Estado actual y tendencias de la monitorización de metano desde el espacio.

Existen tres métodos principales para la detección atmosférica de CH4: terrestre, aéreo y satelital. La detección terrestre fue la primera en desarrollarse y actualmente conforma un sistema de observación representado por la Red de Observación de la Columna Total de Carbono (TCCON) y la Red Nacional de Detección de Perturbaciones y Cambios en la Composición Atmosférica (NDACC). La detección aérea también ha propiciado el desarrollo de diversos detectores, como el Espectrómetro de Absorción Infrarroja Láser Aerotransportado (ALIAS) y su segunda generación (ALIAS-II), el Espectrómetro de Imágenes Visible/Infrarrojo Aerotransportado (AVIRIS-Classic) y su próxima generación (AVIRIS-NG). Si bien las observaciones terrestres y aéreas ofrecen alta precisión, su cobertura espacial es limitada, lo que restringe su aplicación a observaciones localizadas. La observación satelital, al no verse afectada por numerosas condiciones naturales, permite observaciones continuas, estables y de alta precisión a nivel global, y proporciona verificación y apoyo para los inventarios de emisiones ascendentes mediante un enfoque descendente.

sensor satelital de monitoreo de metano

Los métodos para detectar CH4 atmosférico mediante tecnología de teledetección satelital se pueden dividir en teledetección pasiva y activa. La teledetección pasiva se basa principalmente en las bandas infrarrojas de onda corta (SWIR) de 1,65 μm y 2,3 μm y la banda infrarroja térmica (TIR) ​​de aproximadamente 8 μm. En consecuencia, los sensores de detección pasiva de CH4 también se dividen en sensores infrarrojos térmicos y sensores infrarrojos de onda corta. Los sensores infrarrojos de onda corta adquieren información midiendo la retrodispersión atmosférica, mientras que los sensores infrarrojos térmicos miden la radiación térmica atmosférica. La teledetección activa, ejemplificada por la misión lidar de teledetección de CH4 (MERLIN), implica sensores que emiten radiación de forma autónoma, la cual es recibida después de interactuar con la atmósfera, lo que permite su detección. En la región infrarroja de onda corta, las moléculas de CH4 presentan muchos sobretonos y bandas de combinación, especialmente cerca de 1,66 μm y 2,3 μm. Mediante estas dos bandas, se pueden caracterizar eficazmente las propiedades de absorción del CH4, obteniendo así información sobre su concentración. Además, el infrarrojo de onda corta es más sensible a los cambios en la concentración de CH4 cerca del suelo, compensando las limitaciones del infrarrojo térmico. Por consiguiente, la mayoría de los sensores espaciales desarrollados posteriormente utilizaron satélites infrarrojos de onda corta para la detección de CH4.

△ Satélites típicos de monitoreo de metano en el país y en el extranjero

Satélites de exploración a escala regional

1. CIZACHAS

El detector SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectroscopic Atmospheric Mapper), a bordo del satélite de monitorización ambiental ENVISAT de la ESA, fue el primer detector espacial del mundo en utilizar la banda de absorción infrarroja de onda corta como longitud de onda de detección. Lanzado en marzo de 2002, SCIAMACHY cuenta con modos de observación nadir, de ocultación y liminal, lo que permite una medición eficaz de la composición química de la atmósfera terrestre. Es un detector de radiación que abarca el espectro ultravioleta e infrarrojo de onda corta, con ocho canales y un rango de longitud de onda de 0,24 a 2,38 micrómetros. El canal 6 (1,63-1,67 micrómetros) y el canal 8 (2,26-2,38 micrómetros) pueden detectar CH4, con resoluciones espectrales de 1,48 nm y 0,26 nm, respectivamente.

