Z jaką dokładnością satelity potrafią wykrywać metan? Międzynarodowy zespół badawczy sprawdził, z jaką dokładnością kosmiczne przyrządy pomiarowe są w stanie wykrywać emisje metanu na Ziemi. Wyniki tych badań mogą pomóc w zlokalizowaniu znaczących źródeł metanu, usunięciu wycieków oraz ograniczeniu emisji tego silnego gazu cieplarnianego.
Moduły słoneczne zasilają urządzenia do uwalniania metanu w ośrodku badawczym w Casa Grande w Arizonie.
(Zdjęcie: Frances Reuland)
Był to jak dotąd największy kontrolowany test monitorowania metanu z kosmosu: zespół badawczy pod kierownictwem prof. Adama Brandta ze Stanford Doerr School of Sustainability przetestował w 2025 roku na pustyni w Arizonie wydajność satelitarnych przyrządów pomiarowych.
Wraz z doktorantką i pierwszą autorką Frances Reuland zespół przeprowadził 481 kontrolowanych emisji metanu. Eksperymenty zostały zaplanowane tak, aby zbiegały się w czasie z przelotami jedenastu satelitów państwowych, non-profit i komercyjnych, dzięki czemu satelity te mogły zarejestrować przebieg wydarzeń w ośrodku badawczym Uniwersytetu Stanforda w Casa Grande.
Zebrane dane zostały przeanalizowane niezależnie przez piętnaście zespołów badawczych z przedsiębiorstw, organizacji non-profit, agencji rządowych i uczelni wyższych w dziewięciu krajach. Sprawdzono, czy na danym zdjęciu satelitarnym widoczna była chmura metanu, a jeśli tak, to oszacowano, ile metanu się ulotniło. Następnie autorzy badania porównali oszacowane ilości z znanymi danymi dotyczącymi emisji i wskazali, które satelity osiągnęły najlepsze wyniki w pomiarach.
„Przez lata panował znaczny sceptycyzm co do tego, czy w ogóle można wiarygodnie monitorować metan z kosmosu. Wykrywanie tego gazu za pomocą satelity jest technicznie niezwykle trudne” – mówi kierownik badania Brandt. „Nasze wyniki powinny wzbudzić zaufanie organów nadzorczych, polityków, producentów metanu oraz społeczeństwa do monitoringu satelitarnego”.
Pomiar metanu z kosmosu – czy to wiarygodne?
Wyniki uzyskane przez jedenaście satelitów były bardzo zróżnicowane. Najlepiej wypadły przyrządy opracowane specjalnie do monitorowania metanu. Prawidłowo zidentyfikowały one od 92 do 100 procent testowych chmur.
Większość szacunków odbiegała od rzeczywistych wielkości emisji nawet o 50 procent w górę lub w dół. Średnio jednak przeszacowania i niedoszacowania w znacznym stopniu się równoważyły. Zdaniem autorów badania dane satelitarne są zatem wystarczająco wiarygodne, aby zidentyfikować duże wycieki do dalszych badań, ocenić intensywność emisji w różnych regionach wydobycia ropy i gazu oraz uzupełnić regionalne wykazy gazów cieplarnianych sporządzane przez organy władzy. Inwentaryzacja gazów cieplarnianych to systematyczne rejestrowanie i bilansowanie wszystkich emisji oraz pochłaniaczy gazów cieplarnianych.
Przy emisji wynoszącej około 50–200 kilogramów metanu na godzinę oraz w idealnych warunkach, czyli przy niewielkim zachmurzeniu i umiarkowanym wietrze, przyrządy niezawodnie wykrywały smugi metanu. Współczynnik emisji ten jest zbliżony do wartości progowej wynoszącej 100 kilogramów na godzinę, od której w ramach niektórych programów stanowych i krajowych dotyczących „dużych emitentów” uruchamiane są kontrole.
Ograniczenia systemów analizy metanu
Systemy monitorowania satelitarnego wykrywają metan za pomocą promieniowania podczerwonego odbijanego od powierzchni Ziemi. Ponieważ systemy te opierają się na odbitym świetle słonecznym, nawet specjalistyczne instrumenty satelitów GHGSat i Tanager-1 miały trudności z wykryciem smug metanu przez zachmurzone niebo.
Według autorów stanowi to problem w niektórych regionach, w których dochodzi do znacznych emisji metanu. Do regionów tych należą tropikalne kraje wydobywające ropę i gaz, takie jak Nigeria i Wenezuela, a także obszary o zimnym, pochmurnym klimacie, takie jak Kanada i Rosja. Konieczne są dalsze badania, aby zrozumieć, jak te systemy satelitarne i algorytmy działają nad terenami innymi niż pustynne, a także w różnych warunkach pogodowych i nad otwartą wodą.
