利用微型卫星来发现甲烷神秘泄露

2019年1月，太空中有了些新发现。轨道上的一颗微型卫星首次发现了一场此前未曾观测到的天然气泄漏，这一发现让我们得以堵住这次泄露。

微型卫星Claire于2016年进入太空，运行至今。当时Claire正在监测中亚一座泥火山的气体排放，突然它发现了一股不该冒出的甲烷。来自GHGSat公司（位于加拿大蒙特利尔）的研究团队向它发出指令，示意它对这股甲烷的源头进行摇摄并对焦，结果发现这是土库曼斯坦一个油气田中的一座设施。

追踪甲烷泄漏正变得前所未有地重要。气候变化是一场缓慢发生的灾难，与来自烟囱和排气管的二氧化碳相比，甲烷排放受到的公众关注很少，但甲烷（主要来自化石燃料生产以及畜牧业和其他来源）的影响却十分巨大。甲烷分子在大气中收集的热量是二氧化碳的84倍，大气温度上升有1/4左右是甲烷造成的。更糟糕的是，2020年初的研究显示，我们可能大大低估了甲烷排放量，少估了25%至40%。

近20年前，卫星就能够从太空观测到甲烷和二氧化碳等温室气体的排放了，但只有结合需求和技术创新，才能让这种观测的实用性和准确性达到赢利的程度。借助一些巧妙的工程技术和更明确的目标，我们公司成功制造了一颗15公斤重的微型卫星，并完成了以前用价值1亿美元、重达1000公斤的飞行器也不可能实现的探测任务。过去的那些科学重器的工作很出色，但它们的观测比例尺以公里为单位，而Claire则可以将甲烷排放范围精确到几十米。因此，污染制造者（或任何其他人）不仅可以确定是哪座气田，还可以确定是该气田中的哪口井。

自从第一颗微型卫星Claire发射以来，我们对核心技术——小型化的广角法布里-珀罗（Fabry-Pérot）成像光谱仪——以及飞行器本身都进行了改进。今年9月，我们发射了第二颗甲烷观测卫星Iris，预计将在今年年底前发射第三颗。这3颗卫星都发射完成后，地球上的甲烷泄漏将无处可藏。

商业原因和技术挑战成为制造Claire等微型卫星的动因。商业原因始于2011年年中，GHGSat公司所处的魁北克市以及美国加州分别宣布将实施以市场为基础的“总量管制和交易”（cap and trade）制度，该制度会为工业区排放的每吨碳赋予一个值。主要排放者可获得一定的额度，每年可向大气排放的一定数量的碳（或甲烷和其他温室气体的碳当量）。需要更多排放额度的排放者可以向需求较少的排放者购买额度。随着时间的推移，政府可以缩减总配额，减少影响气候变化的因素。

即使在2011年，碳排放市场的规模也很大，价值数十亿美元，随着越来越多的地区开始征税或实施碳交易机制，碳排放市场也在稳步增长。世界银行的《2020年碳定价现状与趋势》表明，到2019年，这些碳市场覆盖了全球22%的排放量，为各国政府赚了450亿美元。

尽管碳排放市场规模达到几十亿美元，但我们系统的焦点是甲烷而非二氧化碳。其中有一个技术原因——我们最初的仪器更适合甲烷。不过商业原因更简单：无论是否有温室气体交易系统，甲烷都有价值。

温室气体市场能促使各工业区企业更好地测量其排放量，以达到控制并最终减少温室气体排放的目的。当前主要的地面测量方法使用的是通量箱、涡度协方差塔和光学气体成像等系统，不仅昂贵，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。我们公司相信，工业企业都会选择一种成本更低、精确度更高，能发现世界各地各个工业设施温室气体排放量的单一解决方案。

确定了商业计划后，唯一的问题就是：我们能做到吗？

欧洲的Envisat（2002年至2012年运行）和日本的GOSat（2009年发射）等开拓性航天任务已经在一定程度上部分回答了这个问题。这些卫星使用了可收集地球上散射阳光的光谱仪来测量地表的痕量气体。光谱仪会按波长分解入射光。光路上的分子会吸收某种波长的光，在光谱中留下暗带。这些分子的浓度越大，暗带越暗。这种方法可以从卫星轨道上测量甲烷浓度，精度比背景值的1%高。

虽然这些卫星证明了甲烷追踪概念是可行的，但相关技术远远不能满足需求。首先，这些仪器体型庞大。Envisat的光谱仪名为“大气层制图扫描成像吸收光谱仪” （SCIAMACHY），包含了近200公斤重的复杂光学元件；整个飞行器还携带了另外8台科学仪器，重8.2吨。专门用于温室气体感测的GOSat则重1.75吨。

此外，这些系统是为了快速、重复地测量整个地球的气体浓度而设计的，目的是为全球气候建模提供依据。它们的仪器会扫描大片土地，然后得出超过几十或数百平方公里范围的温室气体平均水平。而且相关信息极其粗糙，无法确定是哪个工业区造成了异常排放。

