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新一代甲烷卫星“爱丽丝”拟于近日发射:监测全球18%的温室气体贡献来源

2020-6-29 13:44 来源: GDCCUSC

加拿大温室气体监测公司GHGSat的第二颗温室气体监测卫星“Iris”(爱丽丝)拟由Vega火箭于美洲时间28日晚发射升空(图1)(EDT: 9:51pm, 28/06/ 2020),该卫星将用于甲烷泄露的监控[1],实现在任何选定的设施周围的12公里乘12公里的视野内检测甲烷的排放量和丰度。由于当地天气原因具体时间有可能会调整,但火箭发射的准备工作已经全部就绪。

图1 “Iris”甲烷监测卫星(重量16kg,体积20cm x 30cm x 40cm,来源:GHGSat)

“Iris”是GHGSat公司发射的第二颗温室气体监测卫星,早在2016年6月,第一颗温室气体监测卫星“Claire”就已成功发射。“Claire”是通过气体吸收特定波长的光,为每种气体创造出“光谱指纹”,利用阳光找到这些“指纹”,并测量这些其亮度,以确定在卫星的视野中有多少该气体存在[2]。“Claire”实现了针对目标设施的二氧化碳和甲烷排放量的监测,并每隔两周对有关设施再进行检查。而此次发射的“Iris”卫星主要针对甲烷泄露,在“Claire”的基础上提高了分辨率,达到了“Claire”十倍以上的性能,使得“Iris”可以发现更小的甲烷泄露,并更准确地追踪其来源。

目前已有研究表明,甲烷对全球变暖的贡献率约占18[LX1] %[3]。尽管甲烷的生命周期短于二氧化碳,但由于其吸收热量的效率大于二氧化碳,其在短期内气候的破坏可能更大[4]。在甲烷释放后的最初20年里,其温室效应是二氧化碳的84倍[5]。根据全球甲烷倡议组织(Global Methane Initiative,GMI)的预测,在未来10年里,全球人为甲烷的总排放量将增加9个百分点,其中最主要的排放源是油气行业,其次是城市垃圾和煤矿瓦斯[6](图2)。

图2 全球人为甲烷排放(1990-2030)(来源:GMI)

在了解全球甲烷排放水平方面,最新和最有希望的进展之一就是卫星的使用。卫星优势在于,它们可以帮助人们迅速定位大型污染源[7]。一旦发现泄漏事故或者甲烷含量异常的区域,通常可以相对迅速地识别并传达数据信息给相关部门。同时,卫星还可以帮助我们监测甲烷浓度变化的数据,并估计引起这种变化的排放源的排放速率及潜在成因。

虽然用天然气取代煤炭对城市空气质量有明显益处,但如果不对供应链上的甲烷泄漏加以控制,对温室气体减排的益处就不太明显[8]。甲烷处理方面,由于甲烷在大气的浓度往往比二氧化碳气体低,只有二氧化碳的两百分之一,甲烷捕集的难度比二氧化碳要大。最佳的方式是在项目工艺流程进行控制和捕集,如垃圾填埋厂的甲烷捕集和煤层气回收已经有商业可行的技术和模式[9]。由于甲烷的温室气体势能值远高于二氧化碳,按照每吨二氧化碳25美元的价格估算,每吨甲烷从一百年维度评估的减排价值超过500美元[10]。

GHGSat公司并不是唯一一个开展卫星监测甲烷排放的机构。2015年,美国加利福尼亚州天燃气公司AlisoCanyon发生天然气泄漏事件,该次泄露事故共喷出近10万吨甲烷(约等于一台60万千瓦燃煤电厂的年碳排放当量),美国宇航局(NASA)通过地球观测卫星-1号(EO-1)上的Hyperion成像光谱仪首次利用从低空轨道观测到该地区的甲烷泄露情况[11]。

在2018年,俄亥俄州贝尔蒙特县的一口油气井发生爆炸,导致天然气(主要是甲烷)在接下来的20天里大量逸散,美国环保协会(EDF)的专家获取了欧洲航天局发射的TROPOMI卫星仪器的监测数据,数据显示,受损油井的甲烷逸散速率为每小时120吨。假设该油井泄露周期长20天,每天的泄露速率一致,那么此次事件产生的甲烷总排放量总计约为6万吨,相当于俄亥俄州每年油气行业甲烷排放总量的四分之一[12]。

2019年,全球领先的数据分析公司Kayrros使用欧洲空间局哥白尼计划Sentinel-5P卫星的数据并结合机器学习方法,建立了一个探测和量化模型,追踪甲烷排放的源头,并对世界各地的能源和自然资源进行重点监测[13](图3)。

图3 Kayrros检测到的异常甲烷浓度样本,2019年。圆圈的大小和颜色表示探测到的羽流的大小和强度。颜色越红,甲烷的浓度就越高。
(来源:Kayrros)