Przy bezchmurnym niebie nad poligonem testowym w Casa Grande w Arizonie urządzenia przystosowane do pomiaru metanu, w tym między innymi niemiecki program monitorowania i analizy środowiska EnMAP, wykryły od 62 do 88 procent chmur metanu. Uniwersalne systemy obserwacji Ziemi na pokładach amerykańskich i europejskich satelitów rządowych wykryły jedynie od 29 do 37 procent. Były one szczególnie podatne na błędy w przypadku emisji poniżej 1 000 kilogramów na godzinę.
Stan na dzień: 20.11.2020 r.
Jest dla nas sprawą oczywistą, że w sposób odpowiedzialny obchodzimy się z danymi osobowymi użytkowników. Jeśli gromadzimy dane osobowe, przetwarzamy je zgodnie z obowiązującymi przepisami o ochronie danych. Szczegółowe informacje można znaleźć tutaj: Polityka prywatności.
Zgoda na wykorzystanie danych do celów reklamowych
Wyrażam zgodę na wykorzystywanie przez spółkę Vogel Communications Group GmbH & Co. KG, Max-Planck-Str. 7-9, 97082 Würzburg, Niemcy, oraz przez wszystkie spółki z nią powiązane w rozumieniu §§ 15 i nast. niemieckiej ustawy o spółkach akcyjnych AktG (dalej: Vogel Communications Group) mojego adresu e-mail do przesyłania mi newsletterów redakcyjnych. Lista spółek stowarzyszonych znajduje się tutaj.
Treść newslettera obejmuje produkty i usługi wszystkich wyżej wymienionych spółek, w tym na przykład czasopisma branżowe i książki specjalistyczne, wydarzenia i targi branżowe, a także produkty i usługi związane z wydarzeniami, oferty i usługi mediów drukowanych i wirtualnych, takie jak inne newslettery informacyjne, konkursy, kampanie leadowe, badania rynku online i offline, specjalistyczne portale internetowe i oferty e-learningowe. Jeśli pobrany został również mój osobisty numer telefonu, może być on wykorzystany do składania ofert dotyczących wymienionych wyżej produktów i usług wyżej wymienionych spółek oraz do badań rynkowych.
Moja zgoda obejmuje również przetwarzanie mojego adresu e-mail i numeru telefonu w celu porównania danych w celach marketingowych z wybranymi partnerami reklamowymi, takimi jak np. LinkedIn, Google i Meta. W tym celu Vogel Communications Group może przekazać wskazane dane w postaci zahashowanej partnerom reklamowym, a partnerzy ci mogą następnie wykorzystywać je w celu ustalenia, czy posiadam również konto w odpowiednich serwisach tych partnerów reklamowych. Grupa Vogel Communications wykorzystuje tę funkcję do celów retargetingu (upselling, cross-selling i budowanie lojalności klientów), tworzenia tzw. grup odbiorców podobnych (Lookalike Audiences) w celu pozyskiwania nowych klientów oraz jako podstawę do wykluczania odbiorców z bieżących kampanii reklamowych. Więcej informacji można znaleźć w sekcji „Porównanie danych w celach marketingowych” w polityce prywatności.
Jeśli otworzę na stronach internetowych chronione treści umieszczone na portalach Grupy Vogel Communications, w tym jej spółek stowarzyszonych w rozumieniu §§ 15 i nast. niemieckiej ustawy o spółkach akcyjnych AktG, muszę zarejestrować się, podając dodatkowe dane, aby uzyskać dostęp do tych treści. W zamian za bezpłatny dostęp do treści redakcyjnych, moje dane mogą być wykorzystywane zgodnie z niniejszą zgodą do tutaj określonych celów. Nie dotyczy to porównywania danych w celach marketingowych.
Prawo do wycofania zgody
Jestem świadomy(a), że w przyszłości mogę wycofać zgodę w dowolnym momencie. Wycofanie przeze mnie zgody nie ma wpływu na zgodność z prawem przetwarzania, którego dokonano na podstawie mojej zgody do momentu jej wycofania. Aby wycofać zgodę, mogę skorzystać z formularza kontaktowego dostępnego pod adresem https://contact.vogel.de/pl. Jeśli nie chcę już otrzymywać subskrybowanych przeze mnie newsletterów, mogę zrezygnować z subskrypcji naciskając w link znajdujący się na końcu newslettera. Więcej informacji na temat mojego prawa do wycofania zgody, a także konsekwencji wycofania zgody znajduje się tutaj: Polityka prywatności, sekcja Newslettery redakcyjne.
Z kolei systemy obserwacji powierzchni ziemi nie gromadzą wystarczającej ilości danych spektralnych, aby jednoznacznie wykrywać metan. Jednak zapewniany przez nie zasięg na dużych obszarach oraz dane archiwalne pozostają cenne, ponieważ pozwalają dokumentować długoterminowe trendy i wykrywać duże wycieki.