为了实现目标，我们需要设计一种空间分辨率在几十米以内的轨道高光谱成像仪，这也将是第一款轨道高光谱成像仪。为了将其发射费用控制在可负担范围内，我们需要把它装在一个20厘米×20厘米×20厘米的外壳里。

要满足这些限制条件，最关键的支持技术是我们的光谱仪——广角法布里-珀罗标准具（WAF-P）。标准具是由两块部分反射板制成的干涉仪。为了便于理解，我们首先会解释一种更为常见的光谱仪，以及它在高光谱成像系统中的工作原理。

高光谱成像探测的波长范围很广，当然，有些波长不可见。为了实现这种探测，我们需要一个光谱仪和一个成像仪。

SCIAMACHY光谱仪以衍射光栅为基础。衍射光栅会根据入射光的波长对入射光进行分散，就像棱镜将白光的光谱分散成彩虹一样。在天基高光谱成像系统中，成像仪的一个维度用于光谱色散，另一个维度用于空间成像。以正确的方向对一个场景进行窄缝成像，我们可以得到这条狭长带上每个点的光谱。飞行器飞行时就可得到连续条带的成像，形成一个二维点阵列，每个点都有一个与之相关的全光谱。

如果入射光在一个被甲烷污染的地区穿过一种气体（比如地球大气层），那么该光谱中红外部分的某些波段会比其他波段更暗，而不会呈现这种化学物质的模式特征。

这样的光谱成像系统效果不错，但出于几方面的原因，要把它做得小巧紧凑却比较有挑战性。其中一项挑战是需要将光学像差降到最小，以获得地面特征和排放羽流的清晰图像，然而在遥感中，信号强度（以及信噪比）是由孔径大小决定的，孔径越大，像差越难降低。在系统中增加色散光栅会增加光学系统的复杂性。

广角法布里-珀罗标准具虽然有一些可克服缺点，但它可以更加紧凑且不需要复杂的成像系统。它本质上是两个部分反射玻璃片紧密结合在一起所形成的一个反射腔。想象一下，一束特定波长的光通过其中一面反射镜以一个很小的角度进入腔体。光束的一小部分会穿过腔体，直接穿过另一面反射镜，然后继续穿行到达一片透镜上，透镜则将它聚焦在不远处的成像仪的一个像素上。剩下的光束会反射回前反射镜，然后穿行到达后反射镜。同样，一小部分光束会穿过，其余部分将继续在两面镜子之间反射，重复这个过程。所有反射都会增加光与像素的路径距离。如果光的角度和波长与反射镜之间的距离有特定的关系，那么所有的光都会对自身产生相长干扰。存在这种关系的地方就会形成一组明亮的同心环。不同的波长和不同的角度会产生不同的环。

在一个像我们的卫星一样使用广角法布里-珀罗标准具的成像系统中，成像仪的圆环半径与光线角度大致成正比。对我们的系统来说，这意味着标准具可作为一个随角度变化的滤波器。因此，我们没有根据波长分散光线，而是根据光线在场景中的径向位置，将光线过滤到特定的波长。我们观察的是通过大气传播的光，因此我们最终得到了与分子吸收线对应的特定半径的暗环。

由于光谱区分是由几十至数百微米的很小间隙内发生的干扰引起的，因此，与衍射光栅光谱仪相比，标准具更容易小型化，不需要大的路径长度或光束分离。此外，由于标准具由彼此平行的基底组成，不会显著加大像差，因此可以使用相对简单的光学设计技术来达到足够的空间分辨率。

不过广角法布里-珀罗标准具光谱仪也包含复杂的因素。比如，标准具后面的成像仪会同时采集现场图像（气井所在位置）和干扰图像（甲烷光谱）。也就是说，光谱环被嵌入了卫星所指向的地球位置的实际图像中，并且被它破坏了。因此，我们无法通过单帧图像来区分表面反射的光发生了多少变化以及大气中温室气体量出现哪些变化。为了能够精确定位甲烷羽流的源头，我们需要分离空间信息和光谱信息，而这需要一些创新。

从光谱测量中获得气体浓度信息的计算过程称为反演（retrieval）。对广角法布里-珀罗标准具进行反演的第一步是在发射前正确描述仪器的特性。这样可以产生一个精细的模型，有助于精确预测系统对每个像素的光谱响应。

不过这只是开始。为了分离光谱信息和空间信息，我们采用了一些神奇的算法。我们设计了一个协议，卫星在飞过一个地点时，会捕捉200张重叠的图像，从而解决这个问题。这意味着要在卫星轨道上不断调整卫星的方位，让获取图像的时间最大化。换言之，我们让卫星盯着它经过的地方，就像高速公路上的一个司机经过车祸现场时伸长脖子看热闹那样。

