美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员升级了一项高精度技术，旨在监测甲烷(一种关键温室气体)和其他微量气体的排放，即使在恶劣的现场条件下也是如此。测量甲烷排放并查明其来源是减少甲烷排放的重要一步——这是 150 多个国家最近在 2023 年联合国气候变化大会上签署的《全球甲烷承诺》的目标。

NIST 升级的排放监测技术使研究团队能够估算科罗拉多州北部约 855 平方公里(330 平方英里)地区两个月内的甲烷排放量。一项描述他们工作的研究发表在《地球物理研究快报》杂志上。

这项研究检查了农业、石油和天然气生产这两个主要来源的排放量，得出了两个意想不到的发现。首先，集中动物饲养场(CAFO)的甲烷排放量高于预期。其次，尽管产量不断增加，但研究区域石油和天然气生产的总排放量在过去几年似乎已趋于稳定。

NIST 研究员兼该研究的合著者凯文·科塞尔 (Kevin Cossel) 表示：“收集此类数据有助于政策制定者了解排放量随时间的变化，以便他们能够相应地调整法规。”

100 年内，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。但要管理甲烷排放，您需要对其进行测量，这带来了许多技术挑战。

追踪甲烷排放的传统方法基于经济活动。例如，可以通过将集中饲养场的动物数量乘以每只动物排放的甲烷量的估计值来计算集中饲养场的排放量。另一方面，NIST 方法通过直接测量大气中甲烷和其他气体的变化来估算排放量。

利用光谱法进行精确发射测量

NIST 设置使用频率梳，这是一种特殊类型的激光，具有多种颜色或波长，可测量空气中路径上的气体浓度。甲烷和其他气体会吸收特定波长的光，然后在从附近位置部署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下吸收了多少光，以确定这些气体的浓度，并帮助查明产生发射的源类型。

该频率梳光谱仪的先前版本已使用多年，但最新版本拥有更高的稳健性、便携性和对不同气候的适应性。

“我们有这个系统的早期版本，我们将其投入现场，但如果你查看数据，就会发现系统无法运行时会出现大量停机时间，”科塞尔说。“我们重建了系统，使其温度更加稳定，并改进了数据收集过程。”

NIST 研究员兼论文合著者 Griffin Mead 强调了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。“我们并没有在春季或秋季天气好的时候进行这些测量，”米德分享道。“当时是科罗拉多州的冬天;外面下雪、雨夹雪、冰雹、负温度。但是这个新系统在这种极端天气下运行得很好，而以前的版本在这些条件下无法工作。”

该系统的核心是由电信行业使用的光纤激光器构建的频率梳，现已投入商业使用，为公司和实验室在全国范围内复制该系统打开了大门。

超越甲烷

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和天然气以及农业部门的贡献，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。

排放监测的未来一片光明，米德和科塞尔计划测量其他气体，例如废水处理厂的一氧化二氮排放量。“我们的目标是进一步提高系统的灵敏度和精度，并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，这将提供一些区域差异，”科塞尔说。

随着国际社会加强对减少甲烷排放的关注，这项技术可以在为科学家、行业领导者和政策制定者提供准确且可操作的信息方面发挥至关重要的作用。

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