Разработка и применение глобальных спутников для мониторинга метана

Технологии мониторинга метана, как правило, разрабатываются на основе оптических, химических и акустических принципов и включают в себя гиперспектральные инфракрасные спектрометры, тепловизоры, фотоионизационные детекторы и ультразвуковые детекторы. Эти устройства могут быть установлены непосредственно на производственных и транспортных объектах для онлайн-мониторинга или смонтированы на мобильных транспортных средствах, таких как автомобили, низковысотные летательные аппараты или дроны, для отбора проб и анализа в определенной области. Однако традиционные технологии мониторинга ограничены такими факторами, как трудозатраты, стоимость, время и пространство, что делает невозможным получение непрерывных и отслеживаемых данных о выбросах метана на больших территориях и не позволяет обнаруживать крупномасштабные утечки метана. Благодаря достижениям в области спутниковой дистанционной съемки, особенно в области гиперспектральной съемки, развитые страны ускоряют исследования и применение этой технологии в мониторинге метана, стремясь создать глобальную систему мониторинга метана.

△Краткий обзор характеристик спутников CH4, которые завершили или все еще находятся на орбите.

Разработка глобальных спутников для мониторинга метана

С углублением исследований глобального изменения климата и совершенствованием космических технологий обнаружения парниковых газов, число спутников для обнаружения метана начало быстро расти с 2017 года. Запуск множества спутников для обнаружения метана в коротковолновом инфракрасном диапазоне способствовал быстрому развитию глобальных исследований в области обнаружения и применения метана. После подписания Парижского соглашения область спутникового мониторинга метана вступила в период стремительного развития. Официальные космические агентства, такие как Европейское космическое агентство, Японское агентство аэрокосмических исследований и Итальянское космическое агентство, запустили спутники Sentinel-5P, GOSAT-2 и VEGA, несущие разработанные ими спектрометры Tropomi, FTS-2 и PRISMA соответственно, для глобального мониторинга выбросов метана. С точки зрения показателей эффективности, эти три агентства добились значительного прогресса в пороговых значениях мониторинга выбросов метана, а итальянский спектрометр PRISMA также достиг значительного улучшения пространственного разрешения, при этом точность наземного мониторинга достигла уровня 30 метров.

△Сравнительная таблица характеристик основных глобальных спутников мониторинга метана

Прогресс в разработке спутника мониторинга метана в моей стране.

Китай также запустил серию спутников для обнаружения атмосферного метана (CH4). Прибор для мониторинга парниковых газов (GMI) на борту спутника Gaofen-5 (GF-5) использует пространственную гетеродинную спектроскопию (SHS) для получения спектральных сигналов в ближнем инфракрасном и коротковолновом инфракрасном диапазоне (759–2058 нм), отличаясь высоким отношением сигнал/шум и беззеркальной работой. Спектральный диапазон GMI аналогичен SCIAMACHY, а его спектральное разрешение такое же, как у TANSO-FTS, что позволяет получать информацию о концентрации парниковых газов, таких как CH4 и CO2, обеспечивая данные для анализа источников и поглотителей парниковых газов. Гиперспектральный монитор парниковых газов (GAS) на борту спутника Fengyun-3D использует интерферометрическую спектроскопию для получения спектров высокого разрешения в четырех полосах в ближнем инфракрасном и коротковолновом инфракрасном диапазоне, используемых для получения информации о концентрации атмосферных компонентов, таких как CH4 и CO2, что улучшает количественную оценку потоков парниковых газов на поверхности в региональном масштабе.

△Спутник GHGSat осуществляет дистанционный мониторинг выбросов метана с нефтегазовых объектов.

Коммерческие спутники для мониторинга метана продолжают демонстрировать прогресс.

Коммерческие спутники в первую очередь нацелены на локализованные зоны выбросов нефтегазовой промышленности, оценивая объемы выбросов путем получения изображений с высоким пространственным разрешением. Разработка коммерческих спутников также создала отличные условия для локального мониторинга выбросов метана, дополняя глобальные возможности обнаружения метана с помощью космических аппаратов. С 2016 по 2021 год канадская компания GHGSat, занимающаяся разработкой спутников для мониторинга парниковых газов, запустила спутники GHGSat-D, GHGSat-C1 и GHGSat-C2 и завершила создание своей сети, повысив порог мониторинга выбросов метана и пространственное разрешение до 100 кг/ч и 25 метров соответственно, что позволило осуществлять точный мониторинг источников выбросов метана, таких как отдельные наземные нефтегазодобывающие объекты и газопроводы.

