利用微型衛(wèi)星來發(fā)現(xiàn)甲烷神秘泄露

2019年1月，太空中有了些新發(fā)現(xiàn)。軌道上的一顆微型衛(wèi)星首次發(fā)現(xiàn)了一場此前未曾觀測到的天然氣泄漏，這一發(fā)現(xiàn)讓我們得以堵住這次泄露。

微型衛(wèi)星Claire于2016年進入太空，運行至今。當(dāng)時Claire正在監(jiān)測中亞一座泥火山的氣體排放，突然它發(fā)現(xiàn)了一股不該冒出的甲烷。來自GHGSat公司（位于加拿大蒙特利爾）的研究團隊向它發(fā)出指令，示意它對這股甲烷的源頭進行搖攝并對焦，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這是土庫曼斯坦一個油氣田中的一座設(shè)施。

追蹤甲烷泄漏正變得前所未有地重要。氣候變化是一場緩慢發(fā)生的災(zāi)難，與來自煙囪和排氣管的二氧化碳相比，甲烷排放受到的公眾關(guān)注很少，但甲烷（主要來自化石燃料生產(chǎn)以及畜牧業(yè)和其他來源）的影響卻十分巨大。甲烷分子在大氣中收集的熱量是二氧化碳的84倍，大氣溫度上升有1/4左右是甲烷造成的。更糟糕的是，2020年初的研究顯示，我們可能大大低估了甲烷排放量，少估了25%至40%。

近20年前，衛(wèi)星就能夠從太空觀測到甲烷和二氧化碳等溫室氣體的排放了，但只有結(jié)合需求和技術(shù)創(chuàng)新，才能讓這種觀測的實用性和準確性達到贏利的程度。借助一些巧妙的工程技術(shù)和更明確的目標(biāo)，我們公司成功制造了一顆15公斤重的微型衛(wèi)星，并完成了以前用價值1億美元、重達1000公斤的飛行器也不可能實現(xiàn)的探測任務(wù)。過去的那些科學(xué)重器的工作很出色，但它們的觀測比例尺以公里為單位，而Claire則可以將甲烷排放范圍精確到幾十米。因此，污染制造者（或任何其他人）不僅可以確定是哪座氣田，還可以確定是該氣田中的哪口井。

自從第一顆微型衛(wèi)星Claire發(fā)射以來，我們對核心技術(shù)——小型化的廣角法布里-珀羅（Fabry-Pe?rot）成像光譜儀——以及飛行器本身都進行了改進。今年9月，我們發(fā)射了第二顆甲烷觀測衛(wèi)星Iris，預(yù)計將在今年年底前發(fā)射第三顆。這3顆衛(wèi)星都發(fā)射完成后，地球上的甲烷泄漏將無處可藏。

商業(yè)原因和技術(shù)挑戰(zhàn)成為制造Claire等微型衛(wèi)星的動因。商業(yè)原因始于2011年年中，GHGSat公司所處的魁北克市以及美國加州分別宣布將實施以市場為基礎(chǔ)的“總量管制和交易”（cap and trade）制度，該制度會為工業(yè)區(qū)排放的每噸碳賦予一個值。主要排放者可獲得一定的額度，每年可向大氣排放的一定數(shù)量的碳（或甲烷和其他溫室氣體的碳當(dāng)量）。需要更多排放額度的排放者可以向需求較少的排放者購買額度。隨著時間的推移，政府可以縮減總配額，減少影響氣候變化的因素。

即使在2011年，碳排放市場的規(guī)模也很大，價值數(shù)十億美元，隨著越來越多的地區(qū)開始征稅或?qū)嵤┨冀灰讬C制，碳排放市場也在穩(wěn)步增長。世界銀行的《2020年碳定價現(xiàn)狀與趨勢》表明，到2019年，這些碳市場覆蓋了全球22%的排放量，為各國政府賺了450億美元。

盡管碳排放市場規(guī)模達到幾十億美元，但我們系統(tǒng)的焦點是甲烷而非二氧化碳。其中有一個技術(shù)原因——我們最初的儀器更適合甲烷。不過商業(yè)原因更簡單：無論是否有溫室氣體交易系統(tǒng)，甲烷都有價值。

溫室氣體市場能促使各工業(yè)區(qū)企業(yè)更好地測量其排放量，以達到控制并最終減少溫室氣體排放的目的。當(dāng)前主要的地面測量方法使用的是通量箱、渦度協(xié)方差塔和光學(xué)氣體成像等系統(tǒng)，不僅昂貴，而且精度有限，尤其是精度因地理位置的可用性不同而有所不同。我們公司相信，工業(yè)企業(yè)都會選擇一種成本更低、精確度更高，能發(fā)現(xiàn)世界各地各個工業(yè)設(shè)施溫室氣體排放量的單一解決方案。

