กรณีศึกษาการพัฒนาและการประยุกต์ใช้ดาวเทียมตรวจสอบก๊าซมีเทนทั่วโลก

เทคโนโลยีการตรวจสอบมีเทนโดยทั่วไปได้รับการออกแบบโดยอาศัยหลักการทางแสง เคมี และเสียง โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วยเครื่องสเปกโตรมิเตอร์ภาพอินฟราเรดแบบไฮเปอร์สเปกตรัม กล้องถ่ายภาพความร้อน เครื่องตรวจจับโฟโตไอออนไนเซชัน และเครื่องตรวจจับอัลตราโซนิก อุปกรณ์เหล่านี้สามารถติดตั้งโดยตรงในโรงงานผลิตและขนส่งเพื่อตรวจสอบแบบเรียลไทม์ หรือติดตั้งบนยานพาหนะเคลื่อนที่ เช่น รถยนต์ เครื่องบินระดับต่ำ หรือโดรน เพื่อเก็บตัวอย่างและวิเคราะห์ในพื้นที่เฉพาะ อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีการตรวจสอบแบบดั้งเดิมมีข้อจำกัดหลายประการ เช่น กำลังคน ค่าใช้จ่าย เวลา และพื้นที่ ทำให้ไม่สามารถได้ข้อมูลการปล่อยมีเทนอย่างต่อเนื่องและตรวจสอบย้อนกลับได้ในพื้นที่ขนาดใหญ่ และขาดความสามารถในการตรวจจับการรั่วไหลของมีเทนขนาดใหญ่ ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการสำรวจระยะไกลด้วยดาวเทียม โดยเฉพาะเทคโนโลยีภาพไฮเปอร์สเปกตรัม ประเทศที่พัฒนาแล้วกำลังเร่งการวิจัยและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้ในการตรวจสอบมีเทน โดยมีเป้าหมายเพื่อสร้างระบบตรวจสอบมีเทนระดับโลก

△สรุปผลการปฏิบัติงานของดาวเทียม CH4 ที่เสร็จสิ้นภารกิจแล้วหรือยังคงโคจรอยู่ในวงโคจร

การพัฒนาดาวเทียมตรวจสอบก๊าซมีเทนทั่วโลก

ด้วยการวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลกและความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการตรวจจับก๊าซเรือนกระจกจากอวกาศ จำนวนดาวเทียมตรวจจับ CH4 จึงเริ่มเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตั้งแต่ปี 2017 การปล่อยดาวเทียมตรวจจับ CH4 หลายดวงโดยใช้คลื่นอินฟราเรดระยะสั้นได้ส่งเสริมการพัฒนาอย่างรวดเร็วของการตรวจจับ CH4 และการวิจัยประยุกต์ใช้ทั่วโลก หลังจากลงนามในข้อตกลงปารีสแล้ว สาขาการเฝ้าระวังก๊าซมีเทนด้วยดาวเทียมได้เข้าสู่ช่วงการพัฒนาอย่างรวดเร็ว หน่วยงานอวกาศอย่างเป็นทางการ เช่น องค์การอวกาศยุโรป องค์การสำรวจอวกาศแห่งญี่ปุ่น และองค์การอวกาศอิตาลี ได้ปล่อยดาวเทียม Sentinel-5P, GOSAT-2 และ VEGA ตามลำดับ ซึ่งบรรทุกเครื่องวัดสเปกตรัม Tropomi, FTS-2 และ PRISMA ที่พัฒนาขึ้นเองเพื่อเฝ้าระวังการปล่อยก๊าซมีเทนทั่วโลก ในแง่ของตัวชี้วัดประสิทธิภาพ หน่วยงานทั้งสามนี้ได้มีความก้าวหน้าอย่างมากในเกณฑ์การเฝ้าระวังการปล่อยก๊าซมีเทน ในขณะที่เครื่องวัดสเปกตรัม PRISMA ของอิตาลีก็มีการพัฒนาความละเอียดเชิงพื้นที่อย่างมีนัยสำคัญ โดยมีความแม่นยำในการเฝ้าระวังภาคพื้นดินสูงถึงระดับ 30 เมตร

