Værktøjer og teknikker til at spore og studere metan

Metan er mindre udbredt i atmosfæren end anden drivhusgas kuldioxid (CO2), men det giver sværere udfordringer for forskere, der forsøger at studere det.

De fleste producenter af CO2 kan nemt estimere deres CO2-fodaftryk – hvilket eliminerer behovet for tæt sporing. For eksempel, kraftværker, der brænder fossile brændstoffer ved, til en høj grad af nøjagtighed, hvor meget CO2 der produceres af deres aktiviteter. Desuden, CO2-kilderne er nemme at identificere. Den CO2, der produceres ved at brænde kul i en ovn, sprøjtes ud af den vedhæftede skorsten.

Metan emissioner, derimod er sværere at kvantificere, dels fordi de kommer fra kilder som utætte rørledninger, der sender naturgas, gæring af vegetabilsk materiale inde i kvægets maver, og nedbrydning af affald på lossepladser. Disse kilder betragtes som "rodet" af forskere, fordi adskillige variabler styrer, hvor meget metan de vil frigive, og hvor. For eksempel, mængden af ​​metan, der produceres ved nedbrydning af affald på en losseplads, afhænger af typen af ​​materiale på lossepladsen og lokale miljøforhold. Yderligere, kilden til emissionerne kan være svær at præcisere i betragtning af det store areal en losseplads kan dække.

"Metan er særligt problematisk, siger Paul Wennberg, R. Stanton Avery professor i atmosfærisk kemi og miljøvidenskab og teknik ved Caltech.

Wennberg, som også er direktør for Ronald og Maxine Linde Center for Global Environmental Science, arbejder sammen med kolleger på tværs af instituttet – både videnskabsmænd og ingeniører – for at studere metan og dets virkninger på kloden og for at bane vejen for værktøjer og teknikker, der er nødvendige for at identificere, spore, og karakterisere gassen og dens kilder.

Fingeraftryk Metan

Et metanmolekyle består af et kulstofatom omgivet af fire brintatomer. Imidlertid, ikke al metan er skabt lige. Elementer har typisk flere isotopiske former. Isotoper er atomer af det samme grundstof, der adskiller sig i antallet af neutroner i deres kerner. Kulstof, for eksempel, har tre isotoper:kulstof-12, kulstof-13, og det radioaktive kulstof-14. Kulstof-12, med seks neutroner ud over seks protoner, tegner sig for næsten 99 procent af kulstofatomerne. Den langt mindre udbredte C-13 har syv neutroner; C-14, otte. Ligeledes, brint kommer i tre isotopiske former. Langt den mest almindelige, tegner sig for 99,98 procent af brintatomer, er hydrogen-1, eller protium, som kun har en enkelt proton. Brint-2, eller deuterium, har en proton og en neutron; radioaktivt brint-3, tritium, har en proton og to neutroner. Fordi neutroner har masse, hver af disse isotoper har forskellig vægt.

Et givet molekyle af metan, derefter, kan have en hvilken som helst af de tre isotoper af kulstof og forskellige kombinationer af isotoper af brint - hvilket giver forskellige molekyler af metan forskellig vægt. Bestemmelse af denne isotopsammensætning skaber en stadig mere granulær beskrivelse af et givet metanmolekyle, siger John Eiler, Caltechs Robert P. Sharp professor i geologi og professor i geokemi.

"En god metafor er et fingeraftryk, " siger Eiler. "Hvis jeg kun er i stand til at observere en eller to former af et molekyle, ville det være, som om dit tommelfingeraftryk kun havde en eller to streger på sig. Hvis det var tilfældet, ingen domstol i verden ville dømme dig baseret på at se en eller to snoede linjer på noget, du har stjålet." Med de hundredvis af unikke mønstrede linjer af et fuldt fingeraftryk, imidlertid, en domstol kan tænke anderledes.

Eilers laboratorium bruger et massespektrometer til at opnå dette fulde fingeraftryk, sigte ioner ud baseret på vægt og derefter kvantificere de forskellige isotoper, de finder. Holdet bruger denne teknik til at udforske en række emner fra brints kredsløb gennem jordens indre til de geokemiske kredsløb af vand på andre planeter end jorden.

Med isotopiske fingeraftryk af metan, Eiler kan bestemme oprindelsen af ​​en given prøve, for eksempel ved at sammenligne forholdet mellem kulstof-13 og kulstof-12 i promille, en figur kendt som δ13C, udtales "delta tretten C." Jo lavere tal, jo mere kulstof-12 – og, derfor, jo lysere prøven. For eksempel, isotopisk let metan kommer typisk fra forrådnende plantemateriale, mens metan frigivet fra geologiske kilder har en tendens til at være tungere.

At forstå kilderne til metan hjælper forskere med at udvikle en dybere viden om de processer, der genererer metan, ud over at hjælpe med at fastlægge metankilder i atmosfæren og spore underjordiske kilder til brændbar naturgas.

