Phát triển và ứng dụng vệ tinh giám sát khí mêtan toàn cầu.

Các công nghệ giám sát khí metan thường được thiết kế dựa trên các nguyên lý quang học, hóa học và âm học, chủ yếu bao gồm máy quang phổ hình ảnh hồng ngoại siêu phổ, máy ảnh nhiệt, máy dò quang ion hóa và máy dò siêu âm. Các thiết bị này có thể được lắp đặt trực tiếp tại các cơ sở sản xuất và vận chuyển để giám sát trực tuyến, hoặc gắn trên các phương tiện di động như xe cộ, máy bay tầm thấp hoặc máy bay không người lái để lấy mẫu và phân tích tại một khu vực cụ thể. Tuy nhiên, các công nghệ giám sát truyền thống bị hạn chế bởi các yếu tố như nhân lực, chi phí, thời gian và không gian, khiến việc thu thập dữ liệu phát thải khí metan liên tục và có thể truy vết trên diện tích lớn trở nên bất khả thi, và thiếu khả năng phát hiện rò rỉ khí metan quy mô lớn. Với những tiến bộ trong công nghệ viễn thám vệ tinh, đặc biệt là công nghệ hình ảnh siêu phổ, các nước phát triển đang đẩy nhanh nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này trong giám sát khí metan, nhằm mục tiêu xây dựng một hệ thống giám sát khí metan toàn cầu.

△Tóm tắt hiệu suất hoạt động của các vệ tinh CH4 đã hoàn thành hoặc vẫn đang trên quỹ đạo.

Phát triển các vệ tinh giám sát khí metan toàn cầu

Với sự nghiên cứu sâu rộng về biến đổi khí hậu toàn cầu và sự hoàn thiện của công nghệ phát hiện khí nhà kính từ không gian, số lượng vệ tinh phát hiện CH4 bắt đầu tăng nhanh từ năm 2017. Việc phóng nhiều vệ tinh phát hiện CH4 dựa trên dải hồng ngoại sóng ngắn đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của nghiên cứu ứng dụng và phát hiện CH4 toàn cầu. Sau khi Hiệp định Paris được ký kết, lĩnh vực giám sát khí mêtan bằng vệ tinh đã bước vào giai đoạn phát triển nhanh chóng. Các cơ quan vũ trụ chính thức như Cơ quan Vũ trụ châu Âu, Cơ quan Thám hiểm Không gian Nhật Bản và Cơ quan Vũ trụ Ý đã lần lượt phóng các vệ tinh Sentinel-5P, GOSAT-2 và VEGA, mang theo các máy quang phổ Tropomi, FTS-2 và PRISMA do chính họ phát triển để giám sát lượng khí mêtan phát thải trên toàn cầu. Về các chỉ số hiệu suất, ba cơ quan này đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc xác định ngưỡng giám sát khí mêtan, trong khi máy quang phổ PRISMA của Ý cũng đạt được sự cải thiện đáng kể về độ phân giải không gian, với độ chính xác giám sát mặt đất đạt mức 30 mét.

△Bảng so sánh hiệu suất của các vệ tinh giám sát khí metan toàn cầu chính

Tiến độ phát triển vệ tinh giám sát khí metan của nước tôi

Trung Quốc cũng đã phóng một loạt vệ tinh để phát hiện khí CH4 trong khí quyển. Thiết bị giám sát khí nhà kính (GMI) trên vệ tinh Gaofen-5 (GF-5) sử dụng quang phổ giao thoa không gian (SHS) để thu tín hiệu quang phổ trong dải hồng ngoại gần đến hồng ngoại sóng ngắn (759–2058 nm), với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao và hoạt động không cần gương phản xạ. Phạm vi quang phổ của GMI tương tự như SCIAMACHY, và độ phân giải quang phổ của nó giống với TANSO-FTS, cho phép nó thu thập thông tin về nồng độ khí nhà kính như CH4 và CO2, cung cấp dữ liệu hỗ trợ cho phân tích nguồn-lưu lượng khí nhà kính. Thiết bị giám sát khí nhà kính siêu phổ (GAS) trên vệ tinh Fengyun-3D sử dụng quang phổ giao thoa để thu thập quang phổ độ phân giải cao trong bốn cửa sổ dải tần trong phạm vi hồng ngoại gần đến hồng ngoại sóng ngắn, được sử dụng để thu thập thông tin về nồng độ các thành phần khí quyển như CH4 và CO2, cải thiện ước tính định lượng dòng khí nhà kính bề mặt ở quy mô khu vực.

