新型卫星可精确定位甲烷泄漏，帮助我们应对气候变化

2019 年 1 月 13 日，在试图测量土库曼斯坦泥火山的温室气体排放量时，一颗名为克莱尔的微波大小的卫星偶然发现了意想不到的事情：一团巨大的甲烷云从山峰南侧的一个区域溢出。“我们不敢相信这么大的东西真的在那里，”运营克莱尔的蒙特利尔公司 GHGSat 的首席执行官兼联合创始人斯蒂芬·杰曼 (Stephane Germain) 说。杰曼和同事们很好奇这些气体可能来自哪里，他们查看了该地区的图像，并将目标锁定在一个名为科尔佩热的天然气设施上。污染源似乎是一条管道。

该公司通过外交渠道将信息传递给土库曼斯坦官员。几个月后，克莱尔飞越科尔佩热时发现烟柱消失了。人们猜测烟柱可能是来自有漏洞的设备，但现场管理人员已经修补好了。

克莱尔的发现为解决一个对气候具有深远影响的谜团指明了新方向：究竟有哪些具体原因导致了强效温室气体甲烷的危险增加？在不到70年的时间里，甲烷在大气中的浓度几乎翻了一番。

几十年来，关注气候变化的环保人士和政策制定者一直关注二氧化碳，这种最丰富的温室气体。40 年前，当科学家们开始对其不断上升的水平发出警告时，我们似乎还有时间迫使造成大部分二氧化碳排放的行业（包括交通和能源）采取行动。人们希望，诸如对车辆更严格的油耗要求和对将大气用作垃圾场的公司处以罚款等法规将激励人们减少排放。但魁北克、加利福尼亚和欧洲的限额与交易市场以及 2015 年自愿签署的《巴黎协定》还不足以限制全球变暖的影响，现在澳大利亚的森林大火和休斯顿的街道被洪水淹没就是明证。“如果你想及时采取行动实现巴黎目标，你需要更快的反应，”物理学家比尔·赫斯特 (Bill Hirst) 说，他在 2020 年 6 月之前担任天然气和石油巨头壳牌的大气监测首席科学家。

这种紧迫性使得甲烷（CH₄）在短期内成为更重要的目标。二氧化碳在大气中停留 100 年或更长时间，因此至少在 2100 年代之前，控制其排放不会影响气候。另一方面，甲烷在十年后开始分解，但经过 20 年，其效力是二氧化碳的 84 倍。降低甲烷的排放，等到 Greta Thunberg 获得博士学位时，你就会看到结果。“大幅减少甚至将工业 CH₄ 排放量降至零应该是一件轻而易举的事，”美国国家海洋和大气管理局碳循环小组的附属研究科学家 Gabrielle Pétron 说。

自 2009 年以来，包括 NASA 维护的卫星在内的卫星一直在环绕地球，量化温室气体，用于气候建模。但这些轨道器的设计目的是测量整个地球的排放浓度，而不是识别特定来源，例如土库曼斯坦管道中的泄漏阀门。克莱尔是新一代小型、廉价航天器的一部分，这些航天器目前已在飞行中、准备发射或处于规划阶段。较新的型号拥有更高分辨率的设备，能够精确定位排放源。

当然，还有其他方法可以对甲烷进行分类。就在三年前，在车顶安装气体探测器的汽车上开车还被认为是最先进的方法。但考虑到汽车的速度有限，这只有在你心中有一个目标时才实用——而且为了足够接近目标，在许多情况下你需要获得疑似污染者的许可。飞机和热气球覆盖的范围稍大一些，但它们仍然非常局部化，为了跟踪变化，你需要一次又一次地飞行，这会花费不菲。像克莱尔这样的卫星每天都在绕地球飞行。

克莱尔号是一次国际合作。它由多伦多大学太空飞行实验室设计并建造，印度空间研究组织于 2016 年 6 月从印度东南沿海城市钦奈附近的一个地点发射了它。这枚重达 353 吨、高 145 英尺的火箭携带 20 颗卫星，用于拍摄、测绘和测量地球及其表面某些点的温度——这是一项影响深远的遥感任务。

