Desarrollo y casos de aplicación de satélites para el monitoreo global del metano

Las tecnologías de monitoreo de metano se diseñan generalmente basándose en principios ópticos, químicos y acústicos, e incluyen principalmente espectrómetros de imágenes infrarrojas hiperespectrales, cámaras termográficas, detectores de fotoionización y detectores ultrasónicos. Estos dispositivos pueden instalarse directamente en instalaciones de producción y transporte para el monitoreo en línea, o montarse en vehículos móviles como automóviles, aeronaves de baja altitud o drones para el muestreo y análisis en un área específica. Sin embargo, las tecnologías de monitoreo tradicionales presentan limitaciones como la mano de obra, el costo, el tiempo y el espacio, lo que imposibilita la obtención de datos continuos y trazables sobre las emisiones de metano en grandes áreas y dificulta la detección de fugas de metano a gran escala. Gracias a los avances en la tecnología de teledetección satelital, especialmente en la tecnología de imágenes hiperespectrales, los países desarrollados están acelerando la investigación y aplicación de esta tecnología en el monitoreo de metano, con el objetivo de construir un sistema global de monitoreo de metano.

△Resumen del rendimiento de los satélites CH4 que han completado su misión o que aún se encuentran en órbita.

Desarrollo de satélites para el monitoreo global del metano

Con la profundización de la investigación sobre el cambio climático global y la maduración de las tecnologías de detección de gases de efecto invernadero desde el espacio, el número de satélites de detección de CH4 comenzó a aumentar rápidamente a partir de 2017. El lanzamiento de múltiples satélites de detección de CH4 basados ​​en la banda infrarroja de onda corta ha impulsado el rápido desarrollo de la investigación sobre la detección y aplicación global de CH4. Tras la firma del Acuerdo de París, el campo de la monitorización satelital del metano entró en un período de rápido desarrollo. Agencias espaciales oficiales como la Agencia Espacial Europea, la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial y la Agencia Espacial Italiana lanzaron los satélites Sentinel-5P, GOSAT-2 y VEGA, respectivamente, que transportaban sus respectivos espectrómetros Tropomi, FTS-2 y PRISMA para monitorizar las emisiones de metano a nivel mundial. En términos de indicadores de rendimiento, estas tres agencias han logrado avances significativos en los umbrales de monitorización de emisiones de metano, mientras que el espectrómetro PRISMA italiano también ha alcanzado una mejora significativa en la resolución espacial, con una precisión de monitorización terrestre que llega a los 30 metros.

△Tabla comparativa del rendimiento de los principales satélites mundiales de monitorización del metano

Avances del satélite de monitoreo de metano de mi país

China también ha lanzado una serie de satélites para detectar CH4 atmosférico. El Instrumento de Monitoreo de Gases de Efecto Invernadero (GMI) a bordo del satélite Gaofen-5 (GF-5) utiliza espectroscopia heterodina espacial (SHS) para adquirir señales espectrales en la banda del infrarrojo cercano al infrarrojo de onda corta (759–2058 nm), con una alta relación señal-ruido y operación sin espejos. El rango espectral del GMI es similar al de SCIAMACHY, y su resolución espectral es la misma que la de TANSO-FTS, lo que le permite adquirir información de concentración de gases de efecto invernadero como CH4 y CO2, proporcionando datos de apoyo para el análisis de fuentes y sumideros de gases de efecto invernadero. El Monitor Hiperespectral de Gases de Efecto Invernadero (GAS) a bordo del satélite Fengyun-3D utiliza espectroscopia interferométrica para adquirir espectros de alta resolución en cuatro ventanas de banda dentro del rango del infrarrojo cercano al infrarrojo de onda corta, utilizado para obtener información de concentración de componentes atmosféricos como CH4 y CO2, mejorando la estimación cuantitativa de los flujos de gases de efecto invernadero en la superficie a escalas regionales.

△El sistema de teledetección satelital GHGSat monitorea las emisiones de metano de las instalaciones de petróleo y gas.

Los satélites comerciales de monitorización del metano siguen avanzando a pasos agigantados.

Los satélites comerciales se centran principalmente en áreas de emisión industrial de petróleo y gas localizadas, estimando las emisiones mediante la adquisición de datos de imágenes de alta resolución espacial. El desarrollo de satélites comerciales también ha creado excelentes condiciones para el monitoreo localizado de emisiones de CH4, complementando las capacidades globales de detección de CH4 desde el espacio. Entre 2016 y 2021, GHGSat, una empresa canadiense de satélites para gases de efecto invernadero, lanzó los satélites GHGSat-D, GHGSat-C1 y GHGSat-C2 y completó su red, elevando el umbral de monitoreo de emisiones de metano y la resolución espacial a 100 kg/h y 25 metros, respectivamente, lo que permite un monitoreo preciso de fuentes de emisión de metano como instalaciones individuales de producción de petróleo y gas terrestres y gasoductos.

