رصد تركيز عمود غاز الميثان من مصادر محددة عن طريق الاستشعار عن بعد في مناطق تعدين الفحم النموذجية في مقاطعة آنهوي

الميثان غاز مشعّ ونشط كيميائياً في الغلاف الجوي، يؤثر على توازن الإشعاع الأرضي والعمليات الكيميائية في الغلاف الجوي. وباعتباره ثاني أكبر غاز دفيئة، فإن متوسط ​​تركيزه السنوي يزيد عن 2.5 ضعف ما كان عليه قبل الثورة الصناعية. تبلغ قدرة الميثان على إحداث الاحتباس الحراري حوالي 84 ضعف قدرة ثاني أكسيد الكربون على مدى 20 عاماً، ونحو 30 ضعفاً على مدى 100 عام. يبلغ عمر الميثان في الغلاف الجوي حوالي 12 عاماً فقط، وهو أقصر بكثير من عمر ثاني أكسيد الكربون (الذي يستمر لمئات السنين). لذا، فإن التحكم في انبعاثات الميثان له تأثير أسرع في التخفيف من الاحتباس الحراري، وهو أمر بالغ الأهمية لتحقيق الحياد الكربوني.

تعتمد آلية عمل أقمار مراقبة غاز الميثان على تقدير انبعاثاته من خلال رصد امتصاصه الطيفي عند أطوال موجية مختلفة باستخدام أجهزة رصد غازات الاحتباس الحراري. وتُعدّ عملية الانعكاس طريقةً تنازلية تجمع بين البيانات الرصدية ونماذج النقل الجوي لتحسين تقدير الانبعاثات (كاي شياولي، 2025). وتشمل طرق انعكاس غاز الميثان بشكل رئيسي خوارزميات نماذج النقل الكيميائي الجوي، والخوارزميات الفيزيائية، وطرق النطاقات والقنوات المتعددة، وخوارزميات التعلم العميق.

تتناول هذه الورقة البحثية 19 منطقة نموذجية لتعدين الفحم في مقاطعة آنهوي كموضوع للدراسة. وبالاستناد إلى بيانات الاستشعار عن بعد الطيفية الفائقة من القمر الصناعي غاوفين-5 أو2 (GF5B)، تُستخدم خوارزمية الترشيح المطابق لإجراء رصد عن بعد لتركيز عمود غاز الميثان في مناطق تعدين الفحم النموذجية، بهدف توفير دعم البيانات والأساس العلمي للإشراف الديناميكي على مصادر انبعاث غاز الميثان الإقليمية.

خلال العصر الكربوني-البرمي، شهدت صفيحة شمال الصين تطورًا تكتونيًا، مما أدى إلى تكوين طبقات متعددة حاملة للفحم ونشوء قواعد فحم ضخمة مثل حوض نهر هواي وغرب شاندونغ. يضم حوض نهر هواي، الذي يمتد عبر خمس مدن في شمال آنهوي، احتياطيات فحم تبلغ 33.817 مليار طن، ويُعد قاعدة طاقة مهمة في شرق الصين. جيولوجيًا، يقع الحوض في كتلة شوهواي على الحافة الجنوبية الشرقية لصفيحة شمال الصين، وينقسم إلى حوض نهر هواي وحقل فحم جنوب نهر هواي بفعل مرتفع بنغبو.

الشكل 1. المخطط التكتوني لصفيحة شمال الصين، والموقع التكتوني لحقل فحم ليانغهواي، وتوزيع مناجم الفحم المهجورة (جيانغ جيانمينغ، 2024).

الشكل 2. صورة الاستشعار عن بعد لمنطقة الدراسة وخريطة توزيع الرواسب المعدنية.

الترشيح المطابق هو أسلوب يعتمد على البيانات، حيث يمكن وصف المعلومات الطيفية بأنها اضطراب طيفي متراكب على الطيف المتوسط، ناتج عن تغيرات في تركيز عمود الميثان. تعمل هذه الخوارزمية على زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء إلى أقصى حد، وتُستخدم عادةً في عكس بيانات الاستشعار عن بُعد لمصادر الميثان النقطية. استنادًا إلى نظرية بير-لامبرت، يتم تبسيطها خطيًا باستخدام متسلسلة تايلور من الدرجة الأولى.