Sztuczna inteligencja często sygnalizuje obecność metanu tam, gdzie go nie ma
Główna autorka badania, Frances Reuland, w ośrodku badawczym w Casa Grande w Arizonie.
(Bild: Taylor Adams)
Aby sprawdzić, czy systemy błędnie sygnalizują wycieki, naukowcy udostępnili zespołom analitycznym dane z 265 przelotów, podczas których nie doszło do uwolnienia metanu. Fałszywe alarmy występowały stosunkowo rzadko w przypadku większości metod. Wyjątkiem były analizy oparte na nowych podejściach wykorzystujących sztuczną inteligencję.
Według badania 79 procent fałszywych alarmów zostało wygenerowanych przez zespoły, które analizowały dane z państwowych satelitów obserwacji Ziemi przy użyciu sztucznej inteligencji. Według naukowców nowe dane z eksperymentów przeprowadzonych w Casa Grande mogą jednak pomóc w udoskonaleniu analiz opartych na sztucznej inteligencji. „Dzięki tym badaniom dysponujemy wielokrotnie większą liczbą punktów danych pochodzących ze źródeł kontrolowanych niż kiedykolwiek wcześniej, co pozwala nam testować wykrywanie metanu z kosmosu” – mówi pierwsza autorka, Reuland.
Tak wyglądały uwolnienia metanu na pustyni
W ramach swoich badań naukowcy wykorzystali stosunkowo prostą konfigurację. W ośrodku badawczym przepuszczali sprężony gaz ziemny, składający się głównie z metanu, przez komin spalinowy i ustawili poziomy emisji tak, aby w przybliżeniu odpowiadały one źródłom punktowym, takim jak składowiska odpadów oraz instalacje naftowe i gazowe.
Zespół sterował uwalnianiem metanu przez Internet. Każda seria trwała od ośmiu do dziesięciu minut i wiązała się z uwolnieniem około 10 do 1 200 kilogramów metanu na godzinę. W całym okresie trwania eksperymentu zespół uwolnił w ten sposób do środowiska łącznie mniej niż 50 ton metanu. Odpowiada to rocznej emisji stada liczącego około 500 krów mlecznych lub około 13 sekundom globalnej emisji metanu pochodzącego z paliw kopalnych.
„Mamy nadzieję, że nasze ustalenia wpłyną na przebieg debaty dotyczącej emisji metanu: Nie powinno już chodzić o to, czy systemy te działają, ale o to, jak i gdzie można je najskuteczniej wykorzystać, aby przyspieszyć globalną redukcję emisji metanu, uwzględniając również kompromisy algorytmiczne” – piszą Reuland i jej współautorzy.
Usuwanie wycieków metanu nie tylko pomaga środowisku
Ograniczenie światowych emisji metanu stanowi jeden z głównych elementów międzynarodowych działań mających na celu spowolnienie globalnego wzrostu temperatury. Podczas gdy dwutlenek węgla ma dłuższy okres życia, metan zatrzymuje ciepło w atmosferze około 80 razy silniej w ciągu pierwszych 20 lat. W ten sposób ma on nieproporcjonalnie duży wpływ na globalne temperatury w najbliższej przyszłości.
Jeśli wycieki w instalacjach naftowych i gazowych będą szybko naprawiane, a celowe uwalnianie metanu będzie wykrywane i powstrzymywane, emisje ulegną zmniejszeniu. Ma to pozytywny wpływ nie tylko na klimat: naukowcy twierdzą, że niedrogie naprawy instalacji naftowych i gazowych mogą przynieść przedsiębiorstwom korzyści finansowe, ponieważ zmniejsza się strata gazu nadającego się do sprzedaży.
„Ponadto chodzi o bezpieczeństwo: metan jest gazem palnym i przyczynia się do powstawania ozonu przyziemnego, który szkodzi zdrowiu” – mówi kierownik badania Brandt. „Istnieje więc wiele powodów, by wspierać monitorowanie satelitarne. Przynosi ono korzyści zarówno środowisku, jak i producentom oraz społeczeństwu”.
Badanie zostało sfinansowane przez Global Methane Hub, Fundację Granthama, Saudi Aramco oraz program Stanford Knight-Hennessy Scholars, do którego Reuland należała jako stypendystka rocznika 2023. Praca ta została również wsparta przez Natural Gas Initiative, która jest częścią programu partnerskiego dla przemysłu prowadzonego przez Center for Fuels of the Future. Programy partnerskie dla przemysłu realizowane przez Uniwersytet Stanforda są finansowane ze składek członkowskich przedsiębiorstw.