確定了商業(yè)計劃后，唯一的問題就是：我們能做到嗎？

歐洲的Envisat（2002年至2012年運行）和日本的GOSat（2009年發(fā)射）等開拓性航天任務(wù)已經(jīng)在一定程度上部分回答了這個問題。這些衛(wèi)星使用了可收集地球上散射陽光的光譜儀來測量地表的痕量氣體。光譜儀會按波長分解入射光。光路上的分子會吸收某種波長的光，在光譜中留下暗帶。這些分子的濃度越大，暗帶越暗。這種方法可以從衛(wèi)星軌道上測量甲烷濃度，精度比背景值的1%高。

雖然這些衛(wèi)星證明了甲烷追蹤概念是可行的，但相關(guān)技術(shù)遠遠不能滿足需求。首先，這些儀器體型龐大。Envisat的光譜儀名為“大氣層制圖掃描成像吸收光譜儀” （SCIAMACHY），包含了近200公斤重的復(fù)雜光學(xué)元件；整個飛行器還攜帶了另外8臺科學(xué)儀器，重8.2噸。專門用于溫室氣體感測的GOSat則重1.75噸。

此外，這些系統(tǒng)是為了快速、重復(fù)地測量整個地球的氣體濃度而設(shè)計的，目的是為全球氣候建模提供依據(jù)。它們的儀器會掃描大片土地，然后得出超過幾十或數(shù)百平方公里范圍的溫室氣體平均水平。而且相關(guān)信息極其粗糙，無法確定是哪個工業(yè)區(qū)造成了異常排放。

為了實現(xiàn)目標(biāo)，我們需要設(shè)計一種空間分辨率在幾十米以內(nèi)的軌道高光譜成像儀，這也將是第一款軌道高光譜成像儀。為了將其發(fā)射費用控制在可負擔(dān)范圍內(nèi)，我們需要把它裝在一個20厘米×20厘米×20厘米的外殼里。

要滿足這些限制條件，最關(guān)鍵的支持技術(shù)是我們的光譜儀——廣角法布里-珀羅標(biāo)準具（WAF-P）。標(biāo)準具是由兩塊部分反射板制成的干涉儀。為了便于理解，我們首先會解釋一種更為常見的光譜儀，以及它在高光譜成像系統(tǒng)中的工作原理。

高光譜成像探測的波長范圍很廣，當(dāng)然，有些波長不可見。為了實現(xiàn)這種探測，我們需要一個光譜儀和一個成像儀。

SCIAMACHY光譜儀以衍射光柵為基礎(chǔ)。衍射光柵會根據(jù)入射光的波長對入射光進行分散，就像棱鏡將白光的光譜分散成彩虹一樣。在天基高光譜成像系統(tǒng)中，成像儀的一個維度用于光譜色散，另一個維度用于空間成像。以正確的方向?qū)σ粋€場景進行窄縫成像，我們可以得到這條狹長帶上每個點的光譜。飛行器飛行時就可得到連續(xù)條帶的成像，形成一個二維點陣列，每個點都有一個與之相關(guān)的全光譜。

如果入射光在一個被甲烷污染的地區(qū)穿過一種氣體（比如地球大氣層），那么該光譜中紅外部分的某些波段會比其他波段更暗，而不會呈現(xiàn)這種化學(xué)物質(zhì)的模式特征。

這樣的光譜成像系統(tǒng)效果不錯，但出于幾方面的原因，要把它做得小巧緊湊卻比較有挑戰(zhàn)性。其中一項挑戰(zhàn)是需要將光學(xué)像差降到最小，以獲得地面特征和排放羽流的清晰圖像，然而在遙感中，信號強度（以及信噪比）是由孔徑大小決定的，孔徑越大，像差越難降低。在系統(tǒng)中增加色散光柵會增加光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性。

廣角法布里-珀羅標(biāo)準具雖然有一些可克服缺點，但它可以更加緊湊且不需要復(fù)雜的成像系統(tǒng)。它本質(zhì)上是兩個部分反射玻璃片緊密結(jié)合在一起所形成的一個反射腔。想象一下，一束特定波長的光通過其中一面反射鏡以一個很小的角度進入腔體。光束的一小部分會穿過腔體，直接穿過另一面反射鏡，然后繼續(xù)穿行到達一片透鏡上，透鏡則將它聚焦在不遠處的成像儀的一個像素上。剩下的光束會反射回前反射鏡，然后穿行到達后反射鏡。同樣，一小部分光束會穿過，其余部分將繼續(xù)在兩面鏡子之間反射，重復(fù)這個過程。所有反射都會增加光與像素的路徑距離。如果光的角度和波長與反射鏡之間的距離有特定的關(guān)系，那么所有的光都會對自身產(chǎn)生相長干擾。存在這種關(guān)系的地方就會形成一組明亮的同心環(huán)。不同的波長和不同的角度會產(chǎn)生不同的環(huán)。

