バックグラウンドCH₄とCO₂の長期大気モニタリング

はじめに

バックグラウンド CH₄とCO₂の連続大気モニタリングには、精度、正確さ、安定性に対する厳しい要件を満たす装置が必要です。さらに、24時間365日の稼働が求められるため、最小限のメンテナンスで済む堅牢性も求められます。LI-7810 CH₄/CO₂/H₂OおよびLI-7815 CO₂/H₂Oトレースガスアナライザーは、まさにこのようなアプリケーションを念頭に設計されました。

CH₄やCO₂を含む様々な温室効果ガスの長期的なバックグラウンド測定は、厳選された場所に配置された測定ネットワークによって、地域や地球規模で監視されています。測定ネットワークサイトに配備された測定器に要求される性能は、データの収集と報告を監督する組織によって規定されています。地球規模では、主要な温室効果ガスのバックグラウンド濃度の変化は、世界気象機関（WMO）の全球大気監視（GAW）によって監視され、欧州レベルでは、大気を含む生態系の健全性を監視するための主要な施設が、統合的炭素循環観測システム（ICOS）によって運営されています。

CH₄用のLI-7810とCO₂用のLI-7815は、安定性、ドリフト、精度を測定するために独自にテストされました。両装置は、ICOS大気テーマセンター（ATC）、パリの気候環境科学研究所（LSCE）により、精度、ドリフト、圧力安定性、水補正、その他いくつかの重要な仕様について評価されました。さらに、米国カリフォルニア大学スクリップス海洋研究所の大気研究者は、第20回WMO/IAEA二酸化炭素、その他の温室効果ガスおよび関連測定技術に関する会議（GGMT-2019）報告書^３に詳述されているWMO GAWの研究室間測定互換性目標を参照しながら、大気測定の要求^２に対する両装置の性能を決定するための一連の実験を完了しました。スクリップスの研究者は、「これらの実験により、LI-7810とLI-7815がそれぞれ大気中のメタンと二酸化炭素の長期測定に適していることが確認された」と結論づけました。

これらの独立試験の成功に基づき、LI-7810とLI-7815は、アイルランドの西海岸に位置するゴールウェイカウンティ、カルナのメイスヘッド大気研究ステーションで6ヶ月間連続で運用されました。2台の装置は、ICOSとWMO GAWの両ネットワークにデータを報告する為、施設に常設されたCH₄/CO₂/CO/H₂Oアナライザーと並行して運用されました。この要約では、メイスヘッド施設におけるLI-7810とLI-7815トレースガスアナライザーの設置、データ処理、キャリブレーション戦略、測定結果について説明し、適切なキャリブレーション戦略と組み合わせることで、両装置がICOSとWMO GAWネットワークにデータを収集・提出するための性能要件を満たしていることを結論として示しています。

設置

大気研究ステーションでは、高い塔の上部に大気インレットを設置し、大気をサンプリングして、塔の真下の建物にある複数のガスアナライザーに送っています（図1A）。LI-7810とLI-7815は大気を連続的にサンプリングし、高圧ボンベに貯蔵されたキャリブレーションガスを定期的にサンプリングします。ガスサンプルの選択は、VICI Valco マルチポートロータリーバルブを介して行われます（図 1C）。装置データとバルブポートの選択は、LI-CORトレースガスアナライザー専用に設計されたルーチンが標準装備されているGCWerksソフトウェアを使用して制御されます。

(A）写真家Gavin Kelly。コピーライト Colin O’Dowd。 LI-CORに転載許可。
図1. メイスヘッド大気研究ステーション(A)と設置されたLI-7810とLI-7815トレースガスアナライザー(B)。
大気サンプリング時の流路を示す実験セットアップと日常的なキャリブレーションセットアップ(C)。

結果

2020年7月から2021年1月までの6ヶ月間にわたる直線性補正された周囲のCH₄データは、メタン測定と同程度の性能を示しています（図2）。 この期間中、装置の操作/性能とは関係ないサイトの保守やその他の問題により、短時間のダウンタイムがありました。これらの期間は提示されたデータで示されています。

図2. GCWerksソフトウェアを使用して LI-COR LI-7810 と Picarro G2401 で収集した直線性を補正した環境 CH4 データの比較。
表示されたグラフには、混合比（A）、差（B）、比率（C）が含まれる。

CO₂測定データにおいてLI-7815は同様に高い性能を発揮します。CH₄については、水分除去レジーム（ICOSステーションの要件）を導入した場合、測定値間の差は～1 ppb（フルスケールの典型的なバックグラウンドCH₄濃度～2000 ppbの～0.05%）です。水分除去を行わないと、水分濃度の変動により、この差は～4 ppb（フルスケールの典型的なバックグラウンドCH₄濃度～2000 ppbの～0.2%）に増加する可能性があります。LI-7815とG2401によるCO₂測定では、差は通常0.1ppm（フルスケールの典型的なバックグラウンドCO₂濃度〜400ppmの0.025％）程度でした。0.1ppm程度の差は、水が全くない場合を含め、どのような水除去レジームが導入されたかに関係なく観察されました。

結論

ICOS ATCとスクリップス海洋研究所による以前の独立したテストは、LI-7810とLI-7815がそれぞれ、大気中のCH₄とCO₂の長期バックグラウンド測定に適していることを示す第一歩となりました。いずれの研究も、最大約6週間という比較的短期間のテストに基づいています。メイスヘッドでの長期テストは、データの安定性と相互比較性、さらに連続モニタリングアプリケーションの信頼性と利便性という点で、さらなる信頼性を示しています。この試験の結果は、これらの先行試験から得られた結論を裏付けるものであり、装置がより長期の配備に適していることを示しています。

実用的な観点からは、LI-7810とLI-7815が、ガスサンプリングやデータハンドリングハードウェアへの影響を最小限に抑え、データ収集とガスサンプルの選択の両方でGCWerksソフトウェアとの互換性を保ちながら、既存のサンプリングおよび測定ネットワークインフラにインストールできることが実証されました。

このアプリケーションでは、LI-7810 CH₄/CO₂/H₂OおよびLI-7815 CO₂/H₂Oトレースガスアナライザーが、WMO GAWおよびICOS装置仕様との互換性と、さまざまなキャリブレーション基準とプロトコルで使用できることを示しています。

メイスヘッドでの展開を監督したDamien Martin氏は、「測定データに関しては、両装置とも期間中、適切なキャリブレーション基準、プロトコル、標準的な水除去レジームがあれば、WMO GAWネットワークによる大気サンプリングにおいて試験所間の測定互換性目標を達成できることを実証した」と述べました。

謝辞

・Damien Martin, National University of Ireland, Galway, Ireland
・Gerard Spain, Mace Head Research Station, Galway, Ireland
・Dickon Young, University of Bristol, UK
・Michael Geever, National University of Ireland, Galway, Ireland
・Peter Salameh, Scripps Institution of Oceanography, La Jolla, CA, USA
・Simon O’Doherty, University of Bristol, UK