Systèmes de mesure du flux de carbone Mesurer le flux de CO2 et CH4 avec des systèmes de flux turbulent de qualité

Qu'est-ce qu'un système de mesure du flux de carbone ?

Un système de mesure du flux de carbone est un système intégré de composants utilisés pour mesurer, enregistrer et traiter l'échange de dioxyde de carbone (CO₂) ou de méthane (CH₄) entre la biosphère et l'atmosphère dans la couche superficielle ou couche limite de l'atmosphère. Ces systèmes sont utilisés sur différents types de terrains (tels que les forêts, les prairies, les cultures et les arbustes) à travers le monde pour fournir des informations nécessaires à des fins de gestion et de recherche. Ces systèmes de flux de carbone offrent une conception robuste, une faible consommation d'énergie, une faible maintenance et un logiciel de surveillance du réseau qui peuvent fonctionner à distance pendant de longues périodes sans avoir besoin de visites sur site coûteuses.

Note : Voici des termes similaires pour décrire les “systèmes de flux de carbone” peuvent inclure “les flux de CO₂”, “les flux de dioxyde de carbone”, “les flux de gaz à effet de serre”, “la covariance turbulente”, “les flux turbulents”, “les flux de CH₄” et “les flux de méthane”.

Comment fonctionne un système de mesure du flux de carbone ?

Les systèmes de flux de carbone commercialisés par Campbell Scientific mesurent l'échange de carbone entre la biosphère et l'atmosphère en utilisant la technique de la covariance par turbulence ou flux turbulent. Cette technique repose sur un anémomètre sonique 3D de haute résolution et à réponse rapide, ainsi qu'un analyseur de gaz à réponse rapide, une centrale de mesure et un programme de traitement des flux.

Dans certains écosystèmes, les mesures de profil de dioxyde de carbone, de vapeur d'eau et de température sont mesurées, ainsi on identifie un terme de flux de stockage de carbone.

Quelles sont les différentes composantes d'un système de flux de carbone ?

Un système de flux de carbone typique, utilisant la technique de covariance par turbulence ou de flux turbulent, comprend une variété de composants, dont voici la liste :

• Un anémomètre sonique 3-D de haute résolution à réponse rapide
• Un analyseur de gaz à réponse rapide
• Un système de flux de stockage
• Une centrale de mesure
• Un programme de traitement des données de flux
• Des capteurs de bilan d'énergie de surface
• Des capteurs biométéorologiques auxiliaires
• Les structures pour le montage
• Un système de communications à distance

Anémomètre sonique 3-D 

Un anémomètre sonique 3D (tel que le CSAT3B, CSAT3A, ou l'IRGASON^® de Campbell Scientific) mesure trois composantes de vent orthogonales et la vitesse du son en déterminant le temps de vol du son entre trois paires de transducteurs. Dans un système de flux de carbone, les fluctuations turbulentes du vent vertical mesurées par l'anémomètre sonique 3D sont utilisées conjointement avec un analyseur de gaz infrarouge pour estimer l'amplitude et la direction de l'échange de CO₂. Cet instrument doit avoir une réponse en fréquence adéquate pour capturer les petits tourbillons dans l'atmosphère. Tous les anémomètres soniques de Campbell Scientific ont une réponse en fréquence adéquate à utiliser dans les systèmes de flux de carbone.

L'analyseur de gaz 

Un analyseur de gaz dans un système de flux de carbone mesure la composante scalaire du flux. Les analyseurs de gaz de Campbell Scientific destinés à mesurer les échanges de CO₂ (l'IRGASON^®, l'EC150 et l'EC155) sont des analyseurs d'absorption non dispersifs dans l'infrarouge moyen (NDIR). Une source de rayonnement infrarouge est transmise le long d'un chemin optique à un détecteur. Les filtres d'interférence sont utilisés pour filtrer les longueurs d'onde lumineuses qui correspondent à l'absorption du CO₂ et à la transmittance du CO₂. Ainsi, la nature à double longueur d'onde des analyseurs fournit à la fois une lecture de référence et d'échantillon sans avoir besoin d'une cellule de référence et d'un détecteur séparé.

