Инструменты и методы для отслеживания и изучения метана

Метан (CH₄) представляет для исследователей более сложные задачи, чем углекислый газ (CO₂), несмотря на меньшую распространенность в атмосфере. Это связано со сложностью количественной оценки его выбросов, которые происходят из «неупорядоченных» источников: протекающих газопроводов, пищеварения крупного рогатого скота и разлагающегося мусора на свалках. Количество выделяемого метана в этих случаях зависит от множества переменных, а сам источник часто трудно локализовать. Пол Веннберг, профессор атмосферной химии и инженерных наук об окружающей среде в Caltech, и его коллеги работают над созданием инструментов для идентификации, отслеживания и характеристики этого газа и его источников.

Один из ключевых методов — изотопный «отпечаток пальца» метана. Молекула CH₄ может содержать разные изотопы углерода (C-12, C-13, C-14) и водорода (протий, дейтерий, тритий), что придает ей уникальный вес. Определяя изотопный состав с помощью масс-спектрометрии, например, измеряя соотношение δ13C, можно установить происхождение образца. Так, легкий метан (с преобладанием C-12) обычно образуется при разложении растительной массы, а более тяжелый — из геологических источников.

Чтобы охарактеризовать метан, его сначала нужно обнаружить. В рамках кампании TOPDOWN Кристиан Франкенберг из Caltech и JPL провел доказательное исследование, используя низколетящие самолеты со спектрометрами для сканирования региона Four Corners в США. Инструменты, изначально созданные для дистанционного изучения поверхности Земли, смогли с точностью до трех метров идентифицировать более 250 отдельных источников метана. Оказалось, что 10% из них (в основном утечки из газопроводов) ответственны за половину всех выбросов. Работа, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Science, открывает путь для будущих аэросъемок метана.

Следующим шагом в развитии спектроскопических технологий является двухгребенчатая спектроскопия. Керри Вахала, профессор прикладной физики в Caltech, разработал миниатюрную систему на основе солитонов — самоусиливающихся волн, циркулирующих в оптическом резонаторе размером с микрочип. Эта технология, представленная в журнале Science, ляжет в основу нового сотрудничества с Франкенбергом для создания портативных систем анализа метана. «Мы объединяем исследователей из инженерии и естественных наук, чтобы решать большие проблемы с новых сторон», — говорит Веннберг.