Взгляд на метан сквозь призму космического спутника

Отслеживание выбросов метана на территории России в 2023 году

Темы

• Экологическая сторона медали
• Спутники в борьбе за климатическую прозрачность
• Особенности мониторинга выбросов от естественных источников
• Особенности мониторинга выбросов от антропогенных источников
• Объемы метана по ДДЗ

Метан представляет собой бесцветный газ без запаха. Он состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода (химическая формула - CH₄). На первый взгляд может показаться, что этот простой химический состав не заслуживает особого внимания, но метан играет ключевую роль в множестве процессов, касающихся как природы, так и человечества.

Фото: Essam Al-Sudani / Reuters

Экологическая сторона медали

В мировой классификации выделяют 6 основных парниковых газов: углекислый газ, он же диоксид углерода (CO₂), метан (CH₄), водяной пар (H₂O), закись азота (N₂O), озон (O₃), фторированные газы.

Воздействие парниковых газов

Метан играет ключевую роль в эффекте глобального потепления. Он поглощает тепловое излучение более эффективно, чем наиболее распространенный углекислый газ (CO₂). Период распада составляет 10-12 лет, но, несмотря на сравнительно короткий период жизни и небольшую концентрацию, в сравнении с двуокисью углерода, эффект от метана в 25 раз сильнее. Относительно короткий срок жизни метана в атмосфере подразумевает, что любое снижение антропогенных выбросов CH₄ способствует замедлению негативных климатических процессов.

По данным государственного доклада федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (РОСГИДРОМЕТ) «Об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2022 год», в последние годы наблюдается увеличение среднегодовых концентраций метана. Эти концентрации измеряются на российских арктических станциях Териберка и Тикси. В 2022 году уровень концентрации метана достиг рекордных значений, приблизившись к 2020 млрд^-1 (частей на миллиард).

МГЭИК, или Межправительственная группа экспертов по изменению климата, подразделяет основные источники метана на естественные и антропогенные и определяет их следующим образом: 

Спутники в борьбе за климатическую прозрачность

В последние десятилетия развитие космических технологий и запуск специализированных спутников позволили повысить эффективность и масштаб мониторинга выбросов метана на Земле. Спутники, оснащенные инфракрасными спектрометрами, фиксируют утечки метана в атмосферу над всей земной поверхностью.

Фиксация выбросов происходит за счет поглощения метаном определенных длин волн в инфракрасном спектре. Это позволяет определить концентрацию газа в атмосфере. Более того, спутники предоставляют глобальное покрытие, позволяя мониторить выбросы метана даже в отдаленных или труднодоступных районах.

Анализ метановых выбросов в данном исследовании производился по данным европейского КА Sentinel -5. Прибор TROPOMI располагается на борту Copernicus Sentinel-5 Precursor. Он представляет собой спектрометр, охватывающий диапазоны длин волн между ультрафиолетом и коротковолновым инфракрасным диапазоном.  

Различные газы в атмосфере поглощают солнечный свет по-разному, создавая своего рода уникальный «отпечаток» в отраженном свете, который фиксирует спутниковый сенсор. Полученные данные проходят корректировку. Вносятся поправки, компенсирующие искажения от самого спутника, наличия в атмосфере облачности и аэрозолей.

В основе применяемых технологий обработки данных лежит метод обратного моделирования. Это означает, что работу начинают с оценки измерений спутника и продолжают работу в обратном направлении, чтобы выяснить атмосферные условия (например, концентрацию метана), которые приведут к получению таких значений измерений. Этот процесс включает в себя сложные математические формулы и модели взаимодействия света с различными газами в атмосфере, которые учитывают физику рассеяния и поглощения света.

Определение концентрации метана представляет собой итерационный процесс. Алгоритм делает первоначальное предположение о концентрации метана, а затем вычисляет, что должен увидеть спутник, если это предположение верно. Он сравнивает этот расчетный результат с фактическими измерениями, и разница помогает скорректировать оценку концентрации метана.

Измерения концентрации метана космическими аппаратами не являются прямыми. Но они позволяют достоверно обнаруживать и классифицировать крупные выбросы в масштабах всей страны. 

Особенности мониторинга

Пример повышенной концентрации метана над поселком Вишневогорск в Каслинском районе Челябинской области (14 июня 2023)

Спутником ежедневно создается покрытие. Но из-за облачности и других ограничивающих факторов некоторые пиксели не удовлетворяют критериям качества (пороговое значение 50%). В результате значения пикселей в некоторые дни отсутствуют.

На космоснимке Sentinel-5 красные области представляют превышение концентрации метана в воздухе (около 2000 млрд-1), желто-зеленые цвета представляют фоновое значение содержания молекул метана (1850-1860 млрд-1), а белые области - отсутствие данных из-за облачности.

