基于环氧乙烷的超发射器检测

甲烷（CH4）是天然气的主要成分，也是强温室气体（GHG）。在过去的20年里，它在使气候变暖方面的效力是二氧化碳的80倍。当温室气体进入大气层时，它充当了与地球绝缘的地幔。它吸收能量，从而减缓热量离开地球的速度。这个过程被称为温室效应，并以非常重要的方式塑造了我们星球的气候。

地球表面温度约为14°C。 如果不是温室效应，地球表面的平均温度将接近-20°C，地球将一直覆盖到赤道。然而，随着过去几个世纪温室气体排放量的增加，温室效应稳步增加，导致地球以许多人认为惊人的速度变暖。

超级排放者是指通常在化石燃料、废物或农业部门产生的甲烷总排放量不成比例的场地或设施。根据德克萨斯州天然气生产的研究，1%的天然气生产基地占总排放量的44%。根据这项研究，研究人员发现，排放来自天然气开发和生产过程中的意外故障，这意味着超级排放地点具有异常行为。

由于有害气体的输出差异如此之大，控制是防止排放和控制排放的关键。这是因为特定站点可能会受到异常条件的影响，导致它们在不同时间成为超级发射器。因此，与其试图控制几个地点的排放，不如尽量减少排放需要一种监测方法，以便对超级排放者何时何地的不可预测性做出有效和及时的反应。

“控制甲烷排放是限制全球变暖的关键，”美国宇航局局长比尔尼尔森说。

如何使用EO检测超级发射器

在26年于格拉斯哥举行的COP2021会议上，全球甲烷评估（CCAC/UNEP）报告发布后，100多个国家签署了《全球甲烷承诺》。签署国承诺到30年将甲烷排放量比2030年减少2020%。实施《全球甲烷承诺》可以在0年之前将预计的全球变暖减少28.2050°C。此外，正如《全球甲烷评估》所指出的，进一步减少排放量也是现实的：十年内减少45%。

这就提出了如何最好地控制排放以实现目标的问题。目前，甲烷排放的验证可以使用卫星进行，这具有快速和全球获取信息的优势。已经有几颗卫星和卫星网络在地球轨道上提供准确的排放数据。卫星的传感器参数不同，包括分辨率、空间和光谱、记录的电磁波长范围、飞行速度等。甲烷浓度不是直接测量的，而是通过分析和解释不同光谱范围内的光强度获得的。使用短波红外光谱内的波段的传感器可以检测甲烷。甲烷以称为光谱指纹的独特方式吸收红外光。

立方体（左）显示了土库曼斯坦上空的甲烷羽流。彩虹的颜色是来自正面图像中相应位置的光谱指纹。图中的蓝线（右）显示了检测到的排放甲烷指纹;红线是基于大气模拟的预期指纹。学分：NASA/JPL-加州理工学院

美国宇航局的新地球太空任务

最初，美国宇航局的地球表面矿物尘埃源调查（EMIT）任务仅用于绘制地球尘埃沙漠中关键矿物的分布图。然而，EMIT已经证明它也可以检测甲烷的存在。在EMIT自50月在国际空间站安装以来收集的数据中，科学小组已经在中亚，中东和美国西南部确定了<>多个“超级发射器”。新测量的甲烷热点 – 一些以前已知，另一些最近发现 – 包括广泛的石油和天然气设施以及大型垃圾填埋场。“这一令人兴奋的新发展不仅将帮助科学家更好地确定甲烷泄漏的来源，而且还将提供有关如何补救的见解，”美国宇航局局长比尔尼尔森说。“国际空间站和美国宇航局在太空中的二十多颗卫星和仪器长期以来在确定地球上的气候变化方面一直非常宝贵。事实证明，EMIT是我们工具箱中测量这种强效温室气体的关键工具，并从源头上阻止它。

