します。

フラックス処理プログラム

カーボンフラックスシステムで使用されるデータロガーには、データ保存とシステム操作用のプログラムが必要です。オープンパスおよびクローズドパス炭素フラックスシステムの場合、このプログラムは当社のEasyFlux^® DL製品の一部として提供されます。EasyFlux® DLは、科学文献で一般的に使用されている補正を適用することで、生の高頻度時系列データから処理された完全に補正された炭素フラックスをデータロガーが報告できるようにするCRBasicプログラムです。さらに、このプログラムは診断情報と較正情報を保存します。

貯蔵フラックスシステムの場合、システム制御、診断情報と較正情報の保存、および毎日の貯蔵値の計算に使用できるプロファイルサイト濃度平均を提供するプログラムが提供されます。

表面エネルギーバランスセンサ

カーボンフラックスシステムには、表面エネルギーバランスを測定するための追加のセンサが装備されていることがよくあります。表面エネルギーバランスは、正味放射（Rn）、土壌熱フラックス（G）、潜熱フラックス（LE）、および顕熱フラックス（H）で構成されます。正味放射を測定するには、CNR4-L、NR01-L、NR-LITE2-L（Campbell Scientific製）が使用されます。 Campbell Scientific のカーボンフラックスシステムでは、HFP01-L または HFP01SC-L 熱フラックス プレートが CS616 または CS65(x) 水分反射計および TCAV-L 平均化熱電対とともに使用され、地表熱フラックスを計算します。ガス分析装置と音波風速計は、潜熱フラックスと顕熱フラックスのカーボンフラックス測定値を提供します。表面エネルギー バランスの検査を実行すると、エネルギー保存がチェックされ、フラックスの信頼性または測定値のバイアスに関する推定値を提供できます。

生物気象センサ

前のセクションで説明した表面エネルギー バランス センサと組み合わせて、追加の生物気象センサがカーボンフラックスシステムで使用されることがよくあります。Campbell Scientific のカーボンフラックスシステムでは、これらには温度および相対湿度プローブ (HMP155A-L または EE181-L など)、雨量計 (TE525-L など)、赤外線リーフ放射計 (SI-111 など) が含まれます。これらのセンサから得られるデータは、カーボンフラックスデータのギャップを埋め、環境条件を理解するために重要です。 

取り付け構造

Campbell Scientific は、高さ 2 ～ 9 m の炭素フラックス システムを取り付けるための三脚とタワーを提供しています。これらの製品には、CM106B, CM110, CM120, UT10, UT20,  UT30 などがあります。

注意: 機器の配置を決定する際には、フラックス フットプリントを考慮する必要があります。

リモート通信

携帯電話、無線、または衛星遠隔周辺機器を使用して、カーボンフラックスシステムへのリモート通信を行うことができます。これにより、完全に処理されたフラックスのデータ監視とデータ転送が可能になります。さらに、EasyFlux^® Web を追加することで、世界中のどこからでもリモートカーボンフラックスシステムの機関ネットワークを監視することが容易になります。

カーボンフラックス システムはそれぞれどう違うのですか?

カーボンフラックスシステムはさまざまなレベルで比較対照できますが、次に挙げる主な特性は、覚えておくと役立つ可能性があります:

• 品質
• 渦共分散アプローチ
• カーボンフラックス測定の共位置

品質

Campbell Scientific は、地球上で最も過酷な環境条件のいくつかで動作する高品質のデータロガーで知られています。これらのデータロガーは、当社のカーボンフラックスシステムの核心です。さらに、Campbell Scientific は、カーボンフラックス測定を行うためのフィールドで耐久性のある堅牢な分析装置も提供しています。当社の低電力 CO2 分析装置は、ガス分析装置によって生成される熱などのバイアスを測定から排除しながら、遠隔地のソーラーパネルシステムで安心して使用できるように最適化されています。Campbell Scientific CH4 分析装置は、非常に低いノイズ (100 ms アラン偏差に基づく) を提供し、煩わしい計測装置を必要とせずに使用できるように設計されています。最後に、当社の CSAT超音波風速計は、乱流測定におけるトランスデューサによる影の影響を最小限に抑えるために、水平から 60 度に設定された最適化されたパス長の小径トランスデューサを使用して設計されています。CSAT には、風がトランスデューサのパス長に平行に吹く場合のオプションの補正も含まれています。

渦共分散アプローチ

渦共分散法は、二酸化炭素の形でのカーボンフラックス測定によく使用されます。ただし、オープンパスとクローズドパスの 2つの異なるアプローチが採用されています。

• オープンパス アプローチによるカーボンフラックス測定では、ガス分析装置を使用して、発生源から検出器まで大気中を伝搬する赤外線ビームの吸収を測定します。
• クローズドパス アプローチでは、ポンプを使用してサンプルセルに空気を流し込み、密閉されたサンプル内のガスを測定します。

当然、それぞれのアプローチには長所と短所があります。

クローズドパス システム

クローズドパス システムの利点は次のとおりです:

• これらのシステムは、ガス測定が行われるパスの温度と圧力の両方を測定するため、カーボンフラックス測定に対する密度の影響を補正する必要がありません。
• クローズドパス システムでは、既知の標準を使用して自動校正チェックと手順を実行できます。
• ガスの測定は密閉されたサンプルセル内で行われるため、悪天候が機器の性能に影響を与えることは通常ありません。

クローズドパス システムには、次の短所があります:

• これらのシステムは、サンプルポンプがあるため、電力要件が高くなります。
• サンプリングラインが汚染されると、周波数応答が低下します。
• 遅延時間の補正が必要です。

オープンパス システム

オープンパス システムの利点は次のとおりです。

• これらのシステムにはサンプリングラインが含まれないため、通常は周波数応答が高くなります。
• オープンパス システムにはチューブやポンプが不要なため、機器の設置が簡単になります。
• これらのシステムはポンプを使用しないため、電力要件が少なくなります。

オープンパス システムには次の欠点があります。

• 大気にさらされているため、悪天候によりデータ ギャップが大きくなる可能性があります。
• オープンパス システムでは通常、測定パスに温度と圧力の測定がありません。そのため、カーボンフラックスに対する密度の影響を補正する必要があります。

カーボンフラックス測定の共位置

カーボンフラックスシステムで使用される測定機器には、共存測定を行うための統合センサがある場合とない場合があります。

真に共存する設計では、空間分離によるフラックス損失を回避できます。これは、機器が地表に近いほど重要になります。さらに、共存設計により、ガス測定の経路に音速温度が提供され、ポイントごとの混合比に基づいてカーボン素フラックスを計算できます。

超音波風速計とガス分析装置の間の距離が固定された機器は、大きな迎え角で分析装置ハウジングによって引き起こされる風の流れの歪みの影響を排除します。ただし、このような空間分離を備えた機器では、ガス測定経路で音速温度測定が行われなくなるため、フラックス損失を考慮するための補正係数とカーボンフラックスの密度補正が必要です。

アプリケーションに適したカーボンフラックス システムをどのように選択すればよいですか?

カーボンフラックスシステムの選択は、慎重に検討する必要がある重要な決定です。選択プロセスのサポートについては、詳細な購入の考慮事項セクションを確認してください。