Casos de aplicación de satélites para el monitoreo de metano

La estimación de los balances globales y regionales de CH4 puede contribuir a mejorar nuestra comprensión de la distribución de fuentes y sumideros de CH4 y servir de referencia para abordar el cambio climático futuro. Actualmente, los datos de GOSAT se utilizan ampliamente para estimar los flujos superficiales de CH4, lo que facilita el análisis de la distribución de fuentes y sumideros de CH4 y sus cambios a escalas globales y regionales. Proporcionan evidencia fiable para evaluar las contribuciones de los diferentes sectores a las emisiones de CH4 y para comprender mejor los cambios en la distribución de fuentes y sumideros de CH4 y su impacto en el clima. TROPOMI, con su mayor resolución espaciotemporal y un volumen de datos significativamente mayor y más preciso que GOSAT, destaca en la estimación de flujos a pequeña escala. Estos hallazgos proporcionan datos científicos que respaldan la elaboración de balances globales de metano y una mayor comprensión de los cambios en las fuentes y sumideros de CH4.

Los productos de datos de CH4 satelitales de alta resolución espaciotemporal pueden reflejar directamente los procesos de emisión antropogénica de CH4. TROPOMI ha demostrado su ventaja en la detección espaciotemporal continua para el monitoreo y la estimación de emisiones de CH4, y sus capacidades de detección de alta precisión también crean las condiciones para el monitoreo y la cuantificación de las emisiones regionales de CH4 de fuente de área. Combinado con datos de concentración de CO atmosférico detectados sincrónicamente, la estabilidad de las emisiones locales de CH4 puede evaluarse de forma independiente sin modelos de transporte atmosférico. La serie de satélites comerciales GHGSat, con alta resolución espacial, está diseñada para adquirir emisiones puntuales de CH4 de la producción industrial. Al identificar plumas de emisión de CH4 a pequeña escala, se han utilizado ampliamente en el monitoreo y la estimación de emisiones locales.

Resultados de la distribución global de la concentración de columna △CH4 (XCH4)

Casos de aplicación de satélites para el monitoreo de metano

Las emisiones antropogénicas de CH4 son un factor importante que contribuye al calentamiento global, y la detección regional precisa de CH4 es fundamental para el monitoreo y control de los procesos de emisión antropogénica. Los Institutos de Ciencias Físicas de Hefei, pertenecientes a la Academia China de Ciencias, obtuvieron información sobre el espectro de absorción de CH4 en el canal de 1,65 μm utilizando el instrumento GMI del satélite Gaofen-5, y obtuvieron resultados de distribución global de la concentración de columna de CH4 (XCH4) similares a los de instrumentos internacionales similares.

El Centro de Aplicaciones Ambientales por Satélite del Ministerio de Ecología y Medio Ambiente llevó a cabo un monitoreo global de CH4 atmosférico utilizando el satélite de observación hiperespectral integrada en otoño de 2022 (del 1 de julio al 30 de septiembre). Los resultados del monitoreo reflejaron claramente características de distribución latitudinal evidentes, y la precisión de la inversión de CH4 fue mejor que 20 ppm en comparación con los datos de medición de la estación TCCON. La fuga del gasoducto Nord Stream en septiembre de 2022 atrajo una amplia atención internacional. Para rastrear el desarrollo del incidente, el Centro de Aplicaciones Ambientales por Satélite del Ministerio de Ecología y Medio Ambiente utilizó el satélite el 30 de septiembre para realizar un monitoreo de emergencia a lo largo del gasoducto Nord Stream. En conjunto con la Universidad de Wuhan, la Universidad de Nanjing y otras instituciones, llevó a cabo la identificación y cuantificación por teledetección de anomalías de emisión de CH4, descubriendo una anomalía de emisión de CH4 relativamente evidente en el gasoducto Nord Stream 2 al este de la isla de Bornholm, Dinamarca, con una emisión estimada de aproximadamente 70 t/h.

△ Monitoreo de anomalías en las emisiones de CH4 a lo largo del gasoducto Nord Stream mediante satélites de observación hiperespectral integrada.

Tras años de construcción y desarrollo, el sistema de observación de gases de efecto invernadero de mi país ha demostrado ser prometedor gracias al apoyo integrado de datos multisensoriales (espaciales, aéreos y terrestres). Esto no solo proporciona datos y apoyo técnico para la prevención y el control de la contaminación atmosférica y la previsión de la calidad del aire en mi país, sino que también contribuye a la construcción de una plataforma global de observación de gases de efecto invernadero con múltiples satélites. Durante el XIV Plan Quinquenal, mi país seguirá intensificando sus esfuerzos en la investigación y el desarrollo de nuevos satélites y la construcción de sistemas de aplicación, mejorando aún más sus capacidades de teledetección para el monitoreo de los principales gases de efecto invernadero y contaminantes atmosféricos a nivel mundial, y proporcionando datos de teledetección para el logro de los objetivos estratégicos nacionales de "doble carbono" y la lucha contra el cambio climático global.

Algunos de los materiales de referencia provienen de:

Construcción de los satélites de observación de gases de efecto invernadero de mi país y aplicación de datos típicos.

Análisis del estado actual y las tendencias de desarrollo de los satélites de observación de metano atmosférico orientados a la neutralidad de carbono y al pico de carbono en mi país.