Plutôt que d'utiliser un NDIR, un laser à diode accordable est utilisé (TDL) pour mesurer les échanges de CH₄. Les lasers utilisés dans l'analyseur TGA200A de Campbell Scientific sont des lasers à cascades inter bandes (ICL) et peuvent être choisis pour des longueurs d'onde cibles comprises entre 3 et 6 μm. Cette gamme d'infrarouge moyen capture de nombreuses traces de gaz importants qui ont leur pic d'absorption (CO₂, N₂O et CH₄).

Les analyseurs de gaz utilisés pour mesurer le flux de carbone avec la méthode des flux turbulents ou eddy-covariance doivent être aérodynamiques et suffisamment rapides pour détecter les petits tourbillons.

• Chez Campbell Scientific, nous avons conçu nos analyseurs de gaz à champ ouvert pour qu'ils soient aérodynamiques et qu'ils minimisent la distorsion du débit comparativement à d'autres conceptions qui placent un grand analyseur de gaz à côté du volume d'échantillonnage de l'anémomètre sonique.
• La conception en champ fermé minimise également la distorsion de l'écoulement en minimisant la taille de l'entrée et de l'entrée de l'échantillon.

Les analyseurs de gaz doivent également être capables de réagir rapidement aux petits tourbillons dans l'atmosphère. L'IRGASON®, l'EC150, l'EC155 et le TGA200A ont tous une réponse en fréquence adéquate pour les utiliser dans les systèmes de flux de carbone.

Système de flux de stockage

Pendant les périodes de turbulence faible ou nulle, en particulier pendant la nuit, il peut y avoir une contribution significative du flux, qui ne peut pas être capturée par l'analyseur de gaz et l'anémomètre sonique énumérés ci-dessus. L'absence de turbulence provoque une accumulation de CO2 qui n'est pas transportée par les tourbillons dans le volume de détection des instruments. Ce gradient reste jusqu'à ce que le soleil se lève et que la turbulence soit rétablie. Le résultat du cycle ci-dessus se traduit par des périodes apparentes de peu de flux ou d'absence de flux, suivi d'une contribution importante du flux. Avec un système de profil tel que l'AP200 de Campbell Scientific, un gradient de flux de CO­₂ peut être mesuré avec un analyseur de gaz à réponse plus lente, tel que le LI-840A (LI-COR Biosciences, Lincoln NE) et plusieurs bouche d'admission. Ce gradient peut ensuite être intégré dans le temps, avec un terme de flux de stockage calculé et ajouté au flux quotidien total. Le résultat est un flux de CO­₂ plus précis et une meilleure estimation de l'échange net des écosystèmes (NEE).

La centrale de mesure

Dans presque toutes les applications, les systèmes de flux de carbone Campbell Scientific fonctionnent conjointement avec une centrale d'acquisition de données(telle que la CR3000, la CR6, la CR1000, ou la  CR1000X).

• Pour les systèmes de flux de carbone à champ ouvert et le système de flux de CH₄ à champ fermé, la centrale d'acquisition de mesure est utilisée pour : 
  • L'enregistrement des données brutes. 
  • Le traitement des données brutes et l'enregistrement des flux.
  • L'autorisation des communications à distance avec la station.
  • La fourniture des informations de diagnostic sur le système.
• Pour les systèmes de flux de CO₂ à champ fermé, en plus des fonctions énumérées ci-dessus, la centrale de mesure fournit également le contrôle du débit de la pompe et de la commutation de la vanne (pour l'étalonnage du zéro/étalonnage).
• Pour le système de flux de stockage, la centrale de mesure fournit toutes les fonctions énumérées ci-dessus pour le système à champ ouvert et contrôle en outre la commutation de la vanne et la synchronisation pour les mesures de gradient de profil.

Le programme de traitement des flux

Les centrales d'acquisition de données utilisés avec les systèmes de flux de carbone Campbell Scientific nécessitent un programme de stockage de données et de fonctionnement du système. Pour le système de flux de carbone à champ ouvert et fermé, ce programme est fourni dans le cadre de notre offre EasyFlux™ DL. EasyFLux ™ DL est un programme CRBasic qui permet à la centrale de mesure de calculer et traiter les flux de carbone entièrement corrigés à partir des données de séries temporelles hautes fréquences brutes, en appliquant les corrections couramment utilisées dans la littérature scientifique. De plus, ce programme stocke les informations de diagnostic et d'étalonnage.

