Satélites de monitoreo de metano: un nuevo foco de atención en el monitoreo de gases de efecto invernadero.

El principio de funcionamiento de los satélites de monitorización de metano consiste en estimar la cantidad total de metano analizando su absorción espectral en diferentes longitudes de onda. El rango de monitorización por teledetección abarca la cantidad de metano en un espacio columnar desde el satélite hasta la superficie terrestre, y su objetivo principal es obtener datos precisos y continuos en el espacio y el tiempo sobre la concentración atmosférica de CH4 cerca de la superficie.

La detección inicial de CH4 desde el espacio se basaba principalmente en la banda del infrarrojo térmico. Sin embargo, dado que la radiación emitida por la superficie y la atmósfera cercana a la superficie en esta banda es similar, resulta difícil distinguirlas a partir del espectro. En consecuencia, la banda del infrarrojo térmico no es sensible a los cambios en la concentración de CH4 en la atmósfera cercana a la superficie y no cumple con los requisitos de detección de los procesos de emisión cercanos a la superficie en el marco del objetivo de reducción de emisiones de CH4.

En comparación, el espectro infrarrojo de onda corta contiene señales de absorción de CH4 y señales de reflexión superficial con diferencias significativas en sus características. Según el análisis comparativo de sensibilidad de la concentración de columna de CH4 en relación con el perfil de CH4, la banda infrarroja de onda corta es muy sensible a los cambios en el CH4 atmosférico cercano a la superficie y resulta más adecuada para el monitoreo de los procesos de emisión de CH4.

Estado actual del lanzamiento del satélite de monitoreo de metano

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

En los últimos años, gracias al rápido desarrollo de la tecnología de detección espacial de CH4 mediante infrarrojo de onda corta, se han lanzado numerosos satélites de detección de infrarrojo de onda corta, tanto a nivel nacional como internacional, para llevar a cabo diversos estudios de detección de CH4 y aplicaciones relacionadas. Esto ha impulsado el desarrollo de algoritmos de inversión de teledetección satelital de CH4 y algoritmos de inversión de flujo, sentando las bases técnicas para mejorar las capacidades de exploración espacial, generar productos de datos y aplicarlos directamente. Además, se ha demostrado el potencial de la detección por infrarrojo de onda corta en la estimación del balance global de fuentes y sumideros de CH4, desde la perspectiva de la precisión de los datos de detección y la estimación del flujo.

Adquisición de datos satelitales para el monitoreo del metano

△Estado actual y planificación de los satélites de monitoreo de gases de efecto invernadero a nivel nacional e internacional: El color verde indica monitoreo de metano.

La adquisición de datos precisos de detección de CH4 mediante satélite requiere el apoyo de algoritmos de inversión de teledetección satelital de CH4 de alta precisión. La calidad de los productos de datos de CH4 detectados por satélite suele depender de la selección de los instrumentos de detección y los parámetros de inversión.

La detección en infrarrojo de onda corta (SIR) tiene la ventaja de ser sensible a los cambios en la concentración de CH4 cerca de la superficie, pero su espectro de absorción se ve fácilmente afectado por parámetros atmosféricos y superficiales como gases interferentes, temperatura, nubes y aerosoles, lo que introduce errores significativos. El objetivo de los algoritmos de inversión de alta precisión es reducir la influencia de estos factores interferentes y extraer la información de concentración del gas objetivo a partir de la información espectral efectiva. A nivel internacional, se han establecido varios métodos de inversión de teledetección satelital para gases de efecto invernadero utilizando los satélites SCIAMACHY y GOSAT. Entre ellos, los más utilizados son el algoritmo de inversión de modelo físico completo, el método de inversión proxy y el método de inversión WFM-DOAS.

Los algoritmos de inversión basados ​​en toda la física utilizan modelos directos para simular el proceso de transferencia radiativa atmosférica de las señales, reduciendo significativamente los errores causados ​​por las incertidumbres de la trayectoria óptica debidas a la dispersión durante la transferencia radiativa, y suelen presentar una alta precisión de inversión. Los algoritmos proxy suelen utilizar componentes atmosféricos estables, como el CO2, como representantes para corregir la influencia de las nubes y los aerosoles en la trayectoria óptica en la banda de detección de CH4, extrayendo así información efectiva sobre la concentración de CH4. El algoritmo WFM-DOAS, basado en la espectroscopia de absorción diferencial clásica, utiliza una función de ponderación de la cantidad total de la columna de gas objetivo para reemplazar la sección transversal de absorción en el ajuste del espectro de absorción diferencial.