Особенности мониторинга выбросов от естественных источников

Естественные источники выбрасывают метан в атмосферу постоянно, но в малом количестве. Малые концентрации быстро рассеиваются в воздухе и отследить их при помощи ДДЗ в верхних слоях атмосферы становится невозможно.

Космоснимок Ресурс-П от 14.05.2017 на торфяные болота Кировского района, Ленинградской области

На рисунке отображены значения содержания метана в атмосферном воздухе над лесными массивами, осушенными и обводненными торфяными болотами Кировского района Ленинградской области. Площадь торфяных разработок в пределах космоснимка составила 322 кв. км. Концентрация метана в воздухе над торфяными болотами в среднем не превышает фоновых значений над лесами.

Особенности мониторинга выбросов от антропогенных источников

Источники антропогенного загрязнения тесно связаны с активностью человека и могут быть:

• постоянными
• временными
• периодическими

ПОЛИГОНЫ ТБО

Высокодетальный космоснимок Ресурс-П отображает один из самых крупных рекультивированных полигонов ТБО «Северная Самарка» в Ленинградской области. Площадь полигона ТБО составляет 345 тыс. кв. м. Несмотря на проведенную рекультивацию объекта, наблюдается повышенное содержание метана - 1876 млрд-1.

Примером антропогенного загрязнения воздуха с постоянными метановыми выбросами являются полигоны ТБО. Образующийся в результате анаэробного разложения органических отходов свалочный газ на 50-75% состоит из метана.

Выбросы метана с полигонов ТБО могут быть оценены при сравнении с фоновыми значениями. Каждый столбец графика представляет значение концентрации метана, полученное по данным ежедневных космических наблюдений.

Выбросы от рекультивированных полигонов ТБО «Северная Самарка» и «Тимохово» значительно превышают фоновые значения по стране.

Высокодетальный космоснимок полигон ТБО «Тимохово», расположенный в Московской области, позволяет определить на территории 320 тыс. кв. м. проведение частичной рекультивации. А еще на 400 тыс. кв. м. продолжается сбор и переработка отходов. Аналогично предыдущему объекту, над полигоном ТБО «Тимохово» была выявлена повышенная концентрация метана.



ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Источниками периодических единичных крупных выбросов (более 5 тонн/час) на территории России являются объекты нефтегазового комплекса или тяжелой промышленности. Эти выбросы метана в основном спровоцированы аварийными ситуациями или особыми условиями эксплуатации.

Потенциальные источники загрязнений

На рисунке выше представлены превышения максимальных значений концентрации метана в атмосфере над медианным максимальным значением по стране за 2023 год. Потенциальными источниками загрязнения этой территории могут являться нефтегазовая промышленность Нового Уренгоя и ДКС "Ярынская" на магистральном газопроводе Бованенково-Ухта.

На графиках представлены годовые показатели концентрации метана над рассматриваемыми объектами. Среднегодовое значение концентрации метана над ДКС "Ярынская" на магистральном газопроводе Бованенково-Ухта в 2023 году составило 1895 млрд^-1. 13 июля 2023 года на объекте наблюдается выброс метана в атмосферу, который временно повысил фоновую концентрацию газа на 22% (до 2314 млрд^-1).

Новый Уренгой является производственным центром крупнейшего газоносного района России. Среднегодовое значение концентрации метана в окрестностях Нового Уренгоя в 2023 году составило 1890 млрд^-1. 5 августа 2023 года на объекте наблюдается выброс метана в атмосферу, который временно повысил концентрацию газа на 26% - до 2374 млрд^-1.

Еще одним значимым источником крупных выбросов метана на территории России является Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс). Это одно из самых крупных угольных месторождений мира.

На карте показаны превышения максимальных значений над медианными максимальными по стране. Данные получены с многовременных космоснимков Sentinel-5. Точками отмечены пиковые концентрации метана за 2023 год в воздухе над крупнейшей в России угольной шахтой «Распадская» и угольным разрезом с открытым типом разработки.

Угольные шахты и разрезы — частый источник метана. В процессе добычи угольные пласты, содержащие метан, высвобождают его в атмосферу. Это происходит из-за разрушение геологических структур, в которых залегает метан, в процессе эксплуатации. В результате концентрация газа в шахтном воздухе повышается, и его особым образом выводят через вентиляционные подземные шахты. Как следствие, метан начинает активно попадать в атмосферу. Именно эти поступления фиксируют спутники.

В отличие от относительно редких случаев утечки метана при добыче и транспортировке нефти и газа, процесс добычи угля характеризуется систематическими и значительными выбросами метана в атмосферу. Причем такие вбросы происходят не только из активно эксплуатируемых шахт, но и из заброшенных.

