В этом блоге представлены обоснованные мнения и точки зрения, касающиеся зарождающихся технологий в проектировании, ориентированном на данные. Мэтью Джонс (Шелл) и Филип Джонатан (Шелл, Ланкастерский университет) обсуждают важность мониторинга метана для уменьшения глобального потепления, различные технологии зондирования и методы определения местоположения источников необычных метановых сигналов.

Метан (CH₄) является основным парниковым газом и поглощает тепловое излучение более эффективно, чем двуокись углерода (CO₂). Таким образом, несмотря на то, что его гораздо меньше, чем CO₂ в атмосфере, CH₄ по-прежнему улавливает около половины общего количества тепла, удерживаемого CO₂. Относительно короткое время жизни CH₄ в атмосфере также означает, что любое сокращение антропогенных выбросов CH₄ приведет к более быстрому снижению потепления. Поэтому измерение CH₄ в атмосфере для выявления и характеристики источников антропогенных выбросов представляет очевидный интерес. В этом блоге обобщаются технологии обнаружения и методы вывода, недавно использованные нами и нашими коллегами для мониторинга метана; Вы можете нажать на гиперссылку для получения дополнительной информации.

Сенсорные технологии

Существует множество технологий обнаружения CH₄, подходящих для различных типов приложений в различных пространственных и временных масштабах. В глобальном масштабе такие спектрометры, как TROPOMI (на спутнике ESA Sentinel-5P), ежедневно обеспечивают интегрированные в столбец измерения концентрации CH4 с разрешением наземных пикселей около 7×7 км². Для непрерывного мониторинга выбросов из определенного места (например, предприятия по переработке газа) площадью порядка 1 км² возможно оптическое зондирование в пределах прямой видимости. Также доступны различные типы точечных датчиков; некоторые из них дешевы в развертывании, но это, как правило, происходит за счет точности. Оптическое зондирование с пилотируемых самолетов и дронов обеспечивает гибкие альтернативы, когда непрерывный мониторинг затруднен или нежелателен.

Местоположение источника

В принципе, мы можем напрямую использовать спутниковые измерения для оценки пространственного распределения CH4. Зондирование в пределах прямой видимости полезно для обнаружения аномалий, чтобы гарантировать отсутствие необычных сигналов CH4. Иногда полезно сделать вывод о присутствии CH4 путем измерения других газов, концентрация которых связана с концентрациями CH4. Если у нас достаточно знаний о поле ветра, мы можем использовать дистанционные измерения для триангуляции местоположения источника и оценки его характеристик; этот процесс обычно называют инверсией. Данные поля ветра используются в рамках модели рассеивания для описания того, как CH₄ распространяется от источника к месту измерения. Такая модель может быть очень простой (например, гауссов шлейф) или более сложной (например, численное решение дифференциального уравнения, описывающего адвекцию и диффузию газа). Характеристики источника и связанные с ними неопределенности могут быть рассчитаны с использованием Байесовского вывода; поскольку это может быть сложным с вычислительной точки зрения, для этого нам потребуются эффективные численные методы или приближения. Обычно необходимо оценить изменение фонового CH₄ в пространстве и во времени как часть инверсии.

Иногда, особенно для спутникового мониторинга, мы можем даже идентифицировать пространственный профиль шлейфа CH4, выходящего из источника, как на рисунке; в этом случае определить местоположение источника довольно просто! Иногда самолеты проводят измерения по спиральным траекториям вокруг известного местоположения источника на увеличивающихся высотах, а затем используют баланс массы для оценки количества CH4, выходящего из участка земли, соответствующего спирали. С развитием и внедрением усовершенствованной технологии мониторинга CH4, от большего количества спутниковых датчиков с более высоким разрешением до более дешевых и точных точечных датчиков, наши возможности количественного определения атмосферного метана постоянно улучшаются.

Конкурирующие интересы: Мэтью Джонс работает статистиком в Shell; Филип Джонатан — главный статистик Shell и заведующий кафедрой статистики окружающей среды и обработки данных в Ланкастерском университете.

Ключевые слова:мониторинг; дистанционное зондирование; ДКЭ; устойчивость

Это блог Data-Centric Engineering, журнала с открытым доступом, издаваемого издательством Cambridge University Press и поддерживаемого фондом Lloyd’s Register Foundation. Вы также можете найти нас в Твиттере. Вот инструкция по подаче статьи в журнал.