卫星与飞越测量受关注：垃圾填埋场甲烷排放监测迎来新视角

到2023年，至少10颗由非政府组织运营的卫星将环绕地球，拍摄垃圾填埋场泄漏的甲烷——一种强效温室气体。这些设备中已有数颗发射升空，它们代表着废弃物行业长期愿望的首批实现：直接测量填埋场排放，而非依赖模型估算。时机恰到好处，因为减缓气候变化的努力日益聚焦于减少甲烷，将其视为快速应对危机的关键途径之一。

目前，要求特定报告使用其他估算模型的法规限制了该技术的应用。它主要作为设施的备用核查手段，或用于收集非正式可持续发展报告中的甲烷排放数据。然而，对该技术的投资增加和企业的关注，可能使遥感评估在设施追踪其气候变化贡献方面发挥更大作用——前提是监管机构、科学家和企业能就每次飞越的开展方式和解读达成一致。

甲烷成为焦点

近期关于遏制全球变暖的讨论中，甲烷比二氧化碳获得了更多关注。政府间气候变化专门委员会（IPCC）最新报告首次将甲烷减排列为短期和长期气候变化控制的强力选项。尽管甲烷在约十年后于大气中迅速衰减，但在其存在的前20年内，其暖化效力约为二氧化碳的80倍。削减甲烷排放被视为最快减缓变暖的最佳策略之一。

IPCC报告发布后不久，欧盟和美国宣布了一项计划，各国承诺到2030年将甲烷排放减少30%。据总统乔·拜登在本周早些时候的联合国气候变化大会（COP26）上所言，约100个国家已签署该承诺。尽管拜登政府的气候战略更侧重于控制油气作业中的甲烷，但也将填埋场列为优先领域，并于今年早些时候采取措施监管废弃物相关甲烷。签署国还同意“转向使用最佳可用清单方法量化甲烷排放”——这一过程与固体废弃物行业密切相关。

美国环保署（EPA）估计，城市垃圾填埋场是美国第三大人为甲烷排放源。因此，联邦和州法律要求数百个独立设施每年报告温室气体排放。大多数运营者遵循称为“一阶衰减模型”的协议，该模型基于填埋场废弃物类型和覆盖层等因素估算排放。

尽管EPA官员和一些独立研究人员表示，这些评估方法严重低估了填埋场排放，但许多设施运营者不同意。直接测量，填埋场运营者认为，可以解决这一差异。

“我们有兴趣追求更准确的测量系统，并相信我们的填埋场排放量低于当前方法报告的水平，”废物管理公司高级副总裁兼首席可持续发展官Tara Hemmer在声明中表示。

该公司自至少2007年起参与直接测量填埋场排放的研究项目。2019年，它启动了一个项目，研究空中和卫星搭载的甲烷检测设备。废物管理公司计划到2025年“开发更准确的填埋场排放测定方法”。

在废物管理公司宣布其空中测量计划之前，NASA喷气推进实验室（JPL）已与加州空气资源委员会（CARB）及多所学术机构合作，于2016年至2018年在加州开展飞越甲烷评估。尽管废物管理公司和其他填埋场运营者认为传统计算高估了排放，但JPL主导的研究发现并非如此。该项目得出结论，该州41%的最大甲烷点源来自填埋场，其排放水平高于CARB一阶衰减模型的估算。

JPL主导的检测工作已扩展到国际范围，其他开发遥感甲烷技术的非政府组织也在创建或规划其他全球测绘项目。一些组织不愿透露评估将如何展开，或测量是否会表明建模系统高估或低估了排放。

“我不想说我们在解决一场争论，”Carbon Mapper的项目科学家Daniel Cusworth表示。Carbon Mapper是一家非营利组织，正在发射卫星以测量甲烷，其系统源于JPL研究。

他认为，基于卫星的检测技术最能感知点源排放，但难以捕捉自下而上计算所考虑的、从填埋场各处缓慢逐渐释放的甲烷。然而，在理解填埋场产生多少甲烷方面，“存在监测和量化缺口”，Cusworth说。目标是填补缺失的部分。

空中视角

在JPL协助下飞越加州检测甲烷的飞机，依赖一种称为成像光谱仪的设备来收集排放读数。该技术正成为开发空中甲烷检测器的组织日益流行的选择，它本质上是拍摄甲烷浓度的照片。