Tendencias de desarrollo futuro en el monitoreo del metano

△Emisiones de metano procedentes de diversas fuentes en China en diferentes meses

Con base en los medios técnicos existentes para las misiones satelitales de detección de CH4, y para satisfacer las necesidades de detección e investigación a diferentes escalas, es necesario construir un sistema de constelación que permita la detección colaborativa mediante una combinación de métodos activos y pasivos, y enfoques de órbita alta y baja. La futura detección global de CH4 con alta resolución espaciotemporal se logrará principalmente a través de redes satelitales. Al aplicar de forma integral los resultados de detección de múltiples satélites, se brindará apoyo científico para evaluar la efectividad de las medidas de reducción de emisiones relacionadas con la neutralidad de carbono y para los planes de inventario global de carbono.

Aeroespacial Zhongke Xiguang：Primeros en desplegar una constelación comercial de satélites de teledetección para el monitoreo de doble carbono.

Tras una exhaustiva investigación de mercado y un seguimiento de usuarios, CAS Xiguang Aerospace se ha posicionado a la vanguardia en China con el lanzamiento de una constelación de satélites comerciales de teledetección para el monitoreo dual de carbono, basada en tecnología de detección espectral ultrafina. Han diseñado el primer satélite comercial chino para el monitoreo de metano, el XIGUANG-004, capaz de monitorear las concentraciones de los principales gases de efecto invernadero. Este satélite de teledetección, diseñado para monitorear las fuentes y sumideros de carbono, está equipado con un detector de concentración de metano, un detector de fluorescencia de clorofila y una cámara de imágenes multiespectrales. Cuenta con múltiples modos de operación para satisfacer las diversas necesidades de los usuarios que buscan el monitoreo dual de carbono mediante teledetección satelital.

El detector de concentración de metano alcanza una resolución espectral de 0,1 nm y permite la detección cuantitativa de la concentración de la columna de metano y su cuantificación sobre una ubicación objetivo. El detector de fluorescencia de clorofila cuenta con una resolución espectral de hasta 0,5 nm, lo que permite detectar eficazmente cambios sutiles en el espectro de fluorescencia producidos durante la fotosíntesis de la clorofila vegetal. Esto posibilita la evaluación de la productividad total de la planta y proporciona orientación para el comercio de carbono. La cámara de imágenes multiespectrales opera en ocho bandas de luz visible con una resolución espacial de 10 m. Presenta una gran apertura y un peso reducido, y se utiliza principalmente para la adquisición de imágenes espectrales y espaciales de elementos del terreno.

El satélite pesa 60 kg y puede desempeñar un papel fundamental en la monitorización remota de carbono dual, así como en la evaluación del potencial de neutralidad de carbono de la vegetación natural y las estructuras artificiales. Permitirá la observación de alta frecuencia, gran cantidad y amplia cobertura de las emisiones y sumideros de carbono globales, y liderará el desarrollo de satélites comerciales de carbono en China.

△Emisiones mundiales de metano por sector, 1970-2018

Ante la urgente situación del cambio climático global, la reducción de las emisiones de CH4 es un medio necesario para controlar el calentamiento global y lograr la neutralidad de carbono. La teledetección satelital puede proporcionar datos de concentración global de CH4 con alta resolución espaciotemporal, lo que mejora considerablemente las capacidades de apoyo de datos para el monitoreo dinámico espaciotemporal del CH4, el balance de CH4 y la evaluación de medidas de reducción de emisiones, además de servir como referencia para abordar el cambio climático futuro.

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IAP de Ciencias Atmosféricas

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.

Yao Lu, Yang Dongxu, Cai Zhaonan, Zhu Sihong, Liu Yi, Deng Jianbo, Tian Longfei, Yin Zengshan, Lu Naimeng

Retorno espacial y teledetección, Voz de la Academia China de Ciencias

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