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【应用】基于无人机系统(UAS)的甲烷排放测量

发布人: 来源: 发布时间:2024-05-06 23:04:25


概述
甲烷作为一种强效温室气体,在气候变化中扮演着重要角色。准确测量甲烷排放对于了解和减缓其环境影响至关重要。传统方法通常缺乏精确性,并且在实时数据采集方面存在困难,因此需要创新解决方案。近日,Jonathan F. Dooley等科学家团队成功开发了一种高灵敏度无人机系统,无人机系统(UAS)与先进传感器(Aeris传感器)的集成提供了一种有望彻底改变甲烷排放测量的方法, 通过分析C2H6/CH4比值,研究人员成功区分了生物源和热源甲烷排放,并能够对不同来源的甲烷排放进行精确量化。

该系统已用于直接量化点源排放,以及像垃圾填埋场这样的分布式排放源,其测量能力覆盖排放速率0.04kg/h~1500kg/h(最低检测限约0.007kg/h),排放速率量化下限超过卫星和飞机CH4监测系统,有助于减小和弥合基于地面和自上而下的测量系统之间的测量差距。通过CH4和C2H6混合比、矢量风速和位置数据的同时测量使得源分类(生物源与热源)、区分和排放速率无需对风、垂直混合或其他环境条件进行建模或先验假设。该UAS已在美国西南部部署用于系统验证和有针对性地量化各种低于其他飞机和卫星系统检测限的源头。该系统提供了一种直接、可重复的方法,用于水平和垂直剖面排放羽流,提供了对于区域空中调查以及本地地面监测提供互补信息的尺度。该工作于2024年3月19日发表于EGUSphere上(https://doi.org/10.5194/egusphere-2024-760)。


方法
该研究利用了配备快速(1 Hz)又灵敏(CH4:1ppb;C2H6:0.5ppb)的Aeris MIRA传感器的集成无人机系统。Aeris MIRA传感器以其高灵敏度和实时数据采集能力而闻名,可以精确测量甲烷浓度。传感器利用3.3μm CH4吸收带的强吸收能力,其CH4灵敏度为0.84ppb/s,而对乙烷(C2H6)的灵敏度小于0.5ppb/s。无人机系统被策略性地操控,围绕着目标源(如油气井、废弃井、污水处理厂和垃圾填埋场)展开多次飞行,以捕获全面的数据。该工作综合评估了相对风速调整、背景混合比估算、飞行模式选择和直接通量量化等,确保测量精度最优。

无人机系统(UAS)设计概述。(左)系统框图:(A)Trisonica Mini气象传感器(TWS),(B)双开口采样器进气口,(C)Matrice 600 Pro无人机(M600P UAV),(D)Raspberry Pi 4机载计算机,以及(E)Aeris MIRA Pico传感器。TWS和采样器进气口(A和B)安装在M600P旋翼之上85cm高的碳纤维管桅杆上
高斯羽流模拟飞行:(顶部)排放源直下风处X米处的羽流横截面,模拟的横截线显示为虚线。(中部) 在恒定水平横截线速度Vs下的模拟横截面重采样。(底部) 中心线水平位置的随机变化,模拟变化的风条件和时间上分离的羽流横截面


结果
Aeris MIRA传感器与无人机系统的集成产生了显著结果。传感器的高灵敏度使其能够检测到低至20 ppb的CH4增强和2ppb的C2H6增强,超过了传统监测方法的测量能力。

从东侧(左下角)、南侧(右下角)和从上方(右上角)观察的羽流横截线飞行模式
两次下风处天然气点源的试飞中CH4和C2H6基线估计残差(ε0 = χ0 − χbg)的分布。对于CH4和C2H6增强检测,3σ置信区间(99.7%)约为20 ppb和2 ppb


无人机通过量化从每小时0.040千克(kg/h)到排放达到1500 kg/h的受控释放的广泛范围内的排放量,展示了该系统的宽动态范围。实时数据采集促进了即时分析和决策制定,提高了排放量量化的效率。

2022年11月的8次独立飞行中无人机计算的通量与相应解盲计量排放的比较显示出了非常高的一致性。左图突出了UAS的宽动态范围。右图侧重于大多数飞机量化方法检测限度以下的排放率
新墨西哥州垃圾填埋场的示例飞行
新墨西哥州索科罗市污水处理的厂示例飞行
多个独立场地的乙烷与甲烷增强比率,不同排放源都展示出了乙烷与甲烷增强比率的稳定性
不同排放源估算甲烷通量的比较。无人机系统具有较大的动态范围,能够量化来自较小源(小于1千克/小时)的排放速率。水平虚线显示了与本系统估算的下限(约0.007千克/小时)相对应的卫星和飞机量化方法的绝对最低检测限


Aeris MIRA传感器的优势和应用
高灵敏度:Aeris MIRA传感器卓越的灵敏度使其能够检测到微小的甲烷增强,这对于准确量化甲烷排放甚至来自低强度源的排放至关重要。
实时数据采集:传感器实时数据采集的能力提供了即时反馈,允许现场调整和优化测量策略。
宽动态范围:从检测微量甲烷浓度到测量大规模排放,Aeris MIRA传感器展示了广泛的动态范围,适用于各种应用场景。
精确性和准确性:Aeris MIRA传感器在甲烷测量方面的精确性和准确性通过在复杂环境条件下持续可靠的数据得到了证实。
多功能性:Aeris MIRA传感器的多功能性使其能够集成到各种无人机平台中,扩展了其在不同行业和研究领域中的适用性。


结论
Aeris MIRA传感器与无人机技术的成功集成标志着甲烷排放测量的重大进展。该研究结果突显了Aeris MIRA传感器在灵敏度、实时数据采集和多功能性方面的优势,展示了其在彻底改变环境监测工作中的潜力。通过进一步的研究和开发,Aeris MIRA传感器有望被广泛应用于气候变化减缓策略中,为准确高效的甲烷排放量化提供了强大工具。