△แผนภูมิเปรียบเทียบประสิทธิภาพของดาวเทียมตรวจวัดก๊าซมีเทนหลักๆ ทั่วโลก

ความคืบหน้าของดาวเทียมตรวจวัดก๊าซมีเทนของประเทศของฉัน

จีนยังได้ปล่อยดาวเทียมหลายดวงเพื่อตรวจจับก๊าซมีเทน (CH4) ในชั้นบรรยากาศ เครื่องมือตรวจวัดก๊าซเรือนกระจก (GMI) บนดาวเทียม Gaofen-5 (GF-5) ใช้เทคนิคสเปกโทรสโกปีแบบเฮเทอโรไดน์เชิงพื้นที่ (SHS) ในการรับสัญญาณสเปกตรัมในช่วงคลื่นอินฟราเรดใกล้ถึงอินฟราเรดคลื่นสั้น (759–2058 นาโนเมตร) ซึ่งมีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูงและทำงานโดยไม่ต้องใช้กระจก ช่วงสเปกตรัมของ GMI คล้ายกับ SCIAMACHY และความละเอียดของสเปกตรัมเท่ากับ TANSO-FTS ทำให้สามารถเก็บข้อมูลความเข้มข้นของก๊าซเรือนกระจก เช่น CH4 และ CO2 ซึ่งเป็นข้อมูลสนับสนุนสำหรับการวิเคราะห์แหล่งกำเนิดและแหล่งสะสมของก๊าซเรือนกระจก เครื่องตรวจวัดก๊าซเรือนกระจกแบบไฮเปอร์สเปกตรัม (GAS) บนดาวเทียมเฟิงหยุน-3D ใช้สเปกโทรสโกปีแบบอินเตอร์เฟอโรเมตริกในการเก็บรวบรวมสเปกตรัมความละเอียดสูงในสี่ช่วงคลื่น ตั้งแต่ช่วงอินฟราเรดใกล้ไปจนถึงอินฟราเรดคลื่นสั้น ซึ่งใช้ในการหาข้อมูลความเข้มข้นขององค์ประกอบในชั้นบรรยากาศ เช่น CH4 และ CO2 ช่วยปรับปรุงการประมาณค่าเชิงปริมาณของการไหลของก๊าซเรือนกระจกที่พื้นผิวในระดับภูมิภาค

△ดาวเทียม GHGSat ใช้ระบบตรวจวัดระยะไกลเพื่อตรวจสอบการปล่อยก๊าซมีเทนจากโรงงานผลิตน้ำมันและก๊าซ

ดาวเทียมตรวจสอบก๊าซมีเทนเชิงพาณิชย์ยังคงพัฒนาไปอย่างต่อเนื่อง

ดาวเทียมเชิงพาณิชย์มุ่งเป้าไปที่พื้นที่ปล่อยมลพิษจากอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซเป็นหลัก โดยประเมินการปล่อยมลพิษด้วยการเก็บรวบรวมข้อมูลภาพที่มีความละเอียดเชิงพื้นที่สูง การพัฒนาดาวเทียมเชิงพาณิชย์ยังสร้างเงื่อนไขที่ดีเยี่ยมสำหรับการตรวจสอบการปล่อยก๊าซมีเทน (CH4) ในพื้นที่ ซึ่งเป็นการเสริมศักยภาพการตรวจจับก๊าซมีเทนจากอวกาศในระดับโลก ตั้งแต่ปี 2016 ถึง 2021 บริษัท GHGSat ซึ่งเป็นบริษัทดาวเทียมก๊าซเรือนกระจกของแคนาดา ได้ปล่อยดาวเทียม GHGSat-D, GHGSat-C1 และ GHGSat-C2 และสร้างเครือข่ายดาวเทียมให้สมบูรณ์ ทำให้เกณฑ์การตรวจสอบการปล่อยก๊าซมีเทนและความละเอียดเชิงพื้นที่เพิ่มขึ้นเป็น 100 กก./ชม. และ 25 เมตร ตามลำดับ ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจสอบแหล่งกำเนิดก๊าซมีเทนได้อย่างแม่นยำ เช่น โรงงานผลิตน้ำมันและก๊าซบนพื้นดิน และท่อส่งก๊าซธรรมชาติ

