मीथेन को ट्रैक और अध्ययन करने के लिए उपकरण और तकनीकें

मेथेन गैस CH4 के सारे question एक ट्रिक से सॉल्व ( गजब की ट्रिक ) (जुलाई 2019).

Anonim

साथी ग्रीनहाउस गैस कार्बन डाइऑक्साइड (सीओ 2) की तुलना में मीथेन वायुमंडल में कम प्रचलित है, लेकिन यह शोधकर्ताओं का अध्ययन करने का प्रयास करने के लिए और अधिक कठिन चुनौतियों का प्रस्तुत करता है।

सीओ 2 के अधिकांश उत्पादक आसानी से अपने कार्बन पदचिह्न का अनुमान लगा सकते हैं-नज़दीकी ट्रैकिंग की आवश्यकता को खत्म कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, जीवाश्म ईंधन को जलाने वाले बिजली संयंत्रों को उच्च स्तर की सटीकता के बारे में पता है, उनके परिचालनों से कितना सीओ 2 उत्पादित होता है। इसके अलावा, सीओ 2 के स्रोतों को पिन करना आसान है। भट्ठी में कोयले को जलाने से उत्पादित सीओ 2 संलग्न स्मोकेस्टैक से बाहर निकलता है।

इसके विपरीत, मीथेन उत्सर्जन को मात्रा में मापना अधिक कठिन होता है, क्योंकि वे लीक पाइपलाइनों को प्राकृतिक गैस शिपिंग, मवेशियों के पेट के अंदर सब्जी पदार्थों को किण्वित करना, और लैंडफिल में कचरा हटाने के स्रोतों से आते हैं। इन स्रोतों को शोधकर्ताओं द्वारा "गन्दा" माना जाता है क्योंकि कई चर केवल यह नियंत्रित करते हैं कि वे कितने मीथेन को रिहा करेंगे, और कहां। उदाहरण के लिए, लैंडफिल में कचरे के अपघटन द्वारा उत्पादित मीथेन की मात्रा लैंडफिल और स्थानीय पर्यावरण स्थितियों में सामग्री के प्रकार पर निर्भर करती है। इसके अलावा, बड़े क्षेत्र को लैंडफिल कवर कर सकते हैं, उत्सर्जन का स्रोत पिन करना मुश्किल हो सकता है।

कैल्टेक में वायुमंडलीय रसायन विज्ञान और पर्यावरण विज्ञान और इंजीनियरिंग के आर स्टैंटन एवरी प्रोफेसर पॉल वेनबर्ग कहते हैं, "मीथेन विशेष रूप से समस्याग्रस्त है।"

वेनबर्ग, जो रोनाल्ड और मैक्सिन लिंडे सेंटर फॉर ग्लोबल एनवायरनमेंटल साइंस के निदेशक भी हैं, संस्थान-वैज्ञानिकों और इंजीनियरों के सहयोगियों के साथ-साथ दुनिया भर में मीथेन और इसके प्रभावों का अध्ययन करने और पहचानने के लिए आवश्यक उपकरणों और तकनीकों का अध्ययन करने के लिए सहयोग कर रहे हैं। गैस और उसके स्रोतों को ट्रैक, और विशेषता।