在距离地球三分之一的距离，即 8,265 英里外的多伦多，飞行实验室的电子和软件开发人员 Daniel Kekez 焦急地观看着发射广播。他负责克莱尔的调试过程——启动它并开始测试。尽管印第安人已经向他提供了克莱尔进入太空的估计位置，但他需要等到这颗正式名称为 Sat-D 的卫星经过多伦多上空，那里是唯一获得许可向其发送信号的地面站所在地。一旦克莱尔进入发射范围，他就可以尝试联系。“我们在盲目地进行通信，希望它能做出回应，”Kekez 说。第一次尝试就成功了。

接下来，就到了看看克莱尔号是否能完成设计任务的时候了。在接下来的几周里，凯克兹和他的同事们在克莱尔号驶过甲烷源（煤矿、天然气设施）时获取了测量数据，他们已经知道这些甲烷源的排放量，只是为了检查仪器是否正常工作。

克莱尔使用一种叫做成像光谱仪的设备测量甲烷，这种设备本质上是一种对人类不可见光波长敏感的照相机。卫星上的成像光谱仪可以测量从太阳反射回地球的紫外线、近红外或短波红外光束。不同的气体吸收特定波长的光，因此研究人员可以根据这些波段的信号量到达光谱仪来确定特定位置的 CH₄ 或 CO₂ 含量。短波红外线可以揭示 CH₄ 信息。当然，还有各种各样的混杂因素。例如，地球在撒哈拉沙漠的反射率比其他地方都要高；在外行人看来，这看起来像是一个巨大的甲烷云盘旋在北非上空，考虑到阿尔及利亚和利比亚的生产能力，这个数字比合理的数字要大。气溶胶——悬浮在空气和云层中的微小固体或液体颗粒——是另一个麻烦。操作员研究近红外波段以查明什么是气溶胶、什么是甲烷。

针对甲烷排放的主张日益强烈。在 2020 年 2 月发表于《自然》杂志的一篇论文中，罗彻斯特大学地球科学家 Benjamin Hmiel 发现，环境科学家和大气化学家可能低估了化石燃料向大气排放的甲烷量，低估幅度高达 40%。对近期甲烷排放量激增原因的研究仍在继续：这可能是大气处理甲烷方式变化的结果，也可能是人类活动（如石油和天然气生产）的结果。位于巴黎的政府间组织国际能源署表示：“减少这种不确定性的唯一方法是继续提高数据透明度。”这正是 GHGSat 和其他机构正在努力做的事情。

可以肯定的是，能源行业一直在错误计算其贡献。大气监测专家赫斯特说：“没有人愿意花钱测量他们不需要测量的东西。”各公司报告了设施排放量的粗略计算，但赫斯特表示，这些数字是“夸大其词的猜测”，主要是因为它们没有考虑逸散排放（即泄漏）。

几乎任何时候，只要有人观察，就会发现美国这个全球最大石油生产国的石油和天然气业务产生的 CH₄ 排放量远高于业界或环境保护署（包括奥巴马总统任期内）的估计。根据 2018 年发表在《科学》杂志上的一项研究，这一数字高出 60%。（只有挪威保持着严格的监管标准，并对生产过程中释放的甲烷征收高额税款，因此没有理由相信其他国际运营商比美国运营商更好。） 《科学进展》杂志 2020 年 4 月的一份报告发现了有史以来最大的甲烷源——每年 280 万吨——位于横跨德克萨斯州和新墨西哥州的二叠纪盆地 7,000 多个油气田之上。论文合著者、荷兰空间研究所 SRON 大气科学家 Sudhanshu Pandey 分析了欧洲航天局卫星的 CH₄ 数据，他表示：“我们发现这里的排放量比估算方法预测的排放量高出两倍多。”

