如何解決看不見的問題呢？幾十年來，許多二氧化碳和甲烷等溫室氣體源在未被檢測到的情況下逸散到了大氣中。衛(wèi)星正在讓這些看不見的東西變得可見。
克服地面監(jiān)測的局限性
研究人員有許多可利用的工具來測量溫室氣體，從地面監(jiān)測設(shè)備到氣象氣球再到海洋浮標(biāo)。這些工具使他們能夠較為精確地估算出大氣中溫室氣體的總量。但它們在確定溫室氣體排放源方面并不出色。
地面?zhèn)鞲衅髂軌驅(qū)植康臏厥覛怏w排放情況進行精確測量。無人機和飛機進行的空中勘測可以識別出局部的排放源。但這些方式缺乏全球范圍的覆蓋。
IEEE 高級會員Inderpreet Kaur表示：衛(wèi)星發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它能夠?qū)φ麄€地球，包括海洋、沙漠和極地等偏遠地區(qū)，提供全面、持續(xù)的監(jiān)測覆蓋，而在這些地區(qū)，地面?zhèn)鞲衅骱涂罩锌睖y的作用是有限的。
衛(wèi)星是如何做到的
大氣中的氣體吸收不同波長的太陽光。大多數(shù)溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)星依靠光譜成像儀來檢測這些吸收模式，從而能夠發(fā)現(xiàn)大氣中的甲烷和二氧化碳的含量水平。大多數(shù)溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)星在短波紅外光譜范圍內(nèi)運行，這對于檢測二氧化碳和甲烷特別有效。
傳感器技術(shù)在不斷進步。最新的儀器采用高光譜成像技術(shù)來捕捉數(shù)百個波長波段。這使得檢測多種氣體成為可能，并幫助研究人員區(qū)分氣體和傳感器產(chǎn)生的噪聲。
分辨率至關(guān)重要
大約三十年來，一些地球觀測衛(wèi)星已經(jīng)能夠探測到溫室氣體，盡管它們最初是為其他目的而設(shè)計的。
最早以監(jiān)測溫室氣體為主要任務(wù)而設(shè)計的衛(wèi)星是日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)的溫室氣體觀測衛(wèi)星（GOSAT），該衛(wèi)星于2009 年發(fā)射。GOSAT 采用寬幅成像方法，監(jiān)測溫室氣體濃度的大規(guī)模變化趨勢。
隨后，美國國家航空航天局（NASA）的軌道碳觀測衛(wèi)星- 2（OCO-2）以及包括中國的碳衛(wèi)星（TanSAT）在內(nèi)的其他幾顆衛(wèi)星相繼發(fā)射。這些寬幅衛(wèi)星共同為氣候模型提供了重要數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)還揭示出，溫室氣體排放量在全球范圍內(nèi)都存在被低估的情況。
這促使研究人員開始尋找溫室氣體排放源，尤其是甲烷，在20年的時間里，甲烷的致暖能力大約是二氧化碳的80倍。要做到這一點，就需要發(fā)射分辨率越來越高的衛(wèi)星。2016年，一家私人機構(gòu)發(fā)射了溫室氣體演示衛(wèi)星（GHGSat-D），也被稱為克萊爾（Claire）。該衛(wèi)星搭載的成像儀的能力大約是軌道碳觀測衛(wèi)星-2（OCO-2）的20倍，每個像素能捕捉到一塊50米乘50米的地面區(qū)域（https://spectrum.ieee.org/tracking-carbon-polluters-from-space）。
Kaur表示：分辨率越高，就能夠更精確地檢測和監(jiān)測像管道泄漏或工業(yè)場所排放這類較小的排放源。如果沒有足夠的分辨率，排放可能會被遺漏或錯誤歸因，從而使得有效解決相關(guān)問題變得困難。
有多少衛(wèi)星在跟蹤溫室氣體？
根據(jù)地球觀測衛(wèi)星委員會的溫室氣體衛(wèi)星任務(wù)數(shù)據(jù)庫，截至2025年，至少有9顆專門用于全球溫室氣體監(jiān)測任務(wù)的衛(wèi)星已被發(fā)射升空（https://database.eohandbook.com/ghg/）。
另外還有11項排放源探測任務(wù)——其中一些任務(wù)由多顆衛(wèi)星執(zhí)行——專注于識別特定的甲烷和二氧化碳排放源。還有數(shù)十顆通用地球觀測衛(wèi)星也搭載了能夠探測溫室氣體的傳感器。
此外，軌道上還有許多搭載了高光譜成像儀的通用衛(wèi)星，它們能夠探測溫室氣體水平。
實際應(yīng)用案例
研究人員利用新的機器學(xué)習(xí)模型，結(jié)合寬幅監(jiān)測站點和高分辨率監(jiān)測站點的數(shù)據(jù)，在2021年發(fā)現(xiàn)了近3000個甲烷超級排放源（https://phys.org/news/2023-09-trio-sentinel-satellites-methane-super-emitters.html#google_vignette）。
聯(lián)合國國際甲烷排放觀測站（IMEO）負責(zé)監(jiān)測石油和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的甲烷泄漏情況，已向各國和各公司發(fā)出了1200多份通知。
2023年，科學(xué)家利用一個私人衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一條有故障的天然氣管道發(fā)生大量甲烷泄漏。地面上無人注意到該泄漏，而該泄漏每小時釋放出200多千克甲烷（https://www.nceo.ac.uk/news-media/methane-leak-in-the-uk-detected-using-satellites/#:~:text=Observation%20www,detected%20from%20space%20and%20mitigated）。
美國國家航空航天局（NASA）最近利用其軌道碳觀測衛(wèi)星-2（OCO-2）的數(shù)據(jù)，對全球100個國家的碳排放進行了國家級規(guī)模的跟蹤監(jiān)測。
未來展望
至少有10項不同的溫室氣體測繪衛(wèi)星任務(wù)計劃在2026年及以后實施，其中3項致力于廣泛監(jiān)測全球溫室氣體水平，7項旨在探測自然和人為排放源的排放羽流。
機器學(xué)習(xí)正被用于分析衛(wèi)星產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)從海量數(shù)據(jù)中識別關(guān)鍵信息過程的自動化。
一個新興趨勢是利用靜止軌道衛(wèi)星持續(xù)監(jiān)測特定區(qū)域，如北美、中東和北極地區(qū)，因為這些地區(qū)的永久凍土融化有可能將大量甲烷釋放到大氣中。
另一個新興趨勢是：溫室氣體測繪越來越多地成為私人組織的工作范疇，這些組織將泄漏檢測視為一項業(yè)務(wù)，同時也涉及政府組織與非政府組織之間的合作。其中一個例子是甲烷衛(wèi)星（MethaneSAT）項目，它能夠檢測到低至十億分之三的氣體濃度。
促成這一切的一個因素是：物理硬件在尺寸和成本上都有所縮減，這使得許多能夠協(xié)同工作的小衛(wèi)星得以部署。這些衛(wèi)星星座意味著可以獲取更大量的數(shù)據(jù)以及實現(xiàn)更高的成像分辨率。
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