反演过程的下一步是匹配图像，基本上是通过图像顺序跟踪场景中的所有地面位置。这可以给我们提供某特征（例如一个泄漏的气井）贯穿整个干扰图像的多达200个读数。这实际上是在测量地球上的同一个地点，当该地点从图像中心向外移动时，它的红外波长逐渐减小。如果甲烷浓度异常高，将会导致图像特定位置的信号电平发生微小但可预测的变化。我们的反演软件会将把这些变化与系统光谱响应的内部模型进行比较，以百万分之几为单位提取甲烷水平信息。

在这一点上，广角法布里-珀罗标准具的缺点变成了优势。有些卫星使用不同的仪器来观察地面和测量甲烷或二氧化碳光谱。然后，它们必须重新对照这两者。我们的系统则可同时获得这两个参数，因此气体羽流会自动对标其源点，精确到几十米。此外还有高空间分辨率的优势。如2017年发射的对流层监测仪器Tropomi等其他系统必须在7公里宽的像素上取甲烷密度的平均值。Tropomi的分辨率会严重稀释Claire能够发现的羽流的峰值浓度，得出的浓度结果可能只有原来的1/200。因此，Claire这样的高空间分辨率系统不仅可以精确定位排放位置，还能探测到较弱的排放源。

只给顾客一张某一天的甲烷羽流图像虽有用但还远远不够。对于较弱的排放源，测量噪声会使单次观测难以发现甲烷点源。不过，使用我们的分析工具对多个观测值进行时间平均可以减少噪声：在云量允许的情况下，即使使用一颗卫星，我们每年也可以对一个地点进行25次甚至更多次的观测。

利用这个平均值，我们就可以估算出甲烷的排放率。这个过程会拍摄羽流柱甲烷浓度测量的快照，并计算每小时泄漏多少甲烷才能产生这种羽流。反演排放率还需要了解当地的风况，因为甲烷浓度是否过高不仅取决于排放率，还取决于风将排放气体运出该地区的速度。

自从Claire开始执行观测任务以来，这4年里我们学到了很多。我们已经成功地将其中的一些经验应用到了以Iris为首的下一代微型卫星中。最大的教训是要把注意力放在甲烷上，以后再考虑二氧化碳的问题。

如果只测量甲烷，我们就可以调整标准具的设计，使其更好地测量甲烷的红外吸收光谱情况，而不用扩展它的宽度使其同时捕捉二氧化碳。加上能阻挡外来光的更好的光学系统，甲烷的检测灵敏度将提高10倍。因此，与Claire相比，Iris及之后的卫星将能发现规模更小的泄漏。

此外，我们还发现，下一代卫星需要更好的辐射防护。轨道辐射是卫星成像芯片遇到的一个特殊问题。在发射Claire之前，我们仔细计算了它需要的防护，然后与增加的防护重量成本进行了平衡。尽管如此，Claire的成像仪丢失像素的速度还是比预期快（我们的软件部分补偿了这些损失）。所以Iris和下一代其他卫星的辐射防护罩会更重。

另一项改进是数据下载。在前4年里，Claire已经进行了约6000次观测。卫星飞过加拿大北部的一个地面站时，会通过无线电将数据发送到地球。我们不希望未来的卫星在观测下一次甲烷泄漏之前没有足够的时间下载数据，进而导致在观测数量上受到限制。因此，Iris比Claire的内存更大，新的微型卫星除了常规无线电天线外，还携带了一个实验性的激光下行链路。如果一切按计划进行，激光将把下载速度提高1000倍，达到1千兆比特/秒。

Claire在距离地球500公里的极地轨道上，每两周环绕地球一次。Iris发射后，实际覆盖效率会翻一番。此外，Hugo号将于今年12月发射，2021年还会有另外3颗微型卫星加入，有了它们，在云量允许的情况下，我们将具备几乎每天都能观测地球上任何地点的能力。

利用微型卫星的分辨率和频率，我们应该能够发现较大规模的甲烷泄漏，这部分泄漏占排放量的70%。要封堵另外30%的泄露则需要更近距离的观测。比如，由于页岩气地区设施密集，可能无法从太空判断哪座设施发生了泄漏。卫星探测到的较大规模泄漏可能表明发生了几个较小规模的泄漏。因此，我们开发了一种安装在飞机上的广角法布里-珀罗标准具仪器，能够以1米的分辨率对目标地点进行扫描。第一台仪器已于2019年底进行了试飞，目前已投入商业使用，用于监测不列颠哥伦比亚省的一处页岩油气田。我们预计将在明年部署第二台机载仪器，并将这项服务扩展到北美其他地区。

借助我们提供的深入详细的甲烷调查，客户可以采取必要的纠正措施。虽然最终是由地面人员来修补这些泄漏，但我们的办法旨在大大减少对设施的亲自实地探访。每发现和阻止一处逸散性排放源，都代表着我们又朝减缓气候变化迈出了有意义的一步。

原文标题：发现甲烷神秘泄露的微型卫星

文章出处：【微信公众号：IEEE电气电子工程师学会】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。

责任编辑：haq