Développement et applications des satellites de surveillance mondiale du méthane

Les technologies de surveillance du méthane sont généralement conçues selon des principes optiques, chimiques et acoustiques, et comprennent principalement des spectromètres imageurs infrarouges hyperspectraux, des caméras thermiques, des détecteurs à photoionisation et des détecteurs ultrasoniques. Ces dispositifs peuvent être installés directement sur les sites de production et de transport pour une surveillance en temps réel, ou embarqués sur des véhicules mobiles tels que des voitures, des aéronefs volant à basse altitude ou des drones pour l'échantillonnage et l'analyse dans une zone spécifique. Cependant, les technologies de surveillance traditionnelles sont limitées par des facteurs tels que les ressources humaines, le coût, le temps et l'espace, ce qui empêche d'obtenir des données continues et traçables sur les émissions de méthane sur de vastes zones et ne permet pas de détecter les fuites de méthane à grande échelle. Grâce aux progrès de la télédétection satellitaire, et notamment de l'imagerie hyperspectrale, les pays développés accélèrent la recherche et l'application de cette technologie à la surveillance du méthane, dans le but de mettre en place un système mondial de surveillance.

△Résumé des performances des satellites CH4 ayant achevé leur mission ou étant encore en orbite

Développement de satellites de surveillance mondiale du méthane

Avec l'approfondissement des recherches sur le changement climatique mondial et la maturation des technologies de détection des gaz à effet de serre embarquées, le nombre de satellites de détection du CH4 a connu une croissance rapide à partir de 2017. Le lancement de nombreux satellites de détection du CH4, basés sur la bande infrarouge à ondes courtes, a favorisé le développement rapide de la recherche mondiale sur la détection et les applications du CH4. Après la signature de l'Accord de Paris, le domaine de la surveillance satellitaire du méthane a connu un essor considérable. Des agences spatiales officielles telles que l'Agence spatiale européenne (ESA), l'Agence d'exploration aérospatiale japonaise (JAXA) et l'Agence spatiale italienne (ISA) ont lancé respectivement les satellites Sentinel-5P, GOSAT-2 et VEGA, embarquant leurs spectromètres respectifs Tropomi, FTS-2 et PRISMA, afin de surveiller les émissions de méthane à l'échelle mondiale. En termes de performances, ces trois agences ont réalisé des progrès significatifs en matière de seuils de surveillance des émissions de méthane, tandis que le spectromètre italien PRISMA a également permis une amélioration notable de la résolution spatiale, la précision de la surveillance au sol atteignant 30 mètres.

△ Tableau comparatif des performances des principaux satellites mondiaux de surveillance du méthane

Progrès du satellite de surveillance du méthane de mon pays

La Chine a également lancé une série de satellites pour détecter le CH4 atmosphérique. L'instrument de surveillance des gaz à effet de serre (GMI), embarqué sur le satellite Gaofen-5 (GF-5), utilise la spectroscopie hétérodyne spatiale (SHS) pour acquérir des signaux spectraux dans la bande proche infrarouge à infrarouge à ondes courtes (759–2058 nm). Il se caractérise par un rapport signal/bruit élevé et un fonctionnement sans miroir. La gamme spectrale du GMI est similaire à celle de SCIAMACHY et sa résolution spectrale est identique à celle de TANSO-FTS, ce qui lui permet d'acquérir des informations sur la concentration de gaz à effet de serre tels que le CH4 et le CO2, fournissant ainsi des données pour l'analyse des sources et des puits de ces gaz. Le moniteur hyperspectral de gaz à effet de serre (GAS), embarqué sur le satellite Fengyun-3D, utilise la spectroscopie interférométrique pour acquérir des spectres à haute résolution dans quatre fenêtres spectrales de la gamme proche infrarouge à infrarouge à ondes courtes. Ces spectres servent à obtenir des informations sur la concentration de composants atmosphériques tels que le CH4 et le CO2, améliorant ainsi l'estimation quantitative des flux de gaz à effet de serre en surface à l'échelle régionale.

△Le système de télédétection satellitaire GHGSat surveille les émissions de méthane provenant des installations pétrolières et gazières.

Les satellites commerciaux de surveillance du méthane continuent de progresser.

Les satellites commerciaux ciblent principalement les zones d'émissions industrielles localisées liées au pétrole et au gaz, estimant ces émissions grâce à l'acquisition de données d'imagerie à haute résolution spatiale. Le développement de ces satellites a également créé des conditions optimales pour la surveillance localisée des émissions de CH4, complétant ainsi les capacités mondiales de détection du CH4 depuis l'espace. De 2016 à 2021, GHGSat, une société canadienne spécialisée dans les satellites de surveillance des gaz à effet de serre, a lancé les satellites GHGSat-D, GHGSat-C1 et GHGSat-C2 et a achevé son réseau, relevant le seuil de surveillance des émissions de méthane à 100 kg/h et la résolution spatiale à 25 mètres, permettant ainsi une surveillance précise des sources d'émissions de méthane telles que les installations de production pétrolière et gazière terrestres et les gazoducs.