फिंगरप्रिंटिंग मीथेन

एक मीथेन अणु चार कार्बन परमाणुओं से घिरे एक कार्बन परमाणु से बना होता है। हालांकि, सभी मीथेन बराबर नहीं बनाया गया है। तत्वों में आम तौर पर एकाधिक आइसोटोपिक रूप होते हैं। आइसोटोप एक ही तत्व के परमाणु हैं जो उनके नाभिक में न्यूट्रॉन की संख्या में भिन्न होते हैं। कार्बन, उदाहरण के लिए, तीन आइसोटोप हैं: कार्बन -12, कार्बन -13, और रेडियोधर्मी कार्बन -14। छह प्रोटॉन के अलावा छह न्यूट्रॉन के साथ कार्बन -12, लगभग 99 प्रतिशत कार्बन परमाणुओं के लिए जिम्मेदार है। बहुत कम प्रचलित सी -13 में सात न्यूट्रॉन हैं; सी -14, आठ। इसी तरह, हाइड्रोजन तीन आइसोटोपिक रूपों में आता है। अब तक का सबसे आम, 99.98 प्रतिशत हाइड्रोजन परमाणुओं के लिए लेखांकन, हाइड्रोजन -1, या प्रोटियम है, जिसमें केवल एक प्रोटॉन है। हाइड्रोजन -2, या ड्यूटेरियम, एक प्रोटॉन और न्यूट्रॉन है; रेडियोधर्मी हाइड्रोजन -3, ट्रिटियम, एक प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन है। चूंकि न्यूट्रॉन में द्रव्यमान होता है, इन आइसोटोपों में से प्रत्येक का अलग वजन होता है।

तब मीथेन के दिए गए अणु में कार्बन के तीन आइसोटोप और हाइड्रोजन के आइसोटोप के विभिन्न संयोजन हो सकते हैं-जो मीथेन के विभिन्न वजन के विभिन्न अणुओं को दे सकते हैं। जियोलॉजी के कैल्टेक के रॉबर्ट पी। शार्प प्रोफेसर और भूगर्भ विज्ञान के प्रोफेसर जॉन एइलर कहते हैं, इस आइसोटोपिक संरचना को निर्धारित करने से पहले दिए गए मीथेन अणु का एक और अधिक बारीक वर्णन होता है।

"एक अच्छा रूपक एक फिंगरप्रिंट है, " ईलर कहते हैं। "अगर मैं केवल अणु के एक या दो रूपों का पालन करने में सक्षम हूं, तो ऐसा होगा कि आपके अंगूठे के निशान पर केवल एक या दो पंक्तियां थीं। अगर ऐसा होता तो दुनिया में कोई भी अदालत आपको एक को देखने के आधार पर दोषी नहीं ठहराएगी या आपके द्वारा चुराए गए कुछ पर दो squiggly लाइनें। " एक पूर्ण फिंगरप्रिंट की सैकड़ों विशिष्ट रूप से पैटर्न वाली लाइनों के साथ, हालांकि, एक अदालत अलग-अलग सोच सकती है।

ईलर की प्रयोगशाला इस पूर्ण फिंगरप्रिंट को प्राप्त करने के लिए एक द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करती है, वजन के आधार पर आयनों को बाहर निकालने और फिर उन्हें मिलने वाले विभिन्न आइसोटोप को मापने के लिए उपयोग करती है। टीम पृथ्वी के अलावा ग्रहों के शरीर पर भूगर्भीय चक्रों के लिए पृथ्वी के इंटीरियर के माध्यम से हाइड्रोजन के चक्रवात से विभिन्न विषयों का पता लगाने के लिए इस तकनीक का उपयोग करती है।

मीथेन के आइसोटोपिक फिंगरप्रिंट के साथ, ईलर किसी दिए गए नमूने की उत्पत्ति का निर्धारण कर सकता है, उदाहरण के लिए प्रति हजार भागों में कार्बन -13 कार्बन -12 के अनुपात की तुलना करके, δ13C के रूप में जाना जाने वाला एक आंकड़ा, "डेल्टा तेरह सी" कहा जाता है। संख्या जितनी कम होगी, उतना ही कार्बन -12-और, इसलिए नमूना हल्का होगा। उदाहरण के लिए, आइसोटोपिकली लाइट मीथेन आम तौर पर पौधों को क्षीण करने से आता है, जबकि भूवैज्ञानिक स्रोतों से जारी मीथेन भारी होता है।

मीथेन के स्रोतों को समझने में शोधकर्ताओं ने वायुमंडल में मीथेन स्रोतों को पिन करने और दहनशील प्राकृतिक गैस के उप-सतह स्रोतों को ट्रैक करने में मदद करने के अलावा मीथेन उत्पन्न करने वाली प्रक्रियाओं का गहरा ज्ञान विकसित करने में मदद की है।

