Measurement of atmospheric carbon dioxide abundance on board unmanned aircraft challenges and applications

Kunz, Martin GND

In this dissertation the COmpact Carbon dioxide analyser for Airborne Platforms (COCAP) is presented. COCAP measures the abundance of carbon dioxide (CO2) in ambient air as well as air temperature, humidity and pressure, and is specifically designed for the use on board small unmanned aircraft systems (UASs). Accurate CO2 measurements are ensured by extensive calibration in an environmental chamber, by regular calibration in the field and by chemical drying of sampled air. In addition, the analyser is equipped with a custom-built, lightweight thermal stabilisation system that reduces the influence of ambient temperature changes on the CO2 sensor by two orders of magnitude. The robustness of COCAP under varying environmental conditions has been verified through a series of tests both in the lab and in the field. As a first application of the newly developed instrument, COCAP was used to constrain the nocturnal carbon dioxide emission of an ecosystem based on the nocturnal boundary layer (NBL) budget method. The NBL budgets were calculated from a series of CO2 profiles measured by COCAP on board a UAS during the course of two nights. The fluxes obtained in the pilot study are plausible and insensitive to experimental uncertainties. Given the versatility and moderate cost of UASs and their minimal infrastructure requirements, this innovative sampling technique makes the NBL budget method for the quantification of surface fluxes more accessible and cost-effective. This work demonstrates how the potential of UASs for measuring trace gases in theatmosphere can be exploited, thus opening up new possibilities for atmospheric research.

In dieser Dissertation wird ein kompakter Kohlendioxidanalysator für Flugsysteme (COmpact Carbon dioxide analyser for Airborne Platforms, COCAP) vorgestellt. COCAP misst den Gehalt an Kohlendioxid (CO2), die Temperatur, die Feuchte und den Druck der Umgebungsluft und ist speziell für den Einsatz auf kleinen unbemannten Luftfahrtsystemen ausgelegt. Genaue Kohlendioxidmessungen werden durch umfangreiche Kalibrierungen in einer Klimakammer, regelmäßige Kalibrierungen während des Feldeinsatzes und durch chemische Trocknung der Probenluft sichergestellt. Darüber hinaus enthält das Messsystem einen speziell entwickelten Temperaturregler mit geringer Masse, der den störenden Einfluss äußerer Temperaturänderungen auf den CO2-Sensor um zwei Größenordnungen verringert. COCAPs Robustheit gegenüber wechselnden Umgebungsbedingungen wurde in einer Reihe von Tests im Labor und im Feld nachgewiesen. COCAPs erster wissenschaftliche Einsatz diente der Abschätzung nächtlicher Kohlendioxidflüsse mithilfe von Budgets der nächtlichen Grenzschicht (nocturnal boundary layer, NBL). Diese NBL-Budgets wurden aus CO2-Profilen errechnet, welche COCAP während einer Reihe von Flügen mit einem unbemannten Luftfahrtsystem im Verlauf zweier Nächte aufzeichnete. Die in dieser Pilotstudie ermittelten Flüsse sind plausibel und robust gegenüber experimentellen Unsicherheiten. Angesichts der Vielseitigkeit und der moderaten Kosten unbemannter Luftfahrtsysteme sowie ihrer minimalen Ansprüche an die Infrastruktur im Feld eröffnet diese innovative Messstrategie eine vergleichsweise einfache und günstige Möglichkeit, Flüsse durch NBL-Budgets zu bestimmen. Diese Arbeit zeigt auf, wie das Potenzial unbemannter Luftfahrtsysteme für Spurengasmessungen genutzt werden kann, wodurch sich neue Perspektiven für die Atmosphärenforschung ergeben.

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Kunz, Martin: Measurement of atmospheric carbon dioxide abundance on board unmanned aircraft challenges and applications. Jena 2019.

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