Pour le système de flux de stockage, un programme est fourni qui offre le contrôle du système, le stockage des informations de diagnostic et d'étalonnage, et les moyennes de concentration du site de profil qui peuvent être utilisées pour calculer une valeur de stockage quotidienne.

Les capteurs pour le calcul du bilan d'énergie de surface

Les systèmes de flux de carbone sont souvent équipés de capteurs supplémentaires pour mesurer le bilan d'énergie de surface. Le bilan énergétique de surface comprend le rayonnement net (Rn), le flux de chaleur du sol (G), le flux de chaleur latente (LE) et le flux de chaleur sensible (H). Un CNR4-L, NR01-L, ou NR-LITE2 (de Campbell Scientific) est utilisé pour mesurer le rayonnement net. Dans un système de flux de carbone Campbell Scientific, les plaques de flux de chaleur HFP01-L ou HFP01SC-L sont utilisées avec des réflectomètres de teneur en eau CS616 ou CS65 (x) et des thermocouples TCAV-L pour calculer le flux thermique. L'analyseur de gaz et l'anémomètre sonique fournissent des mesures pour le flux de chaleur latente et sensible. Lorsqu'un examen du bilan d'énergie de surface est effectué, il vérifie la conservation de l'énergie et peut fournir des estimations sur la fiabilité du flux ou du biais dans les mesures.

Les capteurs de biométéorologie

En conjonction avec les capteurs de bilan d'énergie de surface discutés dans la section précédente, d'autres capteurs de biométéorologie sont souvent utilisés avec le système de flux de carbone. Dans un système de flux de carbone Campbell Scientific, ceux-ci comprennent des sondes de température et d'humidité relative (telles que le HMP155A ou le EE181), des pluviomètres (SBS500) et des radiothermomètres infrarouges (comme l'IR120). ). Les données provenant de ces capteurs sont importantes pour combler les lacunes dans les données de flux de carbone et pour comprendre les conditions environnementales.

Les structures de montage 

Campbell Scientific propose des trépieds et des tours pour le montage des systèmes de flux de carbone d'une hauteur de 2 à 9 m. Ces systèmes de montage comprennent les CM106B, CM110, CM120, UT10, UT20, et UT30.

Note : La prise en compte de l'empreinte des flux doit être prise en compte lors de la détermination du site d'installation des instruments.  

Communications à distance

La télémétrie cellulaire, radio ou satellite peut être utilisée pour des communications à distance avec des systèmes de flux de carbone. Cela peut permettre la surveillance des données ainsi que le transfert de données des flux entièrement traités. De plus, avec l'ajout d'EasyFlux™ Web, il est plus facile de surveiller les réseaux institutionnels de systèmes de flux de carbone à distance de n'importe où dans le monde.

En quoi les systèmes de flux de carbone diffèrent-ils les uns des autres ? 

Les systèmes de flux de carbone peuvent être comparés et mis en perspective à plusieurs niveaux différents, mais voici quelques caractéristiques principales qui peuvent vous être utiles :

• La qualité
• L'approche de la covariance des turbulences
• La colocalisation de mesures

La qualité

Campbell Scientific est connu pour ses centrales de mesure de haute qualité qui fonctionnent dans certaines des conditions environnementales les plus difficiles que l'on rencontre sur terre. Ces centrales d'acquisition de données sont au cœur de nos systèmes de flux de carbone. De plus, Campbell Scientific propose également des analyseurs robustes de terrain pour mesurer les flux de carbone. Nos analyseurs de CO₂ de faible puissance sont optimisés pour être utilisés en toute confiance avec les systèmes de panneaux solaires distants tout en gardant les biais tels que la chaleur générée par l'analyseur de gaz hors de la mesure. L'analyseur CH₄ de Campbell Scientific fournit un bruit extrêmement faible (basé sur la déviation d'Allan de 100 ms) et est conçu pour être utilisé sans avoir besoin d'un grand nombre d'instrumentation encombrant. Enfin, notre anémomètre sonique CSAT est conçu avec des transducteurs de petit diamètre avec des trajectoires optimisées à 60 degrés de l'horizontale pour minimiser les effets d'ombrage induits par les transducteurs sur les mesures de la turbulence. Le CSAT inclut également une correction optionnelle pour les cas où le vent souffle parallèlement à la longueur du trajet du transducteur.