cas d'application de la surveillance du méthane par satellite

L'estimation des bilans de CH4 à l'échelle mondiale et régionale contribue à une meilleure compréhension de la distribution des sources et des puits de CH4 et fournit un cadre de référence pour la lutte contre le changement climatique. Actuellement, les données GOSAT sont largement utilisées pour estimer les flux de CH4 en surface, facilitant ainsi l'analyse de la distribution des sources et des puits de CH4 et de ses variations aux échelles mondiale et régionale. Elles fournissent des données fiables pour évaluer la contribution des différents secteurs aux émissions de CH4 et pour mieux comprendre l'évolution de la distribution des sources et des puits de CH4 et son impact sur le climat. TROPOMI, grâce à sa résolution spatio-temporelle plus élevée et à son volume de données nettement supérieur et plus précis que celui de GOSAT, excelle dans l'estimation fine des flux. Ces résultats apportent un soutien scientifique aux bilans mondiaux du méthane et permettent une meilleure compréhension des variations des sources et des puits de CH4.

Les données satellitaires à haute résolution spatio-temporelle sur le CH4 reflètent directement les processus d'émission anthropiques de ce gaz. TROPOMI a démontré son avantage en matière de détection spatio-temporelle continue pour la surveillance et l'estimation des émissions de CH4. Ses capacités de détection de haute précision permettent également la surveillance et la quantification des émissions régionales de CH4 provenant de sources diffuses. Combinées aux données de concentration atmosphérique de CO₂ mesurées simultanément, ces données permettent d'évaluer la stabilité des émissions locales de CH4 indépendamment des modèles de transport atmosphérique. La série de satellites commerciaux GHGSat, à haute résolution spatiale, est conçue pour acquérir les émissions ponctuelles de CH4 issues de la production industrielle. Grâce à l'identification des panaches d'émission de CH4 à fine échelle, ces satellites sont largement utilisés pour la surveillance et l'estimation des émissions locales.

Résultats de la distribution globale de la concentration de la colonne △CH4 (XCH4)

cas d'application de la surveillance du méthane par satellite

Les émissions anthropiques de CH4 contribuent fortement au réchauffement climatique, et leur détection régionale précise est essentielle pour le suivi et le contrôle de ces émissions. L'Institut des sciences physiques de Hefei, relevant de l'Académie chinoise des sciences, a obtenu des données sur le spectre d'absorption du CH4 dans le canal de 1,65 μm grâce à l'instrument GMI du satellite Gaofen-5. Les résultats de distribution globale de la concentration de CH4 (XCH4) obtenus sont très proches de ceux obtenus avec des instruments internationaux similaires.

Le Centre d'applications environnementales satellitaires du ministère de l'Écologie et de l'Environnement a mené une surveillance mondiale du CH4 atmosphérique à l'aide du satellite d'observation hyperspectrale intégré (HYSO) à l'automne 2022 (du 1er juillet au 30 septembre). Les résultats de cette surveillance ont clairement mis en évidence une distribution latitudinale marquée, et la précision de l'inversion du CH4 était supérieure à 20 ppm par rapport aux données de mesure de la station TCCON. La fuite du gazoduc Nord Stream en septembre 2022 a suscité une vive émotion internationale. Afin de suivre l'évolution de l'incident, le Centre d'applications environnementales satellitaires du ministère de l'Écologie et de l'Environnement a utilisé le satellite le 30 septembre pour effectuer une surveillance d'urgence le long du gazoduc Nord Stream. En collaboration avec l'Université de Wuhan, l'Université de Nanjing et d'autres institutions, il a procédé à l'identification et à la quantification par télédétection des anomalies d'émission de CH4, découvrant une anomalie d'émission relativement importante sur le gazoduc Nord Stream 2 à l'est de l'île de Bornholm, au Danemark, avec une émission estimée à environ 70 t/h.

△ Surveillance des anomalies d'émissions de CH4 le long du gazoduc Nord Stream à l'aide de satellites d'observation intégrés hyperspectraux

Après des années de construction et de développement, le système d'observation des gaz à effet de serre de mon pays a démontré son potentiel en matière de soutien intégré des données multi-sources spatiales, aériennes et terrestres. Ce système fournit non seulement des données et un soutien technique à la prévention et au contrôle de la pollution atmosphérique ainsi qu'à la prévision de la qualité de l'air, mais contribue également à la mise en place d'une plateforme mondiale d'observation des gaz à effet de serre par satellite. Durant le 14e plan quinquennal, mon pays poursuivra ses efforts de recherche et développement sur de nouveaux satellites et la construction de systèmes d'application, renforçant ainsi ses capacités de télédétection pour les principaux gaz à effet de serre et polluants atmosphériques mondiaux. Ces données de télédétection contribueront à la réalisation des objectifs stratégiques nationaux liés au « double bilan carbone » et à la lutte contre le changement climatique.

Voici quelques exemples de documents de référence provenant de :

Construction des satellites d'observation des gaz à effet de serre de mon pays et application des données typiques

Analyse de l'état actuel et des tendances de développement des satellites d'observation du méthane atmosphérique visant la neutralité carbone et le pic de carbone dans mon pays