Advanced

Methane flux measurements with low-cost solid state sensors in Kobbefjord, West Greenland

Axén, Hanna LU (2016) In Student thesis series INES NGEM01 20161
Dept of Physical Geography and Ecosystem Science
Abstract
Methane is one of the most important greenhouse gases, and the Arctic region plays an important role in its dynamics. Due to limited observations in this remote and often harsh environments, large uncertainties surround the role of the Arctic region in a warming climate.

In this thesis, I examine the performance of the three low-cost solid state sensors, Figaro sensors TGS2600-B00, TGS2611-C00 and TGS2611-E00. These sensors could present a significant contribution in developing and expanding methane monitoring networks in the Arctic region, and furthermore improve the understanding of underlying processes controlling methane emissions. The sensors were added to the existing automatic chamber setup in Kobbefjord, close to Nuuk, West... (More)
Methane is one of the most important greenhouse gases, and the Arctic region plays an important role in its dynamics. Due to limited observations in this remote and often harsh environments, large uncertainties surround the role of the Arctic region in a warming climate.

In this thesis, I examine the performance of the three low-cost solid state sensors, Figaro sensors TGS2600-B00, TGS2611-C00 and TGS2611-E00. These sensors could present a significant contribution in developing and expanding methane monitoring networks in the Arctic region, and furthermore improve the understanding of underlying processes controlling methane emissions. The sensors were added to the existing automatic chamber setup in Kobbefjord, close to Nuuk, West Greenland. Methane fluxes were calculated based on the change in methane concentration when chambers were closed. A reliable fast methane analyzer (RMT-200, Los Gatos Research Inc., USA) served as a proxy for methane fluxes, and the sensors’ data was compared to this.

The resolution from the three sensors was limited by an analog-to-digital converter, which is expected to contribute to the larger spread in the sensors’ data compared to the LGR. Occasional changes of relative humidity inside the chambers, resulted in overestimated fluxes. The experimental setup caused low relative humidity inside the syringe containing the senors. Low relative humidity is known to be problematic, which could be why no clear relationships between the sensors’ signal and relative humidity and temperature were found. By filtering data with a relative humidity change ≥27%, most of the overestimated fluxes are most likely removed. The sensors were able to capture the seasonal trend in the methane fluxes, and the magnitude of the seasonal mean fluxes from different chambers. The results could not be statistically supported due to seasonal trends in the data and the lack of replicas.

The sensors differ in sensitivity to other deoxidizing gases. At this site, no indications of such gases were found, but this could be a problem at other sites, meaning that one of the more methane specific sensors may be suitable. Although, the TGS2600-B00 sensor showed better results in this study, further tests are required to determine which of the sensors is the best.

In conclusion, the results indicate that, these sensors with further refinements may well be used for expanding monitoring networks of methane fluxes in the Arctic. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Vad spelar Arktis för roll i klimatförändringarna? Denna avlägsna, och glest befolkade, del av världen utgör faktiskt en viktig del av klimatsystemet. Arktis spelar en betydande roll i kolets kretslopp; vilket innefattar såväl koldioxid och metan, två av de viktigaste växthusgaserna. Förändringar i koncentrationer av växthusgaser påverkar hur mycket värme som hålls kvar i jordens atmosfär. Våtmarker, grunda sjöar och mättade sediment i regionen står för avsevärda metanutsläpp, men osäkerheten kring dess magnitud och bakomliggande processer är stora. En osäkerhet som blir än större då man vill inkludera påverkan av ett varmare klimat. Fler mätningar kan förbättra förståelsen för underliggande processer och därmed även hur metanutsläppen kan... (More)
Vad spelar Arktis för roll i klimatförändringarna? Denna avlägsna, och glest befolkade, del av världen utgör faktiskt en viktig del av klimatsystemet. Arktis spelar en betydande roll i kolets kretslopp; vilket innefattar såväl koldioxid och metan, två av de viktigaste växthusgaserna. Förändringar i koncentrationer av växthusgaser påverkar hur mycket värme som hålls kvar i jordens atmosfär. Våtmarker, grunda sjöar och mättade sediment i regionen står för avsevärda metanutsläpp, men osäkerheten kring dess magnitud och bakomliggande processer är stora. En osäkerhet som blir än större då man vill inkludera påverkan av ett varmare klimat. Fler mätningar kan förbättra förståelsen för underliggande processer och därmed även hur metanutsläppen kan påverkas i framtiden.