在一個像我們的衛(wèi)星一樣使用廣角法布里-珀羅標(biāo)準具的成像系統(tǒng)中，成像儀的圓環(huán)半徑與光線角度大致成正比。對我們的系統(tǒng)來說，這意味著標(biāo)準具可作為一個隨角度變化的濾波器。因此，我們沒有根據(jù)波長分散光線，而是根據(jù)光線在場景中的徑向位置，將光線過濾到特定的波長。我們觀察的是通過大氣傳播的光，因此我們最終得到了與分子吸收線對應(yīng)的特定半徑的暗環(huán)。

由于光譜區(qū)分是由幾十至數(shù)百微米的很小間隙內(nèi)發(fā)生的干擾引起的，因此，與衍射光柵光譜儀相比，標(biāo)準具更容易小型化，不需要大的路徑長度或光束分離。此外，由于標(biāo)準具由彼此平行的基底組成，不會顯著加大像差，因此可以使用相對簡單的光學(xué)設(shè)計技術(shù)來達到足夠的空間分辨率。

不過廣角法布里-珀羅標(biāo)準具光譜儀也包含復(fù)雜的因素。比如，標(biāo)準具后面的成像儀會同時采集現(xiàn)場圖像（氣井所在位置）和干擾圖像（甲烷光譜）。也就是說，光譜環(huán)被嵌入了衛(wèi)星所指向的地球位置的實際圖像中，并且被它破壞了。因此，我們無法通過單幀圖像來區(qū)分表面反射的光發(fā)生了多少變化以及大氣中溫室氣體量出現(xiàn)哪些變化。為了能夠精確定位甲烷羽流的源頭，我們需要分離空間信息和光譜信息，而這需要一些創(chuàng)新。

從光譜測量中獲得氣體濃度信息的計算過程稱為反演（retrieval）。對廣角法布里-珀羅標(biāo)準具進行反演的第一步是在發(fā)射前正確描述儀器的特性。這樣可以產(chǎn)生一個精細的模型，有助于精確預(yù)測系統(tǒng)對每個像素的光譜響應(yīng)。

不過這只是開始。為了分離光譜信息和空間信息，我們采用了一些神奇的算法。我們設(shè)計了一個協(xié)議，衛(wèi)星在飛過一個地點時，會捕捉200張重疊的圖像，從而解決這個問題。這意味著要在衛(wèi)星軌道上不斷調(diào)整衛(wèi)星的方位，讓獲取圖像的時間最大化。換言之，我們讓衛(wèi)星盯著它經(jīng)過的地方，就像高速公路上的一個司機經(jīng)過車禍現(xiàn)場時伸長脖子看熱鬧那樣。

反演過程的下一步是匹配圖像，基本上是通過圖像順序跟蹤場景中的所有地面位置。這可以給我們提供某特征（例如一個泄漏的氣井）貫穿整個干擾圖像的多達200個讀數(shù)。這實際上是在測量地球上的同一個地點，當(dāng)該地點從圖像中心向外移動時，它的紅外波長逐漸減小。如果甲烷濃度異常高，將會導(dǎo)致圖像特定位置的信號電平發(fā)生微小但可預(yù)測的變化。我們的反演軟件會將把這些變化與系統(tǒng)光譜響應(yīng)的內(nèi)部模型進行比較，以百萬分之幾為單位提取甲烷水平信息。

在這一點上，廣角法布里-珀羅標(biāo)準具的缺點變成了優(yōu)勢。有些衛(wèi)星使用不同的儀器來觀察地面和測量甲烷或二氧化碳光譜。然后，它們必須重新對照這兩者。我們的系統(tǒng)則可同時獲得這兩個參數(shù)，因此氣體羽流會自動對標(biāo)其源點，精確到幾十米。此外還有高空間分辨率的優(yōu)勢。如2017年發(fā)射的對流層監(jiān)測儀器Tropomi等其他系統(tǒng)必須在7公里寬的像素上取甲烷密度的平均值。Tropomi的分辨率會嚴重稀釋Claire能夠發(fā)現(xiàn)的羽流的峰值濃度，得出的濃度結(jié)果可能只有原來的1/200。因此，Claire這樣的高空間分辨率系統(tǒng)不僅可以精確定位排放位置，還能探測到較弱的排放源。

