近日，美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员升级了一种高精度技术，该技术旨在监测甲烷(一种关键的温室气体)和其他微量气体的排放，即使在恶劣的野外条件下也是如此。测量甲烷排放并确定其来源是减少甲烷排放的重要一步——这是最近由150多个国家在2023年联合国气候变化会议上签署的全球甲烷承诺的目标。
NIST升级的排放监测技术使研究小组能够在两个月内估计科罗拉多州北部大约855平方公里(330平方英里)地区的甲烷排放量。这项研究调查了农业和石油天然气生产这两个主要排放源的排放，得出了两个意想不到的发现。首先，集中式动物饲养作业(cafo)的甲烷排放量高于预期。其次，尽管该研究区域的石油和天然气产量不断增加，但其总排放量在过去几年中似乎已经趋于稳定。
“收集这类数据对政策制定者很有用，他们可以看到排放是如何随着时间的推移而变化的，这样他们就可以相应地调整法规，”NIST研究员、该研究的合作者凯文·科塞尔(Kevin Cossel)说。
在100年的时间里，甲烷的全球变暖潜力大约是二氧化碳的30倍。大幅减少甲烷排放有助于降低气候变化的风险。但要控制甲烷排放，你需要测量它们，这带来了许多技术挑战。
追踪甲烷排放的传统方法是基于经济活动。例如，人们可以通过将那里的动物数量乘以每只动物排放的甲烷量来计算一个CAFO的排放量。另一方面，NIST的方法是通过直接测量大气中甲烷和其他气体的变化来估计排放量。
用光谱学进行精密发射测量
NIST的装置使用频率梳，这是一种特殊类型的激光，具有广谱的颜色或波长来测量空气中沿路径的气体浓度。甲烷和其他气体会吸收特定波长的光，这些光经过安装在附近位置的镜子反射后返回装置。第二个频率梳精确测量在这些波长上吸收了多少光，以确定这些气体的浓度，并帮助确定产生发射的源的类型。
这种频率梳状光谱仪的先前版本已经使用了几年，但最新版本拥有改进的稳健性，便携性和对不同气候的适应性。
Cossel说:“我们将该系统的早期版本应用到现场，但如果你看一下数据，就会发现当系统无法正常工作时，会有很多停机时间。”“我们重建了系统，使其温度更稳定，并改进了数据收集过程。”
NIST研究员兼论文合著者Griffin Mead强调，与之前版本的局限性相比，该系统在恶劣条件下的恢复能力更强。米德说:“我们不是在天气好的春季或秋季进行这些测量的。”“那是在科罗拉多州的冬天;外面下着雪，下着雨夹雪，下着冰雹，气温很低。但是这个新系统在这种极端天气下运行得很好，而以前的版本无法在这种条件下工作。”
该系统的核心是由电信行业使用的光纤激光器制成的频率梳，目前已经商业化，为公司和实验室在全国范围内复制该系统打开了大门。
除了甲烷
新系统不仅可以测量甲烷，还可以测量乙烷和氨等其他气体。通过同时测量和分析多种气体之间的相关性，该研究旨在区分石油、天然气和农业部门的贡献，然后将其用于改进排放估算。这可以更全面地了解这些污染物的来源和影响。
随着Mead和Cossel计划测量废水处理厂排放的一氧化二氮等其他气体，排放监测的未来看起来很光明。“我们的目标是进一步提高系统的灵敏度和精度，扩大我们的研究领域。未来几年，我们将在盐湖城附近进行研究，这将提供一些地区差异。”科塞尔说。
随着国际社会加强对减少甲烷的关注，这项技术可以在为科学家、行业领袖和政策制定者提供准确和可操作的信息方面发挥关键作用。
相关论文：Apportionment and Inventory Optimization of Agriculture and Energy Sector Methane Emissions using Multi-month Trace Gas Measurements in Northern Colorado. Geophysical Research Letters. Published online Jan. 9, 2024. DOI: 10.1029/2023GL105973.