กรณีศึกษาการประยุกต์ใช้ดาวเทียมตรวจวัดมีเทน

การประมาณงบประมาณ CH4 ระดับโลกและระดับภูมิภาคสามารถช่วยให้เราเข้าใจการกระจายตัวของแหล่งกำเนิดและแหล่งดูดซับ CH4 ได้ดียิ่งขึ้น และเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการรับมือกับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศในอนาคต ปัจจุบัน ข้อมูลจาก GOSAT ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการประมาณการไหลของ CH4 บนพื้นผิว ซึ่งช่วยในการวิเคราะห์การกระจายตัวของแหล่งกำเนิดและแหล่งดูดซับ CH4 และการเปลี่ยนแปลงในระดับโลกและระดับภูมิภาค ข้อมูลดังกล่าวให้หลักฐานที่น่าเชื่อถือสำหรับการประเมินการมีส่วนร่วมของภาคส่วนต่างๆ ในการปล่อย CH4 และเพื่อทำความเข้าใจอย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงในการกระจายตัวของแหล่งกำเนิดและแหล่งดูดซับ CH4 และผลกระทบต่อสภาพภูมิอากาศ TROPOMI ด้วยความละเอียดเชิงพื้นที่และเวลาที่สูงกว่า และปริมาณข้อมูลที่ใหญ่กว่าและแม่นยำกว่า GOSAT อย่างมาก จึงมีความโดดเด่นในการประมาณการไหลในระดับละเอียด ผลการค้นพบเหล่านี้ให้การสนับสนุนข้อมูลทางวิทยาศาสตร์สำหรับการจัดทำงบประมาณมีเทนระดับโลกและความเข้าใจเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของแหล่งกำเนิดและแหล่งดูดซับ CH4

ข้อมูลก๊าซมีเทน (CH4) จากดาวเทียมที่มีความละเอียดเชิงพื้นที่และเวลาสูง สามารถสะท้อนกระบวนการปล่อยก๊าซมีเทนจากกิจกรรมของมนุษย์ได้โดยตรง ดาวเทียม TROPOMI ได้แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบในการตรวจจับอย่างต่อเนื่องทั้งในเชิงพื้นที่และเวลาสำหรับการติดตามและประเมินการปล่อยก๊าซมีเทน และความสามารถในการตรวจจับที่มีความแม่นยำสูงยังสร้างเงื่อนไขสำหรับการติดตามและวัดปริมาณการปล่อยก๊าซมีเทนจากแหล่งกำเนิดในระดับภูมิภาค เมื่อรวมกับข้อมูลความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO) ในบรรยากาศที่ตรวจจับได้พร้อมกัน ความเสถียรของการปล่อยก๊าซมีเทนในพื้นที่สามารถประเมินได้อย่างอิสระโดยไม่ต้องใช้แบบจำลองการขนส่งในบรรยากาศ ดาวเทียมเชิงพาณิชย์ตระกูล GHGSat ซึ่งมีความละเอียดเชิงพื้นที่สูง ได้รับการออกแบบมาเพื่อเก็บข้อมูลการปล่อยก๊าซมีเทนจากแหล่งกำเนิดแบบจุดจากการผลิตทางอุตสาหกรรม โดยการระบุกลุ่มก๊าซมีเทนขนาดเล็ก ดาวเทียมเหล่านี้จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการติดตามและประเมินการปล่อยก๊าซในพื้นที่

ผลการกระจายตัวทั่วโลกของความเข้มข้นของคอลัมน์ △CH4 (XCH4)

กรณีศึกษาการประยุกต์ใช้ดาวเทียมตรวจวัดมีเทน

การปล่อยก๊าซมีเทน (CH4) จากกิจกรรมของมนุษย์เป็นปัจจัยสำคัญที่ก่อให้เกิดภาวะโลกร้อนอย่างมีนัยสำคัญ และการตรวจวัดก๊าซมีเทนในระดับภูมิภาคอย่างแม่นยำมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการติดตามและควบคุมกระบวนการปล่อยก๊าซจากกิจกรรมของมนุษย์ สถาบันวิทยาศาสตร์กายภาพเหอเฟย สังกัดสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งประเทศจีน ได้รับข้อมูลสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของก๊าซมีเทนในช่องสัญญาณ 1.65 ไมโครเมตร โดยใช้เครื่องมือตรวจวัด GMI จากดาวเทียม Gaofen-5 และได้ผลลัพธ์การกระจายตัวทั่วโลกของความเข้มข้นของคอลัมน์ก๊าซมีเทน (XCH4) ที่ใกล้เคียงกับผลลัพธ์จากเครื่องมือตรวจวัดระดับนานาชาติที่คล้ายคลึงกัน