在土库曼斯坦发现甲烷的当天，克莱尔号正在飞越泥火山上空测试其光谱仪。GHGSat 偶尔会飞越这样的甲烷源，以检查其仪器的灵敏度。克莱尔号以前飞越过这座山峰，操作员认为他们收集的图像边缘的羽流是一种扭曲——表面反射率或气溶胶造成的“噪音”使读数产生偏差。然而，经过仔细检查，似乎这不仅仅是干扰，他们决定看看欧洲航天局的监测仪器 Tropomi 是否可以验证这一发现。

Tropomi 是 ESA 卫星上的光谱仪，用于监测温室气体；它不断拍摄地球表面以量化大气中的所有甲烷。它的视野几乎相当于从纽约到丹佛的距离，每个像素覆盖曼哈顿的近 1,000 个街区。这对于观察 CH₄ 的大浓度非常有用——甲烷因风或其他因素而聚集的地方，而这些因素不一定是气体的来源。（相比之下，Claire 的视野只有旧金山那么大，每个像素比普通超市略小——非常适合发现泄漏。）该机构之前从未与 GHGSat 合作过，但很高兴在自己的数据中寻找羽流。正如 Germain 所预测的那样，Tropomi 接收到了来自土库曼斯坦的信号。这是有史以来最大的泄漏，泄漏量几乎是之前的记录保持者——2015 年加利福尼亚州阿里索峡谷一处天然气储存设施发生的事故——的一半。

通过查看该地区的卫星照片，Germain 的同事们发现了甲烷云，这些甲烷云与能源设施中天然气被压缩运输和净化的位置以及连接两个地点的管道相对应。一旦收到警报，该工厂就会停止排放——这在前苏联共和国是一个出人意料的举动，人权观察组织称其“几乎不受独立审查”，而且该国只有一家国有天然气公司，不对任何人负责。

如此大规模的泄漏虽然罕见，但影响巨大：根据《环境科学与技术》杂志2016 年发表的研究，一半的逸散排放来自仅 5% 的甲烷泄漏，例如阀门松动，Germain 说道。仅美国就有大约 100 万个油气设施，每个设施可能有数百或数千个阀门；即使只有 5% 也太多了，无法从地面定位或监控。

现在，GHGSat 和 ESA 合作查找泄漏点。每当运行 Tropomi 的团队发现异常大的羽流时，就会提示 GHGSat 前去检查。有了如此狭窄的视野，Claire 可以放大 ESA 检测到浓度的位置。然后，地面操作员从 Claire 那里获取图像光谱，计算风速和风向对发现的气体羽流的影响，并确定其来源。自土库曼斯坦以来，Germain 说：“我们已经发现了其他几个来源，我们正在与操作员合作减少这些排放。”

像克莱尔这样的卫星正在不断涌现。2020 年 9 月，GHGSat 发射了 Iris，它可以精确定位到克莱尔可以发现的排放物的十分之一。美国环境保护基金会正在计划自己的轨道器 MethaneSAT，它的视野将只有 Tropomi 的十分之一，其支持者称其精度是前所未有的。它将于 2022 年起飞，每周扫描占全球石油和天然气产量 80% 的地区。德国和法国正在合作开发 Merlin，当它于 2024 年升空时，它将使用激光雷达（一种由自动驾驶汽车导航普及的技术，其工作原理类似于雷达，但用光代替声音）来扫描云层并区分甲烷与水蒸气和表面反射率。总部位于纽约市的 Bluefield 公司计划在 2023 年前发射 10 颗比克莱尔更小的卫星。这些卫星将使用光谱技术测量气体，该公司认为这种技术比其他轨道器使用的灵敏度更高。（自 2001 年共和党政府封存深空气候观测站并将其发射推迟十多年以来，美国在以气候为重点的轨道遥感方面一直落后。）

