Градиентный метод измерения потока метана с использованием беспилотного воздушного судна: апробация и наземная верификация

Болотные экосистемы играют ключевую роль в глобальном цикле углерода, являясь значительным источником метана (CH4) — парникового газа, концентрация которого в атмосфере выросла на 160% по сравнению с доиндустриальным уровнем [Zheng et al., 2019, Cheng ey al., 2022]. Точная количественная оценка потоков CH4 необходима для верификации климатических моделей и разработки стратегий адаптации, направленных на смягчение последствий глобального потепления.
Традиционные микрометеорологические методы, являющиеся общепризнанным стандартом для измерения потоков CH4 и реализуемые на стационарных вышках (eddy covariance), обеспечивают прямое измерение турбулентных потоков, но имеют ограниченную мобильность, высокую стоимость и сложность развертывания в труднодоступных местообитаниях. Камерный метод, хотя и прост в использовании, обладает малой пространственной репрезентативностью (особенно для гетерогенных в пространстве местообитаний) и высокой трудоемкостью в процессе проведения измерений [Cicerone et al., 1981, Running et al., 1999].
Использование беспилотных воздушных систем (БВС) для измерений потоков CH4 микрометеорологическими методами (в частности, градиентным) позволяет преодолеть эти ограничения, обеспечивая мобильность, доступность и возможность измерений в приземном слое атмосферы над любым типом ландшафта. При этом ряд неопределенностей, присущих данному методу в БВС-исполнении (высота полета, шаг измерения концентрации, время экспозиции, точность измерительного оборудования и методика обработки результатов), требует проведения измерений над различными типами подстилающей поверхности и наземной верификации результатов.
Целью настоящей работы стала апробация градиентного метода измерения потоков CH4 при помощи БВС, а также его верификация на основе измерений, полученных методом микровихревых пульсаций на примере болотного массива в средней тайге Западной Сибири.
В июле 2024 г. на территории болотного массива «Мухрино» (ХМАО—Югра) были проведены измерения концентраций CH4 градиентным методом с использованием БВС (DJI Matrice 300 RTK) и высокоточного газоанализатора LI-7810 над участком грядово-мочажинного комплекса олиготрофного болота. Забор проб воздуха осуществлялся последовательно снизу-вверх на высотах от 1 до 13-14 м (с шагом 1 м) через выносную пробоотборную трубку, закрепленную на корпусе БВС. Параллельно на 10-метровой вышке проводились измерения потоков CH4 методом микровихревых пульсаций (ММП) с использованием газоанализатора LI-7700, что позволило выполнить независимую верификацию величин потоков и их неопределенностей.
Для каждого измерения («профиля») был получен следующий набор данных: высоты отбора проб (определённые при помощи БВС), концентрации CH4 (молярная доля метана в пересчете на сухой воздух, отношение смеси) на этих высотах, масштаб Монина-Обухова и динамическая скорость ветра (по данным анемометра Metek USonic-3 Cage MP). Коэффициент турбулентной диффузии вычислялся согласно [Седунов, 1991]. Профили концентрации метана аппроксимировали степенной функцией. Удельный поток газа (Fa) вычисляли по формуле Fa = −Ked·dx/dz (z=zg; 9,3 м). Оценку погрешности потока проводили методом статистического моделирования Монте-Карло, как описано в [Davis, 2018, Glagolev et. al, 2019].
Средневзвешенный поток CH4, рассчитанный по данным БВС, составил 0,81 ± 0,65 мг CH4·м⁻²·ч⁻¹. Эта величина сопоставима с результатами, полученными методом микровихревых пульсаций в тот же период на той же территории (медиана: 0,80 мг CH4·м⁻²·ч⁻¹; среднее ± SD: 1,18 ± 1,36 мг CH4·м⁻²·ч⁻¹), а также с литературными данными для аналогичных болотных экосистем Западной Сибири.
Анализ результатов выявил основные источники неопределенности, связанные с техническими ограничениями: малая продолжительность полета, ограниченная высота измерений из-за длины пробоотборного шланга, отсутствие прямых измерений турбулентности на БВС и влияние нестационарности атмосферы. Для повышения точности метода предложены следующие меры: увеличение времени экспозиции на каждой высоте, использование более длинных трубок, установка легких анемометров на БВС и проведение измерений в более стационарных атмосферных условиях.
Проведенная апробация подтвердила принципиальную возможность и состоятельность градиентного метода с использованием БВС для количественной оценки потоков CH4 в сложных болотных ландшафтах. Метод демонстрирует хорошее согласие с эталонным микрометеорологическим методом и открывает перспективы для оперативного мониторинга парниковых газов в труднодоступных регионах.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 25-17-20042 «Разработка системы комплексной оценки состояния природных сред с учетом целей низкоуглеродного развития ХМАО-Югры: БПЛА, ГИС, нейронные сети и наземная верификация».