2. El satélite GOSAT de Japón

El satélite GOSAT de primera generación fue lanzado a una órbita heliosíncrona en enero de 2009, transportando el Observatorio de Carbono en Infrarrojo Térmico y Cercano (TANSO) para lograr el monitoreo global de gases de efecto invernadero. TANSO consta de un espectrómetro de transformada de Fourier (FTS) y un generador de imágenes de nubes y aerosoles (CAI). El primero se utiliza para la detección de gases de efecto invernadero, mientras que el segundo se utiliza para recopilar simultáneamente información de nubes y aerosoles para la inversión coordinada. TANSO-FTS incluye cuatro bandas: 0,758–0,775, 1,56–1,72, 1,92–2,08 y 5,56–14,3, generalmente detectando e invirtiendo CH4 alrededor de 1,6 micrómetros, con una resolución espectral de 0,2 cm⁻¹. El satélite GOSAT-2, lanzado en octubre de 2018, sucedió directamente al satélite GOSAT y también transporta el espectrómetro de transformada de Fourier de segunda generación (TANSO-FTS-2). Añade canales de detección de SIF y CO, mejorando la relación señal-ruido y resultando en una mayor precisión para la detección de gases de efecto invernadero. El sensor tiene una resolución espectral de menos de 0,2 cm⁻¹, cubriendo los rangos de 0,75–0,77 μm, 1,56–1,69 μm, 1,92–2,38 μm y 5,6–14,30 μm. La ventana de detección para CH₄ es de alrededor de 1,67 μm, y la precisión objetivo sobre una cuadrícula terrestre de 500 km y una cuadrícula oceánica de 2000 km es de 5 × 10⁻⁹. GOSAT y GOSAT-2 demuestran un rendimiento estable y una alta precisión, lo que supone una contribución significativa a la monitorización global de gases de efecto invernadero.

3. Satélite Sentinel-5P de la ESA

Sentinel-5P es un satélite global de monitoreo de contaminantes atmosféricos lanzado por la ESA el 13 de octubre de 2017. Transporta un espectrómetro de monitoreo atmosférico de alta resolución espacial y tecnología avanzada, el Monitor Troposférico (TROPOMI). Este instrumento tiene una franja de imagen de 2600 km y una resolución de 7 km × 5,5 km, lo que permite una cobertura global diaria y mejora significativamente las capacidades de cobertura espaciotemporal del satélite. TROPOMI es un espectrómetro de barrido lineal que realiza mediciones en tres regiones espectrales principales: la región espectral ultravioleta-visible (UVVIS) de 270–495 nm, la región espectral del infrarrojo cercano (NIR) de 675–775 nm y la región espectral del infrarrojo de onda corta (SWIR) de 2305–2385 nm. TROPOMI utiliza información espectral cercana a los 2,3 micrómetros para la inversión de CH4, logrando una resolución espectral de 0,25 nm y una precisión de inversión del 0,8 %.

4. Carga útil GMI del satélite Gaofen-5

△ Diagrama esquemático de la carga útil de Gaofen-5

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Lanzado en mayo de 2018, el satélite GF-5 es el satélite con mayor número de cargas útiles y la resolución espectral más alta entre los principales proyectos científicos y tecnológicos de alta resolución de mi país. Es también el primer satélite hiperespectral de espectro completo del mundo que permite la observación integral de la atmósfera y la tierra. Su Monitor de Gases de Efecto Invernadero (GMI) emplea espectroscopia heterodina espacial, con selección de banda arbitraria y resolución hiperespectral, lo que lo convierte en el primer dispositivo de teledetección de gases de efecto invernadero a bordo del espacio del mundo basado en esta tecnología. El instrumento tiene cuatro bandas para O2, CO2 y CH4, que cubren el rango espectral de 0,759–0,769 nm y 1,568–2,058 μm. El canal de detección de CH4 se encuentra en 1,642–1,658 μm, con una resolución espectral de 0,27 cm⁻¹, con el objetivo de adquirir datos de concentración de columna global de CH4.