其中一些卫星将为签署《巴黎协定》的政府提供服务。其他卫星将把数据出售给希望减少排放的石油和天然气公司，以减少它们欠限额与交易市场的债务，在这个市场中，能源生产商和其他方为其业务产生的温室气体买单。公司可能还想提高它们在消费者中的声誉，或者弄清楚是否值得投资捕获和出售甲烷作为能源。天然气提供了美国约 38% 的电力，几乎全部都是 CH₄。

据《科学》杂志估计，钻井工人泄漏的甲烷每年价值高达 20 亿美元。独立研究机构能源经济与金融分析研究所 2020 年 6 月的一份报告发现，德克萨斯州的石油公司在 2018 年排放甲烷上浪费了 7.49 亿美元；负责监管的州监管机构德克萨斯州铁路委员会拒绝采取行动。事实上，国际能源署表示，全球行业可以减少 75% 的甲烷泄漏，其中约三分之一的泄漏无需净成本，因为它可以通过出售回收的大部分甲烷来资助修复工作。

一旦我们弄清楚了甲烷排放的来源和地点，我们该如何处理这些数据？一个想法是专门为甲烷制定限额与交易计划。欧盟使用的计划管制各种温室气体，但尚未管制甲烷。加利福尼亚州和魁北克省将其与二氧化碳合并为“二氧化碳当量”，就像欧盟将一氧化二氮和全氟化碳合并一样。但伦敦帝国理工学院可持续天然气研究所所长亚当霍克斯在 2018 年的一篇论文中指出，将两者合并并不能解释甲烷更大的短期全球变暖潜力。

汉斯·斯特格胡伊斯曾是一名对冲基金交易员，目前在荷兰银行 (ABN Amro) 负责金融市场和运营风险工作。他有一个想法（是他自己的，不是银行的），即建立一个甲烷交易系统，该系统以欧盟目前的方案为蓝本，但从他认为的欧盟重大错误中吸取了教训。他说，这些错误包括排放信用额度供应过剩，导致价格下降，从而抑制了减排，以及各国对此类排放量的估计存在差异。例如，英国的一个垃圾填埋场奇迹般地在纸面上排放的甲烷量仅为德国一个相同设施产生的甲烷量的十分之一。斯特格胡伊斯的系统将减少信用额度的供应，从而解决第一个问题。他说，卫星将解决第二个问题，因为“现在你可以量化谁在排放什么”。他设想建立一个由超额罚款收益组成的基金，以帮助资助甲烷减排技术的开发。

“我认为我会鼓励”像 Stegehuis 所提议的措施，发起碳排放限额与交易市场的芝加哥大学法学院经济学家 Richard Sandor 表示。但新金融市场需要的不仅仅是一个好主意。“需要十年的时间来建立信誉，教育用户、商人——它的性质取决于共识，”他说。

当 Stephane Germain 构思 GHGSat 时，他给能源公司打了 100 多个电话，才确信他的企业能找到客户。现在，在投资者的压力下，壳牌已将其高管薪酬与减排量挂钩，目标是在 15 年内减少 20%，并已聘请 GHGSat。英国石油公司承诺在三年内在其主要加工厂增加甲烷测量设备，并将单位产品排放量减半。持有埃克森美孚、雪佛龙等公司股票的活动人士对温室气体越来越不满，因此他们可能会在环境指标方面赢得高管的更多让步。2019 年上市的国家石油公司沙特阿美也可能开始感受到股东的压力。

大气监测专家赫斯特认为，这些举措至少部分是受到即将发射的大量轨道飞行器探测泄漏的推动。“几年之内，它们就会显示出这些来源有多糟糕，”他说。“随着更灵敏的卫星发射，发现需要补救的来源将变得越来越普遍。”

当每个人都能通过世界地图查看甲烷的来源，当监管机构能够量化甲烷的数量并开始收费时，污染者可能会认为，一切照旧不再是一个可行的选择。

本故事刊登在《大众科学》杂志2020 年秋季神秘类期刊上。