△Vệ tinh GHGSat giám sát từ xa lượng khí thải metan từ các cơ sở khai thác dầu khí.

Các vệ tinh giám sát khí metan thương mại tiếp tục đạt được những tiến bộ đáng kể.

Các vệ tinh thương mại chủ yếu nhắm mục tiêu vào các khu vực phát thải công nghiệp dầu khí cục bộ, ước tính lượng phát thải bằng cách thu thập dữ liệu hình ảnh có độ phân giải không gian cao. Sự phát triển của các vệ tinh thương mại cũng đã tạo ra điều kiện tuyệt vời cho việc giám sát phát thải CH4 cục bộ, bổ sung cho khả năng phát hiện CH4 trên không gian toàn cầu. Từ năm 2016 đến năm 2021, GHGSat, một công ty vệ tinh khí nhà kính của Canada, đã phóng các vệ tinh GHGSat-D, GHGSat-C1 và GHGSat-C2 và hoàn thiện mạng lưới của chúng, nâng ngưỡng giám sát phát thải khí metan và độ phân giải không gian lên lần lượt là 100 kg/giờ và 25 mét, cho phép giám sát chính xác các nguồn phát thải khí metan như các cơ sở sản xuất dầu khí trên mặt đất riêng lẻ và đường ống dẫn khí tự nhiên.

Các trường hợp ứng dụng vệ tinh giám sát khí metan

Việc ước tính ngân sách CH4 toàn cầu và khu vực có thể giúp cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về phân bố nguồn-lưu trữ CH4 và cung cấp cơ sở tham khảo để giải quyết biến đổi khí hậu trong tương lai. Hiện nay, dữ liệu GOSAT được sử dụng rộng rãi để ước tính lưu lượng CH4 bề mặt, hỗ trợ phân tích phân bố nguồn-lưu trữ CH4 và những thay đổi ở quy mô toàn cầu và khu vực. Nó cung cấp bằng chứng đáng tin cậy để đánh giá đóng góp của các ngành khác nhau vào phát thải CH4 và để hiểu sâu hơn về những thay đổi trong phân bố nguồn-lưu trữ CH4 và tác động của chúng đến khí hậu. TROPOMI, với độ phân giải không gian và thời gian cao hơn và khối lượng dữ liệu lớn hơn và chính xác hơn đáng kể so với GOSAT, vượt trội trong việc ước tính lưu lượng ở quy mô nhỏ. Những phát hiện này cung cấp dữ liệu khoa học hỗ trợ cho việc lập ngân sách khí mêtan toàn cầu và hiểu biết sâu hơn về những thay đổi nguồn-lưu trữ CH4.

Dữ liệu CH4 từ vệ tinh với độ phân giải không gian và thời gian cao có thể phản ánh trực tiếp các quá trình phát thải CH4 do con người gây ra. Vệ tinh TROPOMI đã chứng minh ưu điểm của mình trong việc phát hiện liên tục theo không gian và thời gian để giám sát và ước tính phát thải CH4, và khả năng phát hiện chính xác cao của nó cũng tạo điều kiện cho việc giám sát và định lượng phát thải CH4 từ các nguồn khu vực. Kết hợp với dữ liệu nồng độ CO trong khí quyển được phát hiện đồng thời, tính ổn định của phát thải CH4 cục bộ có thể được đánh giá độc lập mà không cần đến các mô hình vận chuyển khí quyển. Dòng vệ tinh thương mại GHGSat, với độ phân giải không gian cao, được thiết kế để thu thập dữ liệu phát thải CH4 từ các nguồn điểm trong sản xuất công nghiệp. Bằng cách xác định các luồng phát thải CH4 quy mô nhỏ, chúng đã được sử dụng rộng rãi trong việc giám sát và ước tính phát thải cục bộ.