EMIT每90分钟从大约400公里高的空间站上绕地球运行一次，能够扫描直径数十公里的地球大片区域，同时专注于足球场等小区域。“检测到的一些羽流是有史以来最大的羽流之一 – 与从太空观察到的任何东西不同，”喷气推进实验室（JPL）研究技术专家安德鲁索普说。一个例子是土库曼斯坦石油和天然气基础设施的12个羽流集群，其中一些羽流延伸超过32公里。科学家估计，土库曼斯坦的羽流以每小时50，400公斤的速度喷射甲烷，与2015年洛杉矶附近Aliso Canyon气田爆炸的峰值流量相媲美，这是美国历史上最大的意外甲烷释放之一。

土库曼斯坦 – 12 股甲烷通量。这些羽流是由美国宇航局的地球表面矿物尘源调查任务探测到的，其中一些羽流延伸超过32公里。资料来源：美国宇航局/喷气推进实验室加州理工学院

“随着我们继续探索地球，EMIT将研究以前没有人想到寻找温室气体排放者的地方，并找到没有人期望的羽流，”EMIT的首席研究员Robert Green说。

支持甲烷检测的组织和初创企业

有几个组织和初创公司专注于检测有害温室气体（包括甲烷）的排放。重要的是，他们都为此目的使用他们的专用卫星。这里值得强调的是：

GHGSat – 来自一家私营公司的卫星，提供截至 2016 年的石油、天然气、煤炭开采、废物管理以及金融和公共机构部门的数据。

MethaneSAT – 由美国非政府组织环境保护基金和新西兰航天局资助的卫星。

Carbon Mapper – NASA喷气推进实验室的一个公私项目。

GeoCarb – 地球静止卫星，美国宇航局和俄克拉荷马大学等联合计划，计划于 2023 年发射。

哥白尼哨兵-5先行者 – 欧洲航天局和欧盟委员会的卫星。

为了获得有关排放点位置的精确信息，每家公司都使用自己的方法，并结合可用的技术。例如，SRON和GHGSat研究团队自2019年初以来一直在努力检测甲烷热点。SRON团队使用哥白尼哨兵-5P卫星的数据来检测全球范围内的排放。然后，GHGSat团队使用来自GHGSat卫星的数据来量化和归因于世界各地特定地点的排放。他们的工作导致在2020年发现了几个新的热点，例如中国的一个煤矿上方。该团队还在美国最大的产油区二叠纪盆地发现了甲烷排放。

另一种方法是使用人工智能算法组合来自两个任务的数据：哥白尼哨兵-5P和哨兵-2。因此，Kayrros 专家在 13-2019 年沿亚马尔-欧洲管道检测到 2020 起甲烷排放事件，该管道贯穿俄罗斯、白俄罗斯、波兰和德国，距离为 4196 公里。他们还估计，一次泄漏每小时倾倒多达93吨甲烷。
这两项发现都证实了持续排放控制的必要性。能源行业未被发现的甲烷泄漏是一个全球性问题，也是一个严重的问题。任何有兴趣进行自己的分析的人都可以获得许多有用的数据。像UP42这样的公司也通过分发对环境重要的数据来帮助提高环保意识 – 任何人都可以使用。

结论

当人们听到全球变暖时，到目前为止，最普遍的材料是关于对抗二氧化碳。但是，减少甲烷排放也非常重要，因为甲烷在短期内比CO2具有更强的变暖效应，减少甲烷排放将对气候产生更直接的影响。自工业化以来，甲烷约占全球气温上升的30%，去年排放量连续第二年升至创纪录水平。此外，相对于平均排放设施或设备，超级排放者可以将排放量增加多达数十倍。因此，这对环境和我们人类来说都是一个巨大的问题。阻止这一过程的唯一方法是限制排放。但这里的关键是对大型发射器的控制和准确检测。卫星技术多年来一直活跃在这一领域，并在行业中不断发展，在这里是无价的。只有通过使用EO，我们才能如此快速和几乎实时地控制世界各地发生的变化。