Примеры применения спутников для мониторинга метана

Оценка глобальных и региональных бюджетов метана может помочь улучшить наше понимание распределения источников и поглотителей метана и послужить ориентиром для решения проблем, связанных с будущими изменениями климата. В настоящее время данные GOSAT широко используются для оценки потоков метана на поверхности, что помогает в анализе распределения источников и поглотителей метана и изменений в глобальном и региональном масштабах. Они предоставляют надежные данные для оценки вклада различных секторов в выбросы метана и для более глубокого понимания изменений в распределении источников и поглотителей метана и их влияния на климат. TROPOMI, благодаря более высокому пространственно-временному разрешению и значительно большему и более точному объему данных, чем GOSAT, превосходит GOSAT в оценке потоков в мелком масштабе. Эти результаты обеспечивают научную поддержку глобального баланса метана и дальнейшее понимание изменений источников и поглотителей метана.

Высокоразрешенные по пространству и времени спутниковые данные о выбросах метана могут напрямую отражать антропогенные процессы выбросов метана. Спутник TROPOMI продемонстрировал свои преимущества в непрерывном пространственно-временном обнаружении для мониторинга и оценки выбросов метана, а его высокоточные возможности обнаружения также создают условия для мониторинга и количественной оценки региональных выбросов метана из площадей. В сочетании с синхронно регистрируемыми данными о концентрации CO2 в атмосфере стабильность локальных выбросов метана может быть оценена независимо без использования моделей атмосферного переноса. Серия коммерческих спутников GHGSat с высоким пространственным разрешением предназначена для сбора данных о точечных выбросах метана из промышленного производства. Благодаря выявлению мелкомасштабных шлейфов выбросов метана, они широко используются для локального мониторинга и оценки выбросов.

Результаты глобального распределения концентрации △CH4 в столбце (XCH4)

Примеры применения спутников для мониторинга метана

Антропогенные выбросы метана являются одним из основных факторов, способствующих значительному глобальному потеплению, и точное региональное определение метана имеет большое значение для мониторинга и контроля процессов антропогенных выбросов. Хэфэйские институты физических наук Китайской академии наук получили информацию о спектре поглощения метана в канале 1,65 мкм с помощью спутника Gaofen-5 GMI и получили результаты глобального распределения концентрации метана в столбе (XCH4), которые близки к результатам аналогичных международных приборов.

Центр спутниковых экологических приложений Министерства экологии и окружающей среды провел глобальный мониторинг атмосферного метана (CH4) с использованием гиперспектрального интегрированного наблюдательного спутника осенью 2022 года (с 1 июля по 30 сентября). Результаты мониторинга четко отразили очевидные особенности распределения по широте, а точность инверсии CH4 оказалась лучше 20 ppm по сравнению с данными измерений станции TCCON. Утечка природного газа из газопровода «Северный поток» в сентябре 2022 года привлекла широкое международное внимание. Для отслеживания развития инцидента Центр спутниковых экологических приложений Министерства экологии и окружающей среды 30 сентября использовал спутник для проведения экстренного мониторинга вдоль газопровода «Северный поток». Совместно с Уханьским университетом, Нанкинским университетом и другими учреждениями он провел дистанционное зондирование для идентификации и количественной оценки аномалий выбросов CH4, обнаружив относительно очевидную аномалию выбросов CH4 на газопроводе «Северный поток-2» к востоку от острова Борнхольм, Дания, с предполагаемым объемом выбросов около 70 т/ч.

△ Мониторинг аномалий выбросов метана вдоль газопровода «Северный поток» с использованием гиперспектрального интегрированного спутникового наблюдения.

После многих лет строительства и развития система наблюдения за парниковыми газами в моей стране продемонстрировала перспективность интегрированной многоисточниковой поддержки данных из космоса, воздуха и земли. Это не только обеспечивает данные и техническую поддержку для предотвращения и контроля загрязнения воздуха и прогнозирования качества воздуха в моей стране, но и способствует созданию глобальной многоспутниковой платформы наблюдения за парниковыми газами. В течение 14-й пятилетки моя страна продолжит наращивать усилия в области исследований и разработок новых спутников и создания прикладных систем,进一步 расширяя свои возможности дистанционного зондирования для мониторинга основных глобальных парниковых газов и загрязняющих веществ в воздухе, а также обеспечивая поддержку данных дистанционного зондирования для достижения национальных стратегических целей «двойного углеродного баланса» и решения глобальных проблем изменения климата.

Часть справочных материалов взята из следующих источников:

Создание национальных спутников для наблюдения за парниковыми газами и применение типичных данных.

Анализ текущего состояния и тенденций развития спутников наблюдения за атмосферным метаном с целью достижения углеродной нейтральности и пика выбросов углерода в моей стране.