ศูนย์ประยุกต์ใช้ด้านสิ่งแวดล้อมผ่านดาวเทียม กระทรวงนิเวศวิทยาและสิ่งแวดล้อม ได้ทำการตรวจสอบก๊าซมีเทน (CH4) ในชั้นบรรยากาศโลกโดยใช้ดาวเทียมสังเกตการณ์แบบบูรณาการไฮเปอร์สเปกตรัมในช่วงฤดูใบไม้ร่วงปี 2565 (1 กรกฎาคม ถึง 30 กันยายน) ผลการตรวจสอบแสดงให้เห็นถึงลักษณะการกระจายตัวตามละติจูดอย่างชัดเจน และความแม่นยำในการคำนวณค่า CH4 ดีกว่า 20 ppm เมื่อเทียบกับข้อมูลการวัดจากสถานี TCCON เหตุการณ์ท่อส่งก๊าซธรรมชาติ Nord Stream รั่วในเดือนกันยายน 2565 ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในระดับนานาชาติ เพื่อติดตามความคืบหน้าของเหตุการณ์ ศูนย์ประยุกต์ใช้ด้านสิ่งแวดล้อมผ่านดาวเทียม กระทรวงนิเวศวิทยาและสิ่งแวดล้อม ได้ใช้ดาวเทียมในวันที่ 30 กันยายน เพื่อทำการตรวจสอบฉุกเฉินตามแนวท่อส่งก๊าซธรรมชาติ Nord Stream โดยร่วมมือกับมหาวิทยาลัยหวู่ฮั่น มหาวิทยาลัยหนานจิง และสถาบันอื่นๆ ได้ทำการระบุและวัดปริมาณความผิดปกติของการปล่อยก๊าซ CH4 จากระยะไกล และพบความผิดปกติของการปล่อยก๊าซ CH4 ที่ค่อนข้างชัดเจนบนท่อส่งก๊าซ Nord Stream 2 ทางตะวันออกของเกาะบอร์นโฮล์ม ประเทศเดนมาร์ก โดยมีปริมาณการปล่อยก๊าซประมาณ 70 ตันต่อชั่วโมง

△ การตรวจสอบความผิดปกติของการปล่อยก๊าซ CH4 ตามแนวท่อส่งก๊าซธรรมชาติ Nord Stream โดยใช้ดาวเทียมสังเกตการณ์แบบบูรณาการไฮเปอร์สเปกตรัม

หลังจากหลายปีของการก่อสร้างและพัฒนา ระบบการตรวจวัดก๊าซเรือนกระจกของประเทศผมได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการสนับสนุนข้อมูลแบบบูรณาการจากหลายแหล่งข้อมูล ทั้งอวกาศ อากาศ และภาคพื้นดิน ซึ่งไม่เพียงแต่จะให้ข้อมูลและการสนับสนุนทางเทคนิคสำหรับการป้องกันและควบคุมมลพิษทางอากาศและการพยากรณ์คุณภาพอากาศของประเทศผมเท่านั้น แต่ยังช่วยสนับสนุนการสร้างแพลตฟอร์มการตรวจวัดก๊าซเรือนกระจกแบบหลายดาวเทียมระดับโลกอีกด้วย ในช่วงแผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติฉบับที่ 14 ประเทศผมจะยังคงเพิ่มความพยายามในการวิจัยและพัฒนาดาวเทียมใหม่ๆ และการสร้างระบบประยุกต์ใช้งาน เพื่อเพิ่มขีดความสามารถในการตรวจวัดระยะไกลสำหรับก๊าซเรือนกระจกและมลพิษทางอากาศที่สำคัญของโลก และให้การสนับสนุนข้อมูลการตรวจวัดระยะไกลเพื่อบรรลุเป้าหมายเชิงกลยุทธ์ "คาร์บอนคู่" ของประเทศและแก้ไขปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลก

เอกสารอ้างอิงบางส่วนมาจาก:

การก่อสร้างดาวเทียมสังเกตการณ์ก๊าซเรือนกระจกของประเทศและการประยุกต์ใช้ข้อมูลทั่วไป

การวิเคราะห์สถานะปัจจุบันและแนวโน้มการพัฒนาของดาวเทียมสังเกตการณ์ก๊าซมีเทนในชั้นบรรยากาศ โดยมีเป้าหมายเพื่อการบรรลุความเป็นกลางทางคาร์บอนและจุดสูงสุดของการปล่อยคาร์บอนในประเทศของฉัน