Use of low-cost sensors for measuring gas exchanges in ecosystems
Author(s)
Mariotti, Adriana
Date Issued
November 30, 2021
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The global climate warming observed over the last 50 years is receiving serious attention from scientists, policymakers and citizens. Quantifying greenhouse gases (GHGs) emissions and uptakes is crucial to assess global policy to reduce climate warming. Among the GHGs, carbon dioxide (CO2) is a key contributor to the issue. Sequestration or release of atmospheric CO2 by terrestrial ecosystems can significantly influence the stabilization of atmospheric CO2 . To understand the carbon dynamics of a given ecosystem, it is important to estimate the size of the several carbon fluxes depending on it, i.e. the net carbon balance. The eddy covariance technique and the flux-chamber technique are two widespread methods for understanding the biological components of the net C balance, and in particular of the so-called net ecosystem exchange (NEE) of CO2 . The calculation of the ecosystem storage term is key to a correct estimation of the NEE in several circumstances, while flux-chambers method is used to characterize the soil respiration and its variability. Hence, increasing the accuracy of both the storage and the flux-chamber systems translates into an enhanced accuracy in the estimates of NEE and ecosystem respiration. Improving the quality of these measurements encounters some limitations though, especially in terms of costs of CO2 concentration sensors and auxiliary data (temperature, air humidity) probes.
However, low-cost sensors are currently available on the market that would make it possible to build storage and chamber systems at a reduced cost, thus allowing to increase the spatial representativeness by a higher number of systems deployed. Hence, the key question of this PhD research is: can a higher number of storage and flux-chamber systems made of low-cost sensors compensate for their expected lower accuracy?
For that aim two low-cost prototypes for measuring CO2 fluxes were developed and tested for exploring their potential use in flux-chambers and storage flux measurements. The first part of the PhD activities, described in Chapter 2, concerned the laboratory tests of a set of CO2, temperature and relative humidity low-cost sensors. The laboratory experiments followed a defined protocol designed to evaluate the sensor's performances in terms of intra model variability, linearity, accuracy, precision, short-term drift, long-term drift and sensitivity to temperature and relative humidity. Test results were analyzed to evaluate sensor potential use with flux-chambers and storage measurements. The second part of the PhD activities concerned the set up of the prototypes. Both were realized by selecting a subset of the tested sensors, according to the laboratory results, and tested in the field. The first prototype, a low cost system to measure storage fluxes, was tested at SMEAR II forestry station, located in Hyytiälä, Southern Finland. The aim of field tests was both to evaluate the low-cost prototype performances to measure the storage flux in comparison with the standard systems and to evaluate if this new approach could be a useful instrument to improve the storage horizontal spatial representativeness. Description of prototype, field measurements and results are presented in Chapter 3. The second prototype, a low cost system to measure CO2 soil fluxes, was only tested in one single application to explore the low-cost sensors suitability for soil fluxes measurement. Prototype and field tests are described in Chapter 4.
Il surriscaldamento climatico globale osservato negli ultimi 50 anni è oggetto di attento studio da parte dei ricercatori scientifici, dei policymeaker e dei cittadini. Quantificare l’emissione e il sequestro dei gas effetto serra (GHGs) è cruciale per attivare delle politiche globali di riduzione delle emissioni per ridurre il surriscaldamento globale. Tra i GHGs, la CO2 contribuisce in maniera rilevante al problema. Il sequestro e il rilascio di CO2 da parte degli ecosistemi terrestri può influenzare significativamente la stabilizzazione della CO2 atmosferica. Per capire le dinamiche del carbonio di un dato ecosistema è fondamentale stimare i flussi di carbonio, cioè il net carbon balance. La tecnica eddy covariance e la tecnica delle flux-chambers sono due metodi largamente utilizzati per stimare la componente biologica del net carbon balance, il cosiddetto net ecosystem exchange (NEE). In particolare, la misura del flusso di storage degli ecosistemi, soprattutto quelli forestali, è cruciale per una corretta stima del NEE, mentre il metodo delle camere di flusso è usato principalmente per caratterizzare la variabilità spaziale della respirazione del suolo. Una stima più accurata del NEE si può tradurre in un incremento delle misure del termine di storage e dei sistemi basati sulla tecnica delle flux-chambers. L’incremento di queste misure incontra però delle limitazioni, specialmente in termini di costi della strumentazione utilizzata, ossia sensori per la misura delle concentrazioni di CO2 e dei dati ausiliari (temperatura e umidità).
Attualmente sul mercato sono presenti dei sensori low-cost che potrebbero essere utilizzati per la realizzazione di sistemi per la misura del termine di storage e/o utilizzati con le tecnica delle flux-chambers. Questi sensori potrebbero essere utilizzati in un numero maggiore per le misure in campo, permettendo di incrementare la rappresentatività spaziale delle misure a costi ridotti. La key question di questo progetto di dottorato è quindi la seguente: è possibile compensare l’accuratezza dei sensori low-cost, inferiore ai tradizionali sistemi di misura, aumentando il numero di misure a livello spaziale?
Due prototipi per la misura dei flussi di CO2 sono stati realizzati per lo scopo e testati per il loro potenziale utilizzo con la tecnica delle flux-chambers e per la stima dei flussi di storage. La prima parte delle attività del progetto di dottorato, descritta nel Capitolo 2, riguarda il test di laboratorio di un set di sensori low-cost di CO2, temperatura e umidità. Gli esperimenti di laboratorio hanno seguito un protocollo definito per valutare le performance dei sensori in termini di: variabilità intra modello, linearità, accuratezza, precisione, short- e long-term drift, e sensibilità alle variazioni di temperatura e umidità. I risultati dei test sono stati utilizzati per valutare l’uso dei sensori con le misure delle flux-chamber e dello storage. La seconda parte delle attività del progetto di dottorato comprende la realizzazione dei due prototipi. Entrambi sono stati realizzati selezionando i sensori in accordo con i risultati dei test di laboratorio e successivamente testati in campo.
Il primo prototipo, un sistema low-cost per la misura dei flussi di storage è stato testato alla stazione forestale SMEAR II, situata a Hyytiälä, Finlandia. I test in campo sono serviti sia per valutare le performance del prototipo nella stima del flusso di storage, comparandolo ai tradizionali sistemi di misura, sia per valutare il suo potenziale utilizzo per incrementare le misure di variabilità spaziale del flusso stesso. Descrizione del prototipo, delle misure in campo e dei risultati sono presentate nel Capitolo 3. Il secondo prototipo, un sistema low-cost per la misura dei flussi di CO2 del suolo, è stato testato in una singola applicazione per esplorare l’utilizzo di questi sensori con le tecniche delle flux-chambers. Il prototipo e test in campo sono descritti nel Capitolo 4.
Additional information
Dottorato di ricerca in Scienze, tecnologie e biotecnologie per la sostenibilità
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