मीथेन पिनपॉइंटिंग

बेशक, मीथेन की विशेषता के लिए, सबसे पहले आपको इसे ढूंढने में सक्षम होना चाहिए। इस पिछले ग्रीष्मकालीन अध्ययन में एक साक्ष्य-अवधारणा अध्ययन में, ईसाई फ्रैंकबर्ग, जिन्होंने कैल्टेक में पर्यावरण विज्ञान और इंजीनियरिंग के सहयोगी प्रोफेसर और जेपीएल में एक शोध वैज्ञानिक के रूप में संयुक्त नियुक्ति की है, ने चार कोनों में मीथेन पंखों को इंगित करने का प्रयास किया कम उड़ान वाले विमान का उपयोग कर संयुक्त राज्य अमेरिका का क्षेत्र।

फोर कॉर्नर क्षेत्र में मीथेन हॉट स्पॉट को शुरुआत में फ्रैंकबर्ग और सहकर्मियों के साथ मिशिगन विश्वविद्यालय के एरिक एडम कॉर्ट ने यूरोपीय उपग्रह, स्काइमाची द्वारा किए गए अवलोकनों का उपयोग करके पता लगाया था। उस अवलोकन के बाद, जेपीएल / नासा के शोधकर्ताओं के सहयोग ने ट्विन ओटर परियोजनाओं में तेल / गैस वेल एमिसीओएनएस (टॉपडाउन) अभियान को परिभाषित करने के लिए क्षेत्र की जांच करने के लिए दो विमानों के साथ जमीन से एक से तीन किलोमीटर की दूरी तय की। विमान थर्मल और शॉर्ट-वेव से निकट अवरक्त स्पेक्ट्रोमीटर तक सुसज्जित थे। इन उपकरणों का उपयोग मीथेन और अन्य अणुओं को पहचानने और मापने के लिए किया जाता है।

स्पेक्ट्रोमीटर मूल रूप से पृथ्वी की सतह (चट्टानों, मिट्टी, और वनस्पति) के रासायनिक और भौतिक गुणों का अध्ययन करने के लिए विकसित किए गए थे। हालांकि, वे तीन मीटर के भीतर मीथेन के स्रोतों को इंगित करने के लिए पर्याप्त संवेदनशील साबित हुए।

फ्रेंकबर्ग कहते हैं, "हम मूल रूप से स्पेक्ट्रोमीटर का दुरुपयोग करते हैं जो वे कभी नहीं करना चाहते थे।" "यह वास्तव में भाग्यशाली संयोग है कि वे काम करते हैं।"

फोर कॉर्नर अध्ययन में 250 से अधिक व्यक्तिगत मीथेन स्रोतों का पता चला। उन स्रोतों में से दस प्रतिशत-जो मुख्य रूप से पाइपलाइनों को प्राकृतिक गैस लीक कर रहे हैं-उत्सर्जन के आधे हिस्से के लिए जिम्मेदार थे। इन लीकों की पहचान और ट्रैकिंग, फ्रैंकबर्ग कहते हैं, पर्यावरण और ऊर्जा उद्योग दोनों के लिए जीत-जीत है, क्योंकि लीक को रोकने से ग्रीनहाउस गैसों के उत्सर्जन में कमी आएगी और ऊर्जा आपूर्तिकर्ताओं के मुनाफे पर नालियों को कम किया जाएगा।

फ्रैंकनबर्ग के अध्ययन से पता चला है कि मीथेन पंखों को हवाई स्कैन के माध्यम से देखा जा सकता है। 15 अगस्त को नेशनल एकेडमी ऑफ साइंस की कार्यवाही में प्रकाशित उनका कार्य भविष्य के हवाई मीथेन सर्वेक्षणों का द्वार खोलता है।