卫星监测技术的发展拓宽了人们对甲烷泄露及排放的认知。之前人们对于温室气体排放的估计主要依靠纸质计算,该计算基于人和企业消耗的能源量,是从排气管和烟囱中的排放得出的。但是随着卫星技术的进步,研究人员开始对数据进行压力测试的早期结果及部分卫星监测结果均表明,油气行业基础设施的泄漏比以前想象的要多得多。如2018年GHGSat通过卫星,在土库曼斯坦Korpezhe油田附近的管道和压缩机基础设施中发现了另一处重大泄漏[14];2019年,Kayrros发现了北非撒哈拉沙漠中石油和天然气设施的泄漏[15]。

卫星监测技术的发展将为温室气体减排提供极大的帮助,这也引起了越来越多研究机构的重视。美国环保协会分支机构MethaneSAT计划于2022年发射同名卫星MethaneSAT[16]。MethaneSAT搭载的高灵敏度的光谱仪将能够检测出浓度低至2ppb的甲烷,而其高空间分辨率和200公里宽的视野范围,将使MethaneSAT能够在大尺度内量化很小的排放源,该项目同时得到了新西兰政府2600万纽币(约1700万美元)的支持,这是新西兰政府有史以来对航天项目进行过的最大投资[17]。

卫星监测所查明的一些甲烷泄露,也促使一些大型石油和天然气公司更重视甲烷泄漏问题,例如英国石油公司和荷兰皇家壳牌公司,希望通过与卫星公司签署监测合作协议来解决甲烷泄露问题,以便他们能够发现并堵住泄漏点,并坚持削减排放的承诺[18],但仍有部分公司对检测到甲烷泄露问题不予回应。在温室气体减排重要性日益增强的未来,卫星监测技术的发展和推广,能够提高各个行业对人为甲烷排放的控制力度,降低全球甲烷排放的排放水平。

在2020中国甲烷论坛上,生态环境部应对气侯变化司司长李高表示,甲烷在我国也是仅次于二氧化碳的第二大温室气体,能源行业是最重要的人为甲烷排放源,根据我国的温室气体清单,2014年我国人为源甲烷排放约5500万吨,其中能源活动的排放约2500万吨,主要来自于煤炭开采、洗选加工运输和废弃矿井以及油气系统的逃逸[19]。因此,在未来应对气候变化工作中,应加强甲烷监测和控制。

[1] GHGSat. 2016. GHGSAT-C1 – IRIS. https://www.ghgsat.com/our-platforms/iris/
[2] GHGSat. 2020. GHGSAT-D – Claire.https://www.ghgsat.com/our-platforms/claire/
[3] IPCC. 2018. Changes in Atmospheric Constituents and in RadiativeForcing. https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/ar4-wg1-chapter2-1.pdf
[4]美国环保协会. 2020. 卫星让“隐形气候威胁”现身,下一步是什么?https://mp.weixin.qq.com/s/Vi42MTptfw2f__3XhfEcAA
[5] University of Oxford. 2017. Methane Emissions: from blind spot tospotlight.
[6] GMI. 2020. Global Methane Emissions and Mitigation Opportunities.
[7] Sentinel-5P卫星与全球甲烷追踪器. https://mp.weixin.qq.com/s/XGJIcZJ6Vcd4ShKSGHA7uQ
[8]甲烷减排项目会不会是碳汇项目之后的又一个方向?www.tanpaifang.com/tanguwen/2020/0115/67724.html
[9]R.B.Jackson,E.I.Solomon, et al. 2019. Methane removal and atmospheric restoration. NatureSustainability. 2019(2) : 436–438
[10]DavidL. Chandler. 2017. Capturing Wasted Methane. MIT Technology Review. https://www.technologyreview.com/2017/12/19/146941/capturing-wasted-methane/
[11] Science. NASA EO-1卫星首次从太空观测到甲烷泄露.https://mp.weixin.qq.com/s/a3A7uIysndyFOHERPn3vdw
[12] Tropomi. 2019. Methane Emissionshttp://www.tropomi.eu/data-products/methane
[13]卫星揭示新的天然气行业重大甲烷泄漏. https://www.sohu.com/na/404163699_120573662
[14]甲烷猎手. 2020. https://www.chainnews.com/articles/602466379201.htm
[15]卫星揭示新的天然气行业重大甲烷泄漏. https://www.sohu.com/a/404163699_120573662
[16] MethaneSAT. https://space.skyrocket.de/doc_sdat/methanesat.htm
[17] New Zealand finally has a space programme. 2019.https://www.stuff.co.nz/science/117422950/nz-finally-has-a-space-programme
[18]全球关注甲烷减排. 2019. https://www.sohu.com/a/302634360_825950?sec=wd
[19]澎湃新闻. 2020. 推进甲烷减排将为我国长期低碳排放战略提供巨大贡献. https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_5517181

封面图片来源:GHGSAT,从BBC新闻截取

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