Kemiske sporstoffer løsner naturligt fra landbrugets metan-emissioner

Med naturgas, der blomstrer over Front Range, borerigge kan operere inden for fod fra kvægfarme. At delt arealanvendelse kan forvirre forsøg på at forstå tendenser i metan, en drivhusgas og luftforurening - de gasser, der udsendes fra disse forskellige kilder, blander sig sammen.

For at afvikle dem, et CIRES-ledet team har fornyet en ny, omkostningseffektiv teknik til effektivt at måle metan og en cocktail af tilknyttede kemikalier i atmosfæren, og at skabe en slags kemisk identifikationsmærke for metankilder.

"Metan er en vigtig drivhusgas. Men den har en høj global koncentration, så det kan være udfordrende at se dens specifikke kilder, " sagde Natalie Kille, CIRES Ph.D. studerende og hovedforfatter på undersøgelsen offentliggjort i dag i AGU-tidsskriftet Geofysiske forskningsbreve . "Denne teknik giver os mulighed for at fjerne baggrundskoncentrationen af ​​metan i vores analyse for tydeligt at se unikke kemiske sporstoffer."

"Tracers" er kemikalier, der er unikke for en enkelt kilde:Ethan er et fantastisk sporstof til olie- og gasdrift, for eksempel; og ammoniak er et sporstof til kvægbrug, ansvarlig for den umiskendelige ko lugt. Måling af niveauer af disse to sporstoffer hjalp holdet med at skille kilder til metan, der produceres lokalt af både landbrug og olie- og gasoperationer.

Ved at bruge instrumenter, der sidder på jorden og måler luften over, de kan øjeblikkeligt fange et øjebliksbillede af kemiske koncentrationer for metan og dets sporstoffer i luftsøjlen, der når fra overfladen og helt op til toppen af ​​atmosfæren. Holdet bruger derefter denne information til at fjerne metanbaggrunden - et koncept kendt som "overskydende kolonne" - så sporstofferne kan komme i centrum.

"Dette var den første undersøgelse til at måle overskydende søjler af alle disse molekyler samtidigt, " sagde Rainer Volkamer, CIRES-stipendiat, CU lektor i kemi, og tilsvarende forfatter på undersøgelsen. "Dette giver os et bedre håndtag til at adskille og kvantificere metankilder på regional skala."

Holdet oprettede et netværk af disse små instrumenter på tværs af Colorado's Front Range. Frank Hase og Thomas Blumenstock med det tyske Karlsruhe Institute of Technology udviklede en roman, bærbart spektrometer, der er i stand til meget præcise metanmålinger. Og CIRES/CU Boulder leverede Volkamers University of Colorado "CU mobile Solar Occultation Flux" instrument, der målte de kemiske sporstoffer ethan og ammoniak. Begge enheder udnytter sollys til at identificere hvert molekyle ved dets lysabsorberende fingeraftryk.

"Disse to instrumenter blev sat op side om side i Eaton, Colorado, inden for det, vi kalder 'methan-kuplen' i Denver-Julesburg-bassinet, " sagde Volkamer. "I de områder, hvor der findes naturgas- og kvægbrug, der udsendes metan, og blander sammen fra begge kilder, danner en boble inde i det atmosfæriske grænselag, der udvider sig og trækker sig sammen, som om den ånder."

For at måle baggrundskoncentrationerne af metan, holdet oprettede to yderligere KIT-instrumenter (et drevet af National Center for Atmospheric Research) uden for methan-kuplen, i Boulder og Westminster, hver omkring 60 miles væk fra Eaton. Disse data hjalp Kille med at beregne - og derefter fjerne - baggrundskoncentrationen af ​​metan for at isolere lokalt produceret metan og de to vigtige kemiske sporstoffer.

I tidligere arbejde med at udrede kilder til metan, videnskabsmænd har ofte indsamlet kolbeprøver af luft, enten fra jorden eller med fly, for detaljeret analyse tilbage i et laboratorium. Men nogle kemikalier, inklusive ammoniak, kan klæbe til indersiden af ​​nogle dåser, skabe udfordringer.

I dette arbejde, de små og bærbare instrumenter kunne indsættes næsten hvor som helst til realtidsmålinger af den åbne atmosfære. I Eaton, holdet stillede op på parkeringspladsen bag et bed and breakfast.

Baseret på data fra fem dages målinger i 2015, holdet fandt, at olie- og naturgasoperationer var ansvarlige for det meste af den metan, der blev produceret i Denver-Julesburg-bassinet, med landbrugskilder som en vigtig, men mindre kilde.

Undersøgelsen afslørede også nogle forvirrende observationer, som vil kræve yderligere udforskning:f.eks. når metankoncentrationerne er meget lave, landbrugets kilder er relativt mere betydningsfulde.

Disse resultater kan hjælpe naturgasoperatører, kvægbønder, og deres tilsynsmyndigheder træffer mere informerede beslutninger om metanbegrænsning.

I fremtiden, forskerne håber at generere en langsigtet tidsserie over flere sæsoner for at se, hvordan metankilder i regionen ændrer sig over tid - en bedrift, der bliver mulig med lave omkostninger, autonome sensornetværk som dette. Forskere kunne også arbejde på at sammenligne disse data med dem indsamlet fra satellitter, at udvikle bedste praksis til at informere satellitobservationer, sagde Volkamer.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra AGU Blogs (http://blogs.agu.org), et fællesskab af blogs om jord- og rumvidenskab, vært af American Geophysical Union. Læs den originale historie her.