大氣環境中CO2濃度的監測是目前確定CO2是否泄漏較為有效和快捷的手段之一，其主要目的是發現來自于儲存工程可能的泄漏，以及項目周邊環境有沒有受到負面影響。目前最常用的技術有紅外線氣體檢測技術、大氣CO2示蹤、陸地生態系統通量觀測三種。

1.光學CO2傳感器

絕大多數CO2濃度監測技術都是基于CO2近紅外（IR）吸收光譜特征設計的，并且都可以做到實時監測和在線數據傳輸。由于CO2在一些近紅外光譜段有著較強的吸收特性，同時其他氣體在相應的光譜范圍內的吸收特性較弱，從而使得一些近紅外波段成為探測和監測CO2的良好途徑。CO2對于近紅外4.25μm太陽輻射具有較強的吸收特征，因此該波段對于探測大氣中的CO2非常敏感（圖10-2）。大部分固定和移動式的商業化CO2監測設備都是利用這一近紅外通道設計和制造的。CO2另一個較強的近紅外吸收通道是2.7μm，但其吸收強度僅有4.25μm處的1/10。這個通道對于監測CO2也非常敏感，并且基本不受其他氣體的干擾。該通道被美國國家航空航天局（NASA）的火星探險號用于探測CO2濃度。2μm處也是一個比較有潛力的通道，但CO2在該通道的吸收率僅為在4.25μm處的1/250，這一弱吸收通道已經被用來探測燃燒環境中的CO2濃度。在4.41～4.45μm處，13CO2具有較強的吸收特性。由于13C的濃度要遠低于12C的濃度（大約為其的1/100），所以這一通道可以用來探測CO2濃度較高的環境，探測范圍可以達到0.27％。CO2在1.57μm處仍有一個吸收谷，在這一波段的吸收率很低，約為在2μm 處的1/100。但這一波段幾乎完全不受其他氣體的干擾，所以這一弱吸收波段不適宜短程CO2監測（例如燃燒室等），但卻在CO2濃度處于典型大氣濃度范圍時，是長程CO2濃度監測的理想波段（Shu1er et al.，2002）。

圖10-2 CO2紅外光譜曲線

CO2近紅外（IR）吸收光譜監測分兩種類型：非色散紅外氣體分析（NDIRs）和紅外二極管激光儀。非色散紅外氣體分析使用一個較寬的紅外波段，并且輻射光線通過一個裝有分析設備的密閉室，是一個封閉短程監測技術；紅外二極管激光儀既可以被用于封閉短程監測，也可以被用于開放長程監測，在開放長程監測情況下，分析采樣對象直接來自大氣。短程監測可以控制在2m以內，而長程監測可以達幾百米，其監測結果是長程路徑上的CO2濃度平均值。

2.大氣CO2示蹤

大氣中天然示蹤劑可用于監測CO2是否泄漏。天然示蹤劑是vocS 污染與地下、近地表或大氣CO2相關聯的一種化合物， 包括甲烷、氡、惰性氣體和CO2同位素等。但使用示蹤劑需要注意的是在空氣中與CO2不同的擴散速率。某些示蹤劑擴散速率比CO2要快，這會導致在空氣中示蹤劑形成的背景范圍超出實際CO2的羽流范圍。

我國目前使用的大氣示蹤劑品種較為單一，主要是六氟化硫（SF6），某些特殊場合使用氟鹵甲烷等。SF6示蹤劑具有以下優點：分析靈敏度高，氣相色譜電子捕獲檢測器（ECD）的探測下限為0.5×10-14（以體積分數計）；大氣本底較低，空氣中的平均濃度為8.5×10-13（以體積分數計）；對空氣呈惰性；取樣和測量簡便快速；造價和分析費用較低。盡管如此，SF6的大氣擴散示蹤距離仍不宜超過100km。

SF。、全氟化碳和稀有氣體等人工示蹤劑的檢測使用氣象色譜儀（圖10-3）。載氣自鋼瓶經減壓后輸出，通過凈化器、減壓閥、穩壓閥或穩流閥以及流量計后，以穩定的流量連續不斷地流過氣化室、色譜柱、檢測器，最后放空。被測物質隨載氣進入色譜柱，根據被測組分的不同分配性質，它們在柱內形成分離的譜帶，轉換成相應的輸出信號，并記錄成色譜圖。

圖10-3 氣象色譜儀示意圖

示蹤劑檢測在CO2地質儲存中具有潛在的應用優勢，關于其檢測技術方法需要進一步深入的研究探討。同時，質譜儀、氣相色譜儀等檢測裝置價格昂貴、無法空氣檢測適應野外長期監測。研制具有便攜快速或在線功能的檢測裝置是一個急迫和值得大力探索的課題。

3.陸地生態系統通量觀測

陸地生態系統通量觀測即渦度相關法（EC），該技術是在地面一定高度，以較高的頻率監測大氣CO2濃度和通量的技術，同時監測各類氣象變量，例如風速、 相對濕度、溫度等。渦度相關法的優勢主要包括：①自動監測；②不干擾周圍環境；③其結果代表了空間和時間上的平均值，因此其空間尺度要相對比其他地面CO2濃度監測設備更大。渦度相關法的不足之處在于，其假設條件是水平較為均一化的地表環境，而大多數自然條件都難以完全滿足。

渦度相關法已經成為CO2地質儲存重要監測手段之一，并被許多CO2地質儲存項目采用。將儀器安裝在地表之上一定高度，用來測量CO2氣體濃度，垂直風速度、相對濕度和溫度。根據這些實地測量的數據計算CO2濃度和瞬時垂直風速的協方差高于或低于兩者平均值。結合塔的高度，由此估算出多達數平方千米面積上產生的平均CO2通量。單位時間可以是幾天，一年甚至更長。近年來，渦度相關技術的進步使得長期的定位觀測成為可能，目前已成為直接測定大氣與群落CO2交換通量的主要方法，也是世界上CO2和水熱通量測定的標準方法，所觀測的數據已成為檢驗各種模型估算精度的權威資料。該方法已得到微氣象學和生態學家們的廣泛認可，成為目前通量觀測網絡FLUXNE T的主要技術手段。

以上三個監測技術方法的比較如表10-5所列。

表10-5 大氣監測技術概況表

CO2濃度監測儀和渦度相關法都只能監測較小范圍內的CO2濃度。當需要監測較大范圍（幾公里范圍）的大氣中CO2濃度變化情況時，就需要采用開放路徑監測設備，例如使用激光發射出電磁波（選擇CO2較為敏感的吸收波段），然后接收從地表反射回來的電磁波，由于發射和反射的電磁波受到了不同物質的吸收（例如大氣中的CO2），所以可以通過分析接收到的電磁波的衰減程度，在較大范圍內監測CO2濃度變化。激光雷達技術就是一種光探測技術，當前激光及差分吸收雷達技術已經被用于CO2濃度監測。

如果需要在更大范圍內監測CO2濃度，例如幾千平方千米或者更大，則就需要使用衛星遙感技術（激光也屬于遙感技術的一種）。盡管當前已經有利用衛星遙感探測大氣CO2濃度的技術和應用，例如日本的溫室氣體觀測衛星（GOSAT）、歐洲太空局ENVISAT衛星上搭載的SCIAMACHY等，但當前的CO2遙感監測精度相對CO2地質儲存的需求仍存在較大差異。但這類技術無疑是高效、高頻率、低成本CO2濃度監測的最佳選擇，隨著技術進步，遙感技術必將在CO2地質儲存環境監測中發揮越來越重要的作用。