Udpegning af metan

Selvfølgelig, at karakterisere metan, først skal du kunne finde det. I en proof-of-concept-undersøgelse udført sidste sommer, Christian Frankenberg, som har en fælles ansættelse som lektor i miljøvidenskab og teknik ved Caltech og forsker ved JPL, ledet et forsøg på at lokalisere metanfaner i Four Corners-regionen i USA ved hjælp af lavtflyvende fly.

Methan hot spot i Four Corners-regionen blev oprindeligt opdaget af Eric Adam Kort fra University of Michigan, sammen med Frankenberg og kolleger, ved hjælp af observationer foretaget af en europæisk satellit, SCIAMACHY. I forlængelse af denne observation, et samarbejde mellem forskere fra JPL/NASA sluttede sig til Twin Otter Projects Defining Oil/gas Well emissions (TOPDOWN) kampagnen for at undersøge regionen med to fly, der flyver en til tre kilometer over jorden. Flyene var udstyret med termiske og kortbølgede til nær-infrarøde spektrometre. Disse instrumenter bruges til at identificere og kvantificere metan og andre molekyler.

Spektrometrene blev oprindeligt udviklet til at studere de kemiske og fysiske egenskaber af jordens overflade (sten, jord, og vegetation) fjernt. Imidlertid, de viste sig at være følsomme nok til at lokalisere kilder til metan inden for tre meter.

"Vi misbruger dybest set spektrometre til det, de aldrig var beregnet til at gøre, " siger Frankenberg. "Det er et rigtig heldigt tilfælde, at de arbejder."

Mere end 250 individuelle metankilder blev påvist i Four Corners-undersøgelsen. Ti procent af disse kilder - som viste sig hovedsageligt at være rørledninger, der lækker naturgas - var ansvarlige for halvdelen af ​​emissionerne. Identificering og sporing af disse lækager, Frankenberg siger, er en win-win for både miljøet og energiindustrien, da begrænsning af lækager både vil mindske udledningen af ​​drivhusgasser og mindske drænet på energileverandørernes overskud.

Frankenbergs undersøgelse viste, at metanfaner kunne ses via luftscanninger. Hans arbejde, offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Science den 15. august, åbner døren til fremtidige metanundersøgelser fra luften.

"Det, vi ønsker fremadrettet, er forbedret opløsning. Snævrere absorptionslinjer og strammere geografisk fokus, "hvilket ville hjælpe med at fastlægge placeringen og det isotopiske fingeraftryk af metan, han siger.

Den næste generation

På forkant med spektroskopisk teknologi er dual-comb spektroskopi.

Spektroskopi bygger på det faktum, at atomer absorberer og udsender lys ved forskellige bølgelængder.

Dobbeltkam spektroskopi erstatter konventionelle værktøjer, der bruges til at måle disse forskelle, som interferometre, med to strømme af optiske impulser - giver brugerne mere detaljeret information end traditionel spektroskopi.

Nøglekomponenten i dual-comb-systemer er den enhed, der kræves til at generere disse optiske pulsstrømme, som i øjeblikket er omfangsrigt og dyrt og derfor ikke er den slags værktøj, der kan flyves til en overkommelig pris på fly til undersøgelser som TOPDOWN.

Indtast Kerry Vahala, Ted og Ginger Jenkins professor i informationsvidenskab og teknologi og professor i anvendt fysik, som har banet vejen for miniaturisering af højopløsningsspektrometre.

Vahala havde tidligere udviklet en cirkulær optisk resonator, der er i stand til at generere og lagre lysimpulser kaldet solitoner - lokaliserede bølger, der fungerer som partikler. Når ensomme rejser gennem rummet, de holder deres form i stedet for at sprede sig som andre bølger. Solitonerne ræser rundt om den cirkulære resonator, udløser en udsendt lysimpuls, hver gang de passerer et bestemt sted på kredsløbet.

Som sådan, Vahala havde midlerne til at skabe flere optiske impulsgeneratorer, hver på størrelse med en mikrochip.

"Ideelt set et håndholdt dual-comb spektroskopisystem kunne anvendes i felten. Imidlertid, nuværende systemer er for store og omfangsrige. Så vi erstattede den traditionelle optiske impulsgenerator med et soliton-baseret system, der kan miniaturiseres, " han siger.

Vahalas nye soliton-baserede system blev afsløret i journalen Videnskab den 9. oktober — og er grundlaget for et nyt samarbejde med Frankenberg om at anvende dual-comb spektrometeret til metansporing og analyse.

"Dette er, hvad vi gør hos Caltech, " siger Wennberg om det nye projekt. "Vi forener forskere fra ingeniørvidenskab og videnskab og bruger deres forskelligartede ekspertise til at tackle store problemer fra nye vinkler."