Approches par l'Eddy-covariance 

La technique de l'Eddy-covariance ou de flux turbulents est couramment utilisée pour mesurer le flux de carbone sous forme de dioxyde de carbone. Il existe cependant deux approches différentes qui peuvent être employées : le champ ouvert (open path) ou le champ fermé (closed path).

• L'approche par open path ou par le champ ouvert pour mesurer le flux de carbone utilise des analyseurs de gaz, qui mesurent l'absorption d'un faisceau infrarouge qui se propage dans l'atmosphère depuis une source jusqu'à un détecteur. 
• L'approche par closed path ou par champ fermé mesure le gaz d'un échantillon dans une enceinte fermée en utilisant une pompe pour aspirer l'air à travers la cellule d'échantillonnage.

Naturellement, chaque approche a ses avantages et ses inconvénients.

Les systèmes closed-path ou à champ fermé

Voici quelques avantages des systèmes à champ fermé :

• Ces systèmes mesurent à la fois la température et la pression sur le trajet de mesure du gaz, éliminant ainsi le besoin de corriger les effets de densité sur la mesure du flux.
• Les systèmes à champ fermé permettent des contrôles et des procédures d'étalonnage automatisés en utilisant des normes connues.
• Comme la mesure du gaz se produit dans une cellule d’échantillon fermée, les conditions météorologiques défavorables n’affectent généralement pas les performances de l’instrument.

Les systèmes à champ fermé ont les désavantages suivants : 

• Ces systèmes ont des besoins en énergie plus élevés en raison de la pompe d'échantillonnage.
• Lorsque les lignes d'échantillonnage sont contaminées, il existe une réponse en fréquence dégradée.
• Des corrections de temps de latence sont nécessaires.

Les systèmes open-path ou à champ ouvert

Les avantages des systèmes à champ ouvert : 

• Ces systèmes n'incluent pas de lignes d'échantillonnage, de sorte qu'ils ont généralement une réponse en fréquence plus élevée.
• Les systèmes à champ ouvert ne nécessitent pas de tuyau ou de pompe, ce qui peut simplifier l'installation de l'instrument.
• Ces systèmes n'utilisent pas de pompe, donc l'alimentation requise est moindre.

Les désavantages des systèmes à champ ouvert :

• Comme ils sont exposés à l'atmosphère, les intempéries peuvent entraîner une augmentation des lacunes dans les données.
• Les systèmes à champ ouvert ne disposent généralement pas de mesures de température et de pression dans le trajet de mesure. Par conséquent, ils nécessitent des corrections pour les effets de densité sur le flux de carbone.

La colocalisation des mesures

Les instruments de mesure utilisés dans les systèmes de flux de carbone peuvent ou non comporter des capteurs intégrés pour effectuer des mesures colocalisées.

Une conception véritablement colocalisée évite la perte de flux due à la séparation spatiale, qui devient d'autant plus importante que l'instrument se trouve plus près de la surface. De plus, une conception colocalisée fournit une température sonique dans le parcours de la mesure du gaz, permettant de calculer un flux de carbone sur la base d'un rapport de mélange point par point.

Un instrument avec une séparation fixe entre l'anémomètre sonique et l'analyseur de gaz élimine tout effet de distorsion dû à l'écoulement du vent causé par le boîtier de l'analyseur à de grands angles d'attaque. Un instrument avec ce type de séparation spatiale nécessite cependant un facteur de correction pour tenir compte de la perte de flux, ainsi qu'une correction de densité sur les flux de carbone car il n'y a plus de mesure de température sonique dans le trajet de mesure du gaz.

Comment sélectionnez-vous le système de flux de carbone adapté à votre application ?

La sélection d'un système de flux de carbone est une décision importante qui nécessite un examen attentif. Pour obtenir de l'aide sur le processus de sélection, consultez la section consacrée aux considérations d'achat détaillées.