5. Satélite FY-3D

△ Monitor de gases de efecto invernadero FY3D GAS

En enero de 2019, mi país lanzó su satélite meteorológico de órbita polar de nueva generación, FY-3D, que lleva un monitor hiperespectral de gases de efecto invernadero en el infrarrojo cercano (GAS). GAS es el primer sensor interferométrico espacial de gases de efecto invernadero de China. Su método de detección es la dispersión espectral basada en rejilla, con dos bandas en el infrarrojo cercano y dos bandas en el infrarrojo de onda corta, correspondientes a longitudes de onda de 0,75–0,77 μm, 1,56–1,72 μm, 1,92–2,08 μm y 2,20–2,38 μm, respectivamente. Las bandas 2 y 4 pueden utilizarse para la detección de CH4, con longitudes de onda centrales de 1,6 μm y 2,3 μm, respectivamente, y una resolución espectral de 0,27 cm⁻¹.

Satélite de detección de fuentes puntuales

Además de los satélites de observación globales o a gran escala mencionados anteriormente, la detección de fuentes puntuales también se ha convertido en un tema de investigación de gran interés. En los últimos años, los satélites de detección de fuentes puntuales y los sensores basados ​​en imágenes hiperespectrales han experimentado un crecimiento exponencial.

1. Satélite GHGsat

△ Monitor WAF-P de GHGSAT

La constelación GHGSat es un sistema satelital desarrollado por GHGSat Inc. de Canadá para la detección global de gases de efecto invernadero con alta resolución espacial, principalmente para la detección y cuantificación de fuentes puntuales. Actualmente, la constelación GHGSat consta de seis satélites: GHGSat-D (Claire), lanzado en junio de 2016; GHGSat-C1 (Iris), lanzado en septiembre de 2020; GHGSat-C2 (Hugo), lanzado en enero de 2021; y GHGSat-C3 (Luca), C4 (Penny) y C5 (Diako), lanzados en 2022. Cada satélite está equipado con un espectrómetro de imágenes Fabry-Perot de campo amplio (WAF-P), que cubre la banda infrarroja de onda corta de 1630–1675 nm, para la detección de CH4. Los satélites de la serie GHGSat cuentan con una resolución espacial de hasta 25 m y una precisión de inversión XCH4 de 18 × 10⁻⁹, lo que resulta de gran importancia para la estimación de alta precisión de las emisiones de fuentes puntuales.

2. Carga útil AHSI del satélite Gaofen-5

△ Diagrama esquemático de la carga útil de Gaofen-5

La cámara hiperespectral visible-infrarroja de onda corta (AHSI) a bordo del satélite GF-5 de mi país es un ejemplo típico de detección de fuentes puntuales. Fue el primer sensor hiperespectral espacial en utilizar espectrofotometría de rejilla convexa y una configuración mejorada de tres espejos concéntricos (Offner). Cuenta con 330 bandas, que cubren un rango espectral de 0,4 a 2,5 μm, con resoluciones espectrales de 5 nm para VNIR y 10 nm para SWIR. La AHSI tiene un ancho de barrido de 60 km y una resolución espacial de hasta 30 m. Utilizando canales espectrales de 2,11 a 2,45 μm, puede detectar la concentración de CH4 de fuentes puntuales con una precisión de 63 × 10⁻⁹.

3. Satélite PRISMA

PRISMA es una misión de imágenes hiperespectrales de resolución media desarrollada por la Agencia Espacial Italiana (ASI) en 2008, sucesora de la misión cancelada del Satélite Hiperespectral de Observación de la Tierra (HypSEO). Lanzado el 22 de marzo de 2019, el satélite PRISMA, equipado con una cámara hiperespectral (HYC), cubre un rango espectral de 400–2505 nm con una resolución espectral superior a 10 nm y una resolución espacial de hasta 30 m, proporcionando observaciones hiperespectrales en las bandas visible, infrarroja cercana e infrarroja de onda corta. De forma similar a AHSI en el satélite Gaofen-5, HYC utiliza una ventana de 2110–2450 nm para detectar la concentración de CH4 con una precisión de 149 × 10⁻⁹.