只給顧客一張某一天的甲烷羽流圖像雖有用但還遠遠不夠。對于較弱的排放源，測量噪聲會使單次觀測難以發(fā)現(xiàn)甲烷點源。不過，使用我們的分析工具對多個觀測值進行時間平均可以減少噪聲：在云量允許的情況下，即使使用一顆衛(wèi)星，我們每年也可以對一個地點進行25次甚至更多次的觀測。

利用這個平均值，我們就可以估算出甲烷的排放率。這個過程會拍攝羽流柱甲烷濃度測量的快照，并計算每小時泄漏多少甲烷才能產(chǎn)生這種羽流。反演排放率還需要了解當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)況，因為甲烷濃度是否過高不僅取決于排放率，還取決于風(fēng)將排放氣體運出該地區(qū)的速度。

自從Claire開始執(zhí)行觀測任務(wù)以來，這4年里我們學(xué)到了很多。我們已經(jīng)成功地將其中的一些經(jīng)驗應(yīng)用到了以Iris為首的下一代微型衛(wèi)星中。最大的教訓(xùn)是要把注意力放在甲烷上，以后再考慮二氧化碳的問題。

如果只測量甲烷，我們就可以調(diào)整標(biāo)準具的設(shè)計，使其更好地測量甲烷的紅外吸收光譜情況，而不用擴展它的寬度使其同時捕捉二氧化碳。加上能阻擋外來光的更好的光學(xué)系統(tǒng)，甲烷的檢測靈敏度將提高10倍。因此，與Claire相比，Iris及之后的衛(wèi)星將能發(fā)現(xiàn)規(guī)模更小的泄漏。

此外，我們還發(fā)現(xiàn)，下一代衛(wèi)星需要更好的輻射防護。軌道輻射是衛(wèi)星成像芯片遇到的一個特殊問題。在發(fā)射Claire之前，我們仔細計算了它需要的防護，然后與增加的防護重量成本進行了平衡。盡管如此，Claire的成像儀丟失像素的速度還是比預(yù)期快（我們的軟件部分補償了這些損失）。所以Iris和下一代其他衛(wèi)星的輻射防護罩會更重。

另一項改進是數(shù)據(jù)下載。在前4年里，Claire已經(jīng)進行了約6000次觀測。衛(wèi)星飛過加拿大北部的一個地面站時，會通過無線電將數(shù)據(jù)發(fā)送到地球。我們不希望未來的衛(wèi)星在觀測下一次甲烷泄漏之前沒有足夠的時間下載數(shù)據(jù)，進而導(dǎo)致在觀測數(shù)量上受到限制。因此，Iris比Claire的內(nèi)存更大，新的微型衛(wèi)星除了常規(guī)無線電天線外，還攜帶了一個實驗性的激光下行鏈路。如果一切按計劃進行，激光將把下載速度提高1000倍，達到1千兆比特/秒。

Claire在距離地球500公里的極地軌道上，每兩周環(huán)繞地球一次。Iris發(fā)射后，實際覆蓋效率會翻一番。此外，Hugo號將于今年12月發(fā)射，2021年還會有另外3顆微型衛(wèi)星加入，有了它們，在云量允許的情況下，我們將具備幾乎每天都能觀測地球上任何地點的能力。

利用微型衛(wèi)星的分辨率和頻率，我們應(yīng)該能夠發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的甲烷泄漏，這部分泄漏占排放量的70%。要封堵另外30%的泄露則需要更近距離的觀測。比如，由于頁巖氣地區(qū)設(shè)施密集，可能無法從太空判斷哪座設(shè)施發(fā)生了泄漏。衛(wèi)星探測到的較大規(guī)模泄漏可能表明發(fā)生了幾個較小規(guī)模的泄漏。因此，我們開發(fā)了一種安裝在飛機上的廣角法布里-珀羅標(biāo)準具儀器，能夠以1米的分辨率對目標(biāo)地點進行掃描。第一臺儀器已于2019年底進行了試飛，目前已投入商業(yè)使用，用于監(jiān)測不列顛哥倫比亞省的一處頁巖油氣田。我們預(yù)計將在明年部署第二臺機載儀器，并將這項服務(wù)擴展到北美其他地區(qū)。

借助我們提供的深入詳細的甲烷調(diào)查，客戶可以采取必要的糾正措施。雖然最終是由地面人員來修補這些泄漏，但我們的辦法旨在大大減少對設(shè)施的親自實地探訪。每發(fā)現(xiàn)和阻止一處逸散性排放源，都代表著我們又朝減緩氣候變化邁出了有意義的一步。

原文標(biāo)題：發(fā)現(xiàn)甲烷神秘泄露的微型衛(wèi)星

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