För mätningar av metanutsläpp används vanligtvis instruments som är dyra och relativt stora. Jag har därför testat tre sensorer, vilka är betydligt billigare och mindre. Dessa sensorer skulle därmed kunna bidra till att utöka antalet mätstationer i Arktis. Målet var att undersöka om de kunde uppmäta skillnader i metanutsläpp under säsongen. Utöver detta var fokus på att förstå under vilka förhållanden sensorerna producerade pålitliga resultat.

Dessa sensorer installerades som en del i den befintliga mätstationen vid en våtmark i Kobbefjord, västra Grönland. Sensorerna och ett tidigare använt, tillförlitligt instrument (LGR) mätte sedan metanutsläpp under fältsäsongen 2015, juli till oktober. Resultaten från sensorerna kunde därmed valideras mot LGR-resultaten.


Sensorer för framtida observationsnätverk i Arktis

Resultaten var positiva; sensorerna fångade variationen över säsongen, om än med lägre precision än LGR. Förändringar i luftfuktighet gjorde att förhöjda värden emellanåt uppmättes. Dessa kunde dock identifieras och filtreras bort. För framtiden bör korrigering för sådana förändringar kunna göras, så att data inte behöver filtreras bort. Sensorerna kunde också urskilja skillnaden i metanutsläpp från olika delar av våtmarken, ett lovande resultat även om det ska tolkas med försiktighet och kräver ytterligare understödjande försök.

Med ytterligare forskning och vidareutveckling av mät-uppsättningen kan sensorernas resultat förbättras ytterligare. Detta skulle även kunna möjliggöra användning vid olika platser och varierande förhållanden. Jag anser att dessa sensorer därmed kan vara lämpliga för att utveckla ett bredare observationsnätverk över Arktis, vilket kan utgöra ett viktigt framsteg för att utöka förståelsen för framtida förändringar i Arktis. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Axén, Hanna LU
supervisor
organization
alternative title
Mätningar av metanutsläpp med halvledarsensorer i Kobbefjord, Väst-Grönland
course
NGEM01 20161
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Geography, Physical Geography, Arctic, Greenland, methane flux, wetlands, instrument
publication/series
Student thesis series INES
report number
390
language
English
id
8883758
date added to LUP
2016-06-22 16:31:20
date last changed
2017-01-01 04:09:00
@misc{8883758,
  abstract     = {Methane is one of the most important greenhouse gases, and the Arctic region plays an important role in its dynamics. Due to limited observations in this remote and often harsh environments, large uncertainties surround the role of the Arctic region in a warming climate.

In this thesis, I examine the performance of the three low-cost solid state sensors, Figaro sensors TGS2600-B00, TGS2611-C00 and TGS2611-E00. These sensors could present a significant contribution in developing and expanding methane monitoring networks in the Arctic region, and furthermore improve the understanding of underlying processes controlling methane emissions. The sensors were added to the existing automatic chamber setup in Kobbefjord, close to Nuuk, West Greenland. Methane fluxes were calculated based on the change in methane concentration when chambers were closed. A reliable fast methane analyzer (RMT-200, Los Gatos Research Inc., USA) served as a proxy for methane fluxes, and the sensors’ data was compared to this.

The resolution from the three sensors was limited by an analog-to-digital converter, which is expected to contribute to the larger spread in the sensors’ data compared to the LGR. Occasional changes of relative humidity inside the chambers, resulted in overestimated fluxes. The experimental setup caused low relative humidity inside the syringe containing the senors. Low relative humidity is known to be problematic, which could be why no clear relationships between the sensors’ signal and relative humidity and temperature were found. By filtering data with a relative humidity change ≥27%, most of the overestimated fluxes are most likely removed. The sensors were able to capture the seasonal trend in the methane fluxes, and the magnitude of the seasonal mean fluxes from different chambers. The results could not be statistically supported due to seasonal trends in the data and the lack of replicas.

The sensors differ in sensitivity to other deoxidizing gases. At this site, no indications of such gases were found, but this could be a problem at other sites, meaning that one of the more methane specific sensors may be suitable. Although, the TGS2600-B00 sensor showed better results in this study, further tests are required to determine which of the sensors is the best.

In conclusion, the results indicate that, these sensors with further refinements may well be used for expanding monitoring networks of methane fluxes in the Arctic.},
  author       = {Axén, Hanna},
  keyword      = {Geography,Physical Geography,Arctic,Greenland,methane flux,wetlands,instrument},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  series       = {Student thesis series INES},
  title        = {Methane flux measurements with low-cost solid state sensors in Kobbefjord, West Greenland},
  year         = {2016},
}