Объемы метана по ДДЗ

Кроме того, что данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) обеспечивают возможность обнаружения присутствия и локализации выбросов, они также предлагают метод для приблизительного расчета объема газа, попадающего в атмосферу. Этот метод включает умножение концентрации газа на высоту столба газа над поверхностью. Вся необходимая для этого информация доступна в данных третьего уровня обработки спутников Sentinel-5. Например, на иллюстрации показан процесс расчета объема метана, выброшенного в атмосферу в течение 3-4 октября над Черногорским каменноугольным месторождением, расположенным в Минусинском угольном бассейне. Высота газового столба, использованная для определения концентрации метана, составляла 3 км, при этом общий объем выбросов за два дня оценивается в 40,47 тонн.

Объем метановых выбросов над Черногорским каменноугольным месторождением за 3-4 октября 2023

В масштабах страны

Согласно результатам проведенного анализа ДДЗ за 2023 год в России обнаружены места выбросов метана. Всего за 2023 год зафиксировано 132 выброса. Детектируемыми источниками загрязнения являются в основном объекты антропогенного типа, которые включают в себя полигоны ТБО (5 объектов), объекты тяжелой промышленности (55 объектов), объекты нефтегазового комплекса (72 объекта).

Некоторые источники поступления метана в атмосферу успешно идентифицируются по своему местонахождению.

К примеру, регулярно поставляет метан в атмосферу газопровод Уренгой-Помары-Ужгород и нефтепровод Дружба.

Газопровод Уренгой-Помары-Ужгород — один из основных экспортных газопроводов России. Чтобы поддерживать давление и поток на большие расстояния, на всём маршруте расположен ряд компрессорных станций, которые помогают продвигать газ дальше. Нефтепровод Дружба – крупнейшая в мире система магистральных нефтепроводов, разделенная на северную и южную части. В систему нефтепровода входит 8900 км трубопроводов (из них 3900 км на территории России), 46 насосных станций, 38 промежуточных насосных станций, а также резервуарные парки и предприятия по переработке нефти.

Метановые выбросы, связанные с транспортировкой нефти и газа

Утечки метана могут происходить как на самих трубопроводах, так и в результате аварий на станциях и предприятиях. Использование оптической космической съемки позволяет идентифицировать промышленные комплексы и надземные трубопроводы. Сравнивая имеющиеся карты нефтегазопроводов, можно быстро определить какие точки выбросов относятся к инфраструктуре того или иного трубопровода.

Динамика выбросов в течение года показывает отсутствие сезонности или связи с конкретным месяцем. Распределение пиковых выбросов равномерное.

Это указывает на постоянный характер их происхождения и возможно связано с непрерывным процессом производства или определенными характеристиками производства, не подверженными сезонным изменениям.

Проанализирована годовая статистика выбросов по регионам Российской Федерации. Лидерами по поставкам метана в атмосферу являются крупнейшие добывающие регионы. На первом месте по кол-ву выбросов находится Кемеровская область, где зафиксировано 40 выбросов за 2023 год. Преимущественно локализация выбросов вблизи Кузбасса. На втором и третьем месте главные газо- и нефтедобывающие регионы — ХМАО и ЯНАО (19 и 12 выбросов, соответственно).

Выводы

Данные дистанционного зондирования Земли являются эффективным методом определения загрязнения атмосферы отдельными газами, включая метан. Космические аппараты с узкими диапазонами спектральной съемки способны обнаруживать крупные выбросы метана в атмосферу.

Источниками выбросов метана в атмосферу становятся природные (пресноводные болота и озера, дикие животные и насекомые), и антропогенные объекты (нефтегазовая инфраструктура, тяжелая добывающая промышленность, свалки и полигоны ТБО).

За 2023 год крупнейшими источниками выбросов метана в атмосферу на территории России являются нефтегазовые объекты по переработке и транспортировки нефти и газа, а также объекты угольной добывающей промышленности. Из-за этого главными поставщиками метана в атмосферу являются Кемеровская область, ХМАО и ЯНАО, где сконцентрирована значительная часть добывающей промышленности.

Существуют эффективные меры для сокращения выбросов метана. Основными путями сокращения поставок парниковых газов в целом и метана в частности считается: повышение энергоэффективности и снижение ресурсоемкости экономики; улавливание (сбор) метана; использование специальных технологий и мероприятий, снижающих выбросы метана в существующих на настоящий момент процессах. Россия в рамках международного соглашения активно внедряет новейшие технологии для снижения выбросов парниковых газов и оперативно устраняет аварийные ситуации на объектах.