4. Satélite ENMAP

El programa de Cartografía y Análisis Ambiental (EnMAP) es una misión satelital desarrollada en Alemania, diseñada para adquirir datos de imágenes hiperespectrales de la atmósfera y la superficie terrestres. El satélite homónimo de la misión fue lanzado el 1 de abril de 2022.

Está equipado con un generador de imágenes hiperespectrales (HSI). Este instrumento es un generador de imágenes de barrido lineal capaz de observar el rango espectral de 430–2450 nm. EnMAP cuenta con 228 bandas espectrales configuradas en los canales VNIR y SWIR, con resoluciones espectrales de 6,5 nm y 10 nm, respectivamente. La resolución espacial es de 30 m y el ancho máximo de barrido es de 30 km. Entre ellas, la ventana de detección de CH4 se puede utilizar entre 2200 y 2400 nm, con una precisión de detección del 3 % al 7 %.

5. Carga útil EMIT

△ La carga útil EMIT se transporta en la Estación Espacial Internacional.

Basado en la misión EMIT (Earth Surface Mineral Dust Source Survey) de la NASA, el instrumento EMIT fue lanzado el 14 de julio de 2022 por la misión CRS-25 (25.ª Misión Comercial de Reabastecimiento) de SpaceX e instalado en la Estación Espacial Internacional. EMIT es un espectrómetro de imágenes hiperespectrales que cubre el rango espectral de 380 a 2500 nm, con un intervalo de muestreo espectral de 7,4 nm y una resolución espacial de 60 m. Gracias a su canal característico de CH4 de 2200 a 2400 nm, EMIT también puede utilizarse para la detección global de fuentes puntuales de CH4.

6. Satélite MethaneSAT

La misión MethaneSAT, desarrollada conjuntamente por Estados Unidos y Nueva Zelanda, consiste en el despliegue de un satélite de observación terrestre, el MethaneSAT, cuyo lanzamiento está previsto para 2023. Su objetivo principal es observar los recursos de la Tierra, en particular aquellos que representan el 80% de la producción mundial de petróleo y gas.

Las regiones mencionadas anteriormente estarán sujetas a un monitoreo sistemático de las emisiones de CH4. El satélite MethaneSAT tiene un ancho de barrido de aproximadamente 200 km y una alta resolución espacial de 100 m × 400 m, lo que le permite obtener observaciones cuantitativas de las emisiones de CH4. MethaneSAT cuenta con un sistema de detección de CH4 mediante espectrómetro de alto rendimiento que cubre el rango espectral de 1605–1683 nm, con una frecuencia de muestreo espectral de 0,1 nm y una resolución espectral de 0,3 nm, y un umbral de detección de CH4 de 2 × 10⁻⁹.

Tendencias de monitoreo mediante sensores satelitales de metano

En el futuro, los sensores satelitales para la detección de CH4 seguirán avanzando hacia objetivos de alta resolución espaciotemporal, alta precisión, alta exactitud y observación continua integrada. Sin embargo, dado que un solo satélite aún resulta insuficiente para satisfacer las demandas de la detección global de CH4 de alta precisión, es necesario acelerar el desarrollo de redes satelitales. Las observaciones mediante una red multisatélite permiten alcanzar mayores tasas de revisita, sensibilidad y exactitud, proporcionando una cobertura global rápida y mejorando aún más las capacidades de teledetección de los satélites atmosféricos de CH4.

Para abordar la necesidad de monitorear satelitalmente las emisiones de carbono provenientes de fuentes puntuales clave, se emplean métodos avanzados como el modelo de pluma gaussiana, integrando datos de campo de viento de alta resolución espaciotemporal con productos satelitales de gas de efecto invernadero CH4 de alta resolución para establecer un sistema integral de monitoreo y simulación de emisiones de fuentes puntuales. Este sistema permite la simulación dinámica de la difusión de gases de efecto invernadero, logrando una estimación de alta precisión de las emisiones de fuentes puntuales mediante datos atmosféricos de gases de efecto invernadero observados por satélite y estableciendo capacidad operativa.