"हम आगे बढ़ना चाहते हैं, संकल्प में सुधार हुआ है। नरक अवशोषण लाइनें और कड़े भूगर्भीय फोकस, " जो मीथेन के स्थान और आइसोटोपिक फिंगरप्रिंट को पिन करने में मदद करेगा।

अगली पीढ़ी

स्पेक्ट्रोस्कोपिक प्रौद्योगिकी के अग्रभाग में दोहरी-कंघी स्पेक्ट्रोस्कोपी है।

स्पेक्ट्रोस्कोपी इस तथ्य पर निर्भर करता है कि परमाणु विभिन्न तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश को अवशोषित और उत्सर्जित करते हैं।

दोहरी-कंघी स्पेक्ट्रोस्कोपी परंपरागत स्पेक्ट्रोस्कोपी की तुलना में उपयोगकर्ताओं को अधिक बारीकी से विस्तृत जानकारी प्रदान करने वाले ऑप्टिकल दालों की पेशकश करने वाली दो धाराओं के साथ इंटरफेरोमीटर की तरह इन मतभेदों को मापने के लिए उपयोग किए जाने वाले पारंपरिक उपकरणों को प्रतिस्थापित करती है।

दोहरी-कंघी प्रणालियों का मुख्य घटक उन ऑप्टिकल पल्स धाराओं को उत्पन्न करने के लिए आवश्यक उपकरण है, जो वर्तमान में भारी और महंगा है और इसलिए उपकरण की तरह नहीं है जिसे TOPDOWN जैसे सर्वेक्षणों के लिए विमान पर उड़ाया जा सकता है।

सूचना विज्ञान और प्रौद्योगिकी के टेड और अदरक जेनकिंस के प्रोफेसर केरी वहाला और लागू भौतिकी के प्रोफेसर, जिन्होंने उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रोमीटर के लघुकरण के लिए मार्ग प्रशस्त किया है, दर्ज करें।

वहाला ने पहले एक सर्कुलर ऑप्टिकल रेज़ोनेटर विकसित किया था जो सोलिटन्स-स्थानीयकृत लहरों नामक प्रकाश के दालों को पैदा करने और भंडार करने में सक्षम था जो कणों की तरह कार्य करते थे। जैसे-जैसे सोलिटन्स अंतरिक्ष भर में यात्रा करते हैं, वे अन्य तरंगों की तरह फैलाने के बजाए अपना आकार पकड़ते हैं। सर्किट रेज़ोनेटर के चारों ओर सोलिटन्स दौड़, हर बार जब वे सर्किट पर एक निश्चित स्थान पास करते हैं तो प्रकाश की एक उत्सर्जित नाड़ी ट्रिगर करते हैं।

इस प्रकार, वहाला के पास कई ऑप्टिकल-पल्स जनरेटर बनाने का साधन था, प्रत्येक माइक्रोचिप का आकार।

"आदर्श रूप से, एक हाथ से आयोजित दोहरी-कंघी स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रणाली को तैनात किया जा सकता है। हालांकि, मौजूदा सिस्टम बहुत बड़े और भारी हैं। इसलिए हमने परंपरागत ऑप्टिकल-पल्स जनरेटर को एक सोलिटॉन-आधारित प्रणाली के साथ बदल दिया जिसे छोटा किया जा सकता है, " वह कहता है ।

वाहला की नई सोलिटॉन-आधारित प्रणाली का अनावरण 9 अक्टूबर को विज्ञान पत्रिका में किया गया था- और यह फ्रैंकनबर्ग के साथ दोहरे-कंघी स्पेक्ट्रोमीटर को मीथेन ट्रैकिंग और विश्लेषण के लिए लागू करने के लिए एक नए सहयोग का आधार है।

नई परियोजना के वेनबर्ग कहते हैं, "कैल्टेक में हम यही करते हैं।" "हम शोधकर्ताओं को इंजीनियरिंग और विज्ञान से एकजुट करते हैं और नए कोणों से बड़ी समस्याओं से निपटने के लिए अपनी अलग विशेषज्ञता का उपयोग करते हैं।"

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