Monitoreo mediante teledetección de la concentración de columna de metano de fuente puntual en áreas típicas de minería de carbón de la provincia de Anhui.

El metano es un gas radiactivo y químicamente reactivo presente en la atmósfera, que afecta tanto al balance de radiación terrestre como a los procesos químicos atmosféricos. Como segundo gas de efecto invernadero más importante, su concentración media anual es más de 2,5 veces superior a la de antes de la Revolución Industrial. El potencial de calentamiento global del metano es aproximadamente 84 veces mayor que el del dióxido de carbono en un periodo de 20 años y unas 30 veces mayor en un periodo de 100 años. La vida útil atmosférica del metano es de tan solo unos 12 años, mucho menor que la del dióxido de carbono (que dura cientos de años). Controlar las emisiones de metano tiene un efecto más rápido en la mitigación del calentamiento global y es especialmente importante para lograr la neutralidad de carbono.

El principio de funcionamiento de los satélites de monitorización de metano consiste en estimar la emisión de metano detectando su absorción espectral en diferentes longitudes de onda mediante instrumentos de monitorización de gases de efecto invernadero. La inversión es un método descendente que combina datos de observación y modelos de transporte atmosférico para optimizar las emisiones (Cai Xiaoli, 2025). Los métodos de inversión de CH4 incluyen principalmente algoritmos de modelos de transporte químico atmosférico, algoritmos físicos, métodos multicanal multibanda y algoritmos de aprendizaje profundo.

Este estudio toma como objeto de investigación 19 zonas típicas de extracción de carbón en la provincia de Anhui. Basándose en datos de teledetección hiperespectral AHSI del satélite Gaofen-5 02 (GF5B), se utiliza el algoritmo de filtrado adaptado para realizar el monitoreo por teledetección de la concentración de columna de metano en zonas típicas de extracción de carbón, con el objetivo de proporcionar datos de apoyo y una base científica para la supervisión dinámica de las fuentes regionales de emisión de metano.

Durante el período Carbonífero-Pérmico, la Placa del Norte de China experimentó una evolución tectónica, desarrollando múltiples estratos carboníferos y formando grandes bases de carbón como la cuenca del río Huaihe y el oeste de Shandong. La cuenca del río Huaihe, que abarca cinco ciudades en el norte de Anhui, posee reservas de carbón de 33.817 millones de toneladas y constituye una importante base energética en el este de China. Geológicamente, se ubica en el Bloque Xuhuai, en el borde sureste de la Placa del Norte de China, y está dividida en la cuenca del río Huaihe y el yacimiento carbonífero del sur del río Huaihe por el levantamiento de Bengbu.

Figura 1. Contorno tectónico de la placa del norte de China, ubicación tectónica del yacimiento de carbón de Lianghuai y distribución de las minas de carbón abandonadas (Jiang Jianming, 2024).

Figura 2. Imagen de teledetección del área de estudio y mapa de distribución de los depósitos minerales.

El filtrado adaptado es un método basado en datos donde la información espectral se caracteriza como una perturbación espectral superpuesta al espectro promedio, causada por variaciones en la concentración de la columna de metano. Este algoritmo maximiza la relación señal-ruido y se utiliza comúnmente para la inversión de datos de teledetección de fuentes puntuales de metano. Basado en el teorema de Beer-Lambert, se linealiza mediante una expansión de Taylor de primer orden.

Donde k es el coeficiente de absorción unitario del metano, que caracteriza la capacidad del metano atmosférico para absorber radiación a una longitud de onda específica. Es decir, la suma de las secciones transversales de absorción de las moléculas de metano en la dirección vertical, que está determinada tanto por la longitud del recorrido de absorción como por la sección transversal de absorción del metano._elLa intensidad de radiación promedio μ recibida por el satélite puede usarse como una aproximación, es decir, el espectro de referencia. El espectro objetivo t(I)_elEste valor representa la perturbación de la intensidad de la radiación de fondo causada por el aumento de la concentración de la columna de metano. El coeficiente k se puede obtener mediante un modelo de transferencia radiativa.

Suponiendo que el cambio espectral se deba únicamente al cambio en la concentración de metano y que las características de absorción del metano no cambien, la mejora de la concentración de la columna de metano se puede obtener aplicando la log-verosimilitud gaussiana a la ecuación (3-1) y optimizando la fórmula objetivo, como se muestra en la ecuación (3-2):

En la fórmula, C es la matriz de covarianza de fondo, mientras que μ expresa aproximadamente I._elLa fórmula para calcular t(μ) es t(μ) = μ·k

Se realizó un monitoreo por teledetección de la concentración de la columna de metano en 19 áreas típicas de minería de carbón de la provincia de Anhui, utilizando datos AHSI del satélite Gaofen-5 02 y filtrado adaptado (MF). A continuación se muestran el mapa de distribución espacial del aumento de la concentración de la columna de metano y el mapa de distribución espacial de la pluma en algunas áreas de minería de carbón:

Figura 3. Distribución espacial del aumento de la concentración de la columna de metano en una zona típica de extracción de carbón.

Figura 4. Ubicación de la mina de carbón de Dingji y distribución espacial de la pluma de metano.

Figura 5. Ubicación de la mina de carbón de Pansan y distribución espacial de la pluma de metano.

Figura 6. Ubicación de la mina de carbón de Zhujidong y distribución espacial de la pluma de metano.

Este estudio utilizó datos de teledetección hiperespectral AHSI del satélite Gaofen-5 02 (GF5B) y empleó un algoritmo de filtrado adaptado para realizar el monitoreo remoto de las concentraciones de columna de metano en 19 áreas típicas de minería de carbón en la provincia de Anhui. Sin embargo, debido a imperfecciones en el sistema de verificación de precisión e interferencias de condiciones meteorológicas complejas, la inversión de teledetección de las concentraciones de columna de fuente puntual de metano presenta incertidumbres significativas, lo que requiere una investigación más profunda.

Referencias

[1] Cai Xiaoli, Bao Yunfei, Huang Qiaolin. Una revisión de la tecnología de detección e inversión de metano atmosférico basada en teledetección satelital [J]. Space Return and Remote Sensing, 2025, 46(01):160-173.

[2] Jiang Jianming, Han Feng, Ding Hai, et al. Estudio exhaustivo, desarrollo y estado de utilización y perspectivas de los recursos restantes en minas de carbón abandonadas en el yacimiento de carbón de Lianghuai, provincia de Anhui [J]. Minería de China, 2024, 33(08):46-58.

[3] Li Fei, Sun Shiwei, Zhang Yongguang, et al. Inversión y análisis de teledetección de fuentes típicas de superemisión de metano en China y Estados Unidos mediante el generador de imágenes hiperespectrales del satélite Gaofen-5 02 [J]. Journal of Remote Sensing, 2024, 28(08):1986-2001.

[4] Qin Kai, He Qin, Kang Hanshu, et al. Avances de la investigación y perspectivas de la teledetección satelital de emisiones de metano en la industria del carbón [J]. Acta Óptica Sínica, 2023, 43(18):118-130.

[5] Jiang Yuhan. Estudio de rendimiento de la detección de fuentes puntuales de metano mediante teledetección satelital [D]. Academia China de Ciencias Meteorológicas, 2025.