[发明专利]一种同步采集大气CO2及水汽样品的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及大气学、水文学、生态学机械装置领域，具体涉及一种同步采集大气CO2及水汽样品的装置和方法。主要是用于同步采集大气中CO₂和水汽样品，用于分析大气CO₂和水汽浓度，并将同步采集的样品用谱仪测定CO₂中¹³C和水汽中²H或D。

背景技术

CO₂是组成大气的一种重要组成成份，目前大气中CO₂浓度达到了380μppm，是地球历史上65万年以来的最高值，而且过去10年中大气CO2浓度以每年1.8μmol.mol-1的速度增长。CO₂浓度可以作为衡量大气质量优劣的标准之一，虽然其组成在大气占比例较小，对于生物尤其是绿色植物和动物却意义重大，绿色植物需要利用大气中的CO₂、阳光和水合成营养物质，并释放氧气，为人类和其他动物呼吸大气来获取氧气，维持生命。除此以外，现在CO₂浓度被社会普遍关注是因为CO₂是温室气体之一，主要来源于化石燃料煤、石油燃烧、农业和畜牧业的中间过程、垃圾处理等人类活动。目前，在全球范围内开展了大量工作来监测大气中CO₂浓度的变化规律及其影响机制。由于CO₂的化学惰性较强，很难通过化学方法去除，陆地生态系统碳循环是一个活的动态生物过程，能够通过植物等的光合作用吸收CO₂并合成各种碳水化合物，在经过各种生理代谢过程后，一部分碳最后以有机物的形式贮存下来，从而可以降低大气中的CO₂浓度，通过自然生态系统吸收和固定大气CO₂是最为重要而且比较经济的途径之一。

稳定性碳同位素在自然界主要有两种类型，即¹²C和¹³C，其中绝大部分是¹²C98.9％，而¹³C仅占1.1％，一般用该同位素摩尔数相对于标准物质中的同位素摩尔数的相对比值来表示，即用δ符号表示同位素比值，单位为千分之一(‰)：

δ＝(R/R_s-1)×1000

对于CO₂中¹³C的含量可以用δ¹³C来表示，其中R_S为标准物质，碳稳定性同位素国际标准为美国南加州白垩纪的美洲拟箭石(Pee Dee Belemnite，简称PDB)其标准为PDB，其中PDB：¹³C/¹²C＝(11237.2±90)*10^-6。

氧稳定性同位素主要有¹⁶O和¹⁸O，氢稳定性同位素主要有¹H和²H即D地球上水中氧的¹⁸O约有0.2％，氢中²H或D有0.015％。目前国际上采用维也纳标准平均海水(Vienna Standard Mean Ocean Water，VSMOW)作为氧和氢稳定同位素的标准物，¹⁸O/¹⁶O＝0.0020052，D/H＝0.00015576。

D/H＝0.00015576。

植物在光合作用过程中，因同位素扩散效应和光合酶系统对同位素的分馏作用，结果导致了植物光合过程中所合成的碳水化合物中¹³C贫化，同时也使叶片周围大气CO₂的¹³C得到富集，并且最后导致了植物体内的δ¹³C值明显比大气CO₂的δ¹³C-8‰偏低。生态系统光合和呼吸作用对大气中CO₂浓度及其¹³C组成有截然相反的影响：光合作用使周围大气中的CO₂浓度下降，并使大气CO₂中的¹³C得到富集；而呼吸作用则相反，使大气CO₂浓度升高，并使¹³C贫化。利用生态系统碳交换过程中的稳定性同位素的变化特征以及对大气的特定影响，碳氧稳定性同位素技术在全球碳平衡的研究中有广泛的应用，可以解决过去常规方法无法解决的很多问题，已经成为研究生态系统碳交换机理的最为有效的技术手段之