Kết quả phân bố toàn cầu của nồng độ cột △CH4 (XCH4)

Các trường hợp ứng dụng vệ tinh giám sát khí metan

Phát thải CH4 do hoạt động của con người là một yếu tố chính góp phần gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu đáng kể, và việc phát hiện CH4 chính xác ở cấp độ khu vực có ý nghĩa hướng dẫn rất lớn đối với việc giám sát và kiểm soát các quá trình phát thải do con người gây ra. Viện Khoa học Vật lý Hợp Phê, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã thu được thông tin về phổ hấp thụ CH4 trong kênh 1,65 μm bằng cách sử dụng thiết bị đo GMI vệ tinh Gaofen-5, và thu được kết quả phân bố toàn cầu về nồng độ cột CH4 (XCH4) gần giống với kết quả của các thiết bị tương tự trên thế giới.

Trung tâm Ứng dụng Môi trường Vệ tinh thuộc Bộ Sinh thái và Môi trường đã tiến hành giám sát khí quyển CH4 toàn cầu bằng vệ tinh quan sát tích hợp siêu phổ vào mùa thu năm 2022 (từ ngày 1 tháng 7 đến ngày 30 tháng 9). Kết quả giám sát phản ánh rõ ràng đặc điểm phân bố theo vĩ độ, và độ chính xác đảo ngược CH4 tốt hơn 20 ppm so với dữ liệu đo tại trạm TCCON. Sự cố rò rỉ đường ống dẫn khí tự nhiên Nord Stream vào tháng 9 năm 2022 đã thu hút sự chú ý rộng rãi của quốc tế. Để theo dõi diễn biến sự cố, Trung tâm Ứng dụng Môi trường Vệ tinh thuộc Bộ Sinh thái và Môi trường đã sử dụng vệ tinh vào ngày 30 tháng 9 để tiến hành giám sát khẩn cấp dọc theo đường ống dẫn khí tự nhiên Nord Stream. Phối hợp với Đại học Vũ Hán, Đại học Nam Kinh và các tổ chức khác, trung tâm đã tiến hành nhận dạng và định lượng từ xa các dị thường phát thải CH4, phát hiện một dị thường phát thải CH4 tương đối rõ ràng trên đường ống Nord Stream 2 phía đông đảo Bornholm, Đan Mạch, với ước tính phát thải khoảng 70 tấn/giờ.

△ Giám sát các bất thường về phát thải CH4 dọc theo đường ống dẫn khí tự nhiên Nord Stream dựa trên vệ tinh quan sát tích hợp siêu phổ

Sau nhiều năm xây dựng và phát triển, hệ thống quan trắc khí nhà kính của nước ta đã cho thấy tiềm năng hỗ trợ dữ liệu đa nguồn tích hợp từ không gian-không khí-mặt đất. Điều này không chỉ cung cấp dữ liệu và hỗ trợ kỹ thuật cho công tác phòng chống ô nhiễm không khí và dự báo chất lượng không khí của nước ta, mà còn góp phần xây dựng nền tảng quan trắc khí nhà kính đa vệ tinh toàn cầu. Trong giai đoạn Kế hoạch 5 năm lần thứ 14, nước ta sẽ tiếp tục tăng cường nỗ lực nghiên cứu và phát triển các vệ tinh mới và xây dựng các hệ thống ứng dụng, nâng cao hơn nữa khả năng giám sát từ xa đối với các khí nhà kính và chất ô nhiễm không khí chính trên toàn cầu, đồng thời cung cấp dữ liệu giám sát từ xa hỗ trợ việc đạt được các mục tiêu chiến lược "giảm phát thải carbon kép" quốc gia và giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu.

Một số tài liệu tham khảo được lấy từ:

Xây dựng các vệ tinh quan sát khí nhà kính của nước ta và ứng dụng dữ liệu tiêu biểu.

Phân tích hiện trạng và xu hướng phát triển của các vệ tinh quan sát khí mêtan trong khí quyển nhằm mục tiêu trung hòa carbon và đạt đỉnh carbon ở nước ta.