حيث يمثل k معامل امتصاص الميثان، الذي يصف قدرة الميثان الجوي على امتصاص الإشعاع عند طول موجي محدد. أي أنه مجموع مقاطع امتصاص جزيئات الميثان في الاتجاه الرأسي، والذي يتحدد بكل من طول مسار الامتصاص ومقطع امتصاص الميثان._اليمكن استخدام متوسط ​​شدة الإشعاع μ الذي يستقبله القمر الصناعي كتقريب، أي الطيف المرجعي. الطيف المستهدف t(I)_التمثل هذه القيمة اضطراب شدة الإشعاع الخلفي الناتج عن زيادة تركيز الميثان في العمود. ويمكن الحصول على المعامل k من خلال نموذج انتقال الإشعاع.

بافتراض أن التغير الطيفي ناتج فقط عن التغير في تركيز الميثان وأن خصائص امتصاص الميثان لا تتغير، يمكن الحصول على تحسين تركيز عمود الميثان عن طريق إجراء دالة الاحتمال اللوغاريتمي الغاوسي على المعادلة (3-1) وتحسين الصيغة المستهدفة، كما هو موضح في المعادلة (3-2):

في الصيغة، C هي مصفوفة التغاير الخلفية، بينما μ تعبر تقريبًا عن I._الصيغة حساب t(μ) هي t(μ) = μ·k

أُجريت عملية رصد عن بُعد لتركيز عمود غاز الميثان في 19 منطقة تعدين فحم نموذجية في مقاطعة آنهوي باستخدام بيانات AHSI من القمر الصناعي Gaofen-5 02 وتقنية الترشيح المطابق (MF). يوضح الشكل أدناه خريطة التوزيع المكاني لزيادة تركيز عمود غاز الميثان وخريطة التوزيع المكاني للدخان في بعض مناطق تعدين الفحم.

الشكل 3. التوزيع المكاني لزيادة تركيز عمود الميثان في منطقة تعدين فحم نموذجية.

الشكل 4. موقع منجم فحم دينغجي والتوزيع المكاني لعمود غاز الميثان

الشكل 5. موقع منجم فحم بانسان والتوزيع المكاني لعمود غاز الميثان

الشكل 6. موقع منجم فحم تشوجيدونغ والتوزيع المكاني لعمود الميثان

استخدمت هذه الدراسة بيانات الاستشعار عن بُعد الطيفية الفائقة من القمر الصناعي غاوفين-5 02 (GF5B) ووظفت خوارزمية ترشيح مُطابقة لإجراء رصد عن بُعد لتركيزات عمود الميثان في 19 منطقة تعدين فحم نموذجية في مقاطعة آنهوي. ومع ذلك، ونظرًا لوجود قصور في نظام التحقق من الدقة وتداخل الظروف الجوية المعقدة، فإن عملية عكس بيانات الاستشعار عن بُعد لتركيزات عمود الميثان من مصادر نقطية تُظهر شكوكًا كبيرة، مما يستدعي إجراء المزيد من البحوث المعمقة.

مراجع

[1] كاي شياولي، باو يونفي، هوانغ تشياولين. مراجعة لتقنية الكشف عن غاز الميثان في الغلاف الجوي وتقنية عكسه باستخدام الاستشعار عن بعد بالأقمار الصناعية [J]. العودة الفضائية والاستشعار عن بعد، 2025، 46(01):160-173.

[2] جيانغ جيانمينغ، هان فنغ، دينغ هاي، وآخرون. دراسة شاملة، وحالة التطوير والاستخدام، وآفاق الموارد المتبقية في مناجم الفحم المهجورة في حقل ليانغواي للفحم، مقاطعة آنهوي [J]. التعدين الصيني، 2024، 33(08):46-58.

[3] لي فاي، صن شيوي، تشانغ يونغوانغ، وآخرون. تحليل وعكس الاستشعار عن بعد لمصادر انبعاثات الميثان النموذجية في الصين والولايات المتحدة باستخدام جهاز التصوير الطيفي الفائق للقمر الصناعي غاوفين-5 أو2 [J]. مجلة الاستشعار عن بعد، 2024، 28(08): 1986-2001.

[4] تشين كاي، هي تشين، كانغ هانشو، وآخرون. التقدم البحثي وآفاق الاستشعار عن بعد عبر الأقمار الصناعية لانبعاثات الميثان في صناعة الفحم [J]. اكتا أوبتيكا سينيكا، 2023، 43(18):118-130.

[5] جيانغ يوهان. دراسة أداء الكشف عن مصادر انبعاثات الميثان النقطية بواسطة الاستشعار عن بعد بالأقمار الصناعية [رسالة دكتوراه]. الأكاديمية الصينية لعلوم الأرصاد الجوية، 2025.