光谱仪利用阳光照射地球后反射回大气的方式捕捉图像。波长返回的方式取决于途中吸收它们的物质，如植物和水蒸气。不同物质吸收不同波长，而甲烷吸收其特定范围。

当甲烷传感光谱仪飞越填埋场时，设备记录与该温室气体相关的波长在返回大气途中如何被改变。

GHGSat是首批提供此类摄影服务的公司之一。这家加拿大公司提供空中甲烷评估，并收集客户（包括填埋场运营者）可授权使用的数据。

GHGSat提供的最高分辨率甲烷测量是飞机上的光谱仪，该公司能源、填埋场和采矿销售总监Brody Wight说。一次飞越仅扫描500米宽的地带，因此航班常曲折飞行以覆盖整个场地，使该选项更昂贵且耗时，Wight说。无人机也因成本、时间和技术因素不被视为填埋场应用的理想选择。

公司提供的更经济路线是GHGSat卫星。目前有两颗在轨用于商业用途，另有八颗计划到2022年入轨，收集甲烷数据的过程更直接：客户提供坐标，下次设备飞过时，光谱仪瞄准并收集图像。公司可要求设备每周最多收集一次12公里×12公里的数据快照，一旦更多卫星运行，可能提供更频繁的数据收集。

客户请求飞越的频率由他们决定，只要数据用于内部目的，如何处理也由他们决定，Wight说。例如，运营者可能在现场施工并想检查，或认为设备可能运行不正常，想确保排放仍符合预期。

GHGSat提供跨景观的甲烷浓度彩色编码地图，以及每小时释放甲烷千克数的估算。该估算基于其收集的数据快照，使用同行评审论文中发表的方法进行外推，Wight说。任何组织都可购买这些信息。“我们不隐瞒数据可供监管机构购买的事实，”Wight说。

Carbon Mapper采取不同方法。如果一切按计划进行，这家非营利组织将公开所有甲烷读数，并使其像滚动全球地图一样易于阅读，Cusworth说。点击设施——从油气开采地到填埋场——用户将能看到Carbon Mapper为该地点收集的数据，如气体羽流图像和计算的甲烷排放率。

最终，由彭博慈善基金会最近捐赠的2500万美元等捐款资助的Carbon Mapper，将依赖卫星获取数据。前两颗计划于2023年发射，到2025年将有更多在轨，每个地点至少每周收集一次数据。这些设备将是首批捕捉低至每小时100千克甲烷点源泄漏的卫星。

随着数据到来，Carbon Mapper将收集并发布该倡议视为主要甲烷排放源的所有设施信息。填埋场可能占多少映射位置“因地区差异巨大”，Cusworth说。对于卫星读数，排放约每小时100千克甲烷的地点符合条件；对于空中测量，每小时10千克及以上的点源将计入。

后续步骤

专家表示，要使遥感技术在甲烷报告中发挥更大作用，组织必须提供一定程度的透明度。飞越填埋场的光谱仪仅捕捉一图之宽的排放数据。但风、温度、大气压力和一年中的时间都是影响填埋场在特定时刻可能释放或看似释放多少气体的条件示例。

“当你开始真正思考如何理解这种变异性时，这不是一项小工程，”环境研究与教育基金会总裁兼首席执行官Bryan Staley说。该基金会是一个废弃物行业支持的研究组织，已领导多项遥感甲烷调查。

将飞越测量转换为每小时排放率估算，需要解释天气影响读数的模型。如果联邦监管机构、州监管机构和技术提供商要同意计算或数据正确，内部测量过程必须向他人开放。随着Carbon Mapper推进，Cusworth说，该计划打算分享其如何验证数据收集——通过受控气体释放试验——并将通过NASA提供的原型版本等门户发布结果数据。

由于GHGSat收集的所有信息可供任何人购买，公司努力让客户对共享信息感到舒适。“如果监管机构习惯了这类数据，那么这使他们日后能将其视为有意义的东西，”Wight说。

Staley怀疑，如果监管机构制定遥感用于甲烷报告的标准，要求可能包括每次空中数据捕获的分辨率精细程度，以及最终数字中计入的飞越次数等细节。

技术运营者已在这些问题上存在分歧。例如，GHGSat不告诉客户在将数据转换为整体排放估算前，设施应进行多少次飞越。另一方面，Carbon Mapper旨在每周至少测量每个设施一次。

监管机构依赖卫星和飞机进行填埋场甲烷报告的情景仍遥遥无期。

CARB发言人表示，该机构预计在可预见的未来使用自己的排放建模方法。这些基于清单的方法仍可改进。例如，进入各填埋场的每种有机废弃物更精确的体积将使排放估算更准确。但CARB要求填埋场使用的自下而上清单技术与EPA和国际协议类似，因此允许监管机构跨方法比较结果。

与此同时，用该技术构建可靠甲烷估算所需的飞越次数仍被认为过于昂贵。

“在必要的时间尺度上提供空中覆盖以解决检测源的间歇性和持久性问题，成本高昂，”CARB发言人在电子邮件中写道。“将高光谱传感器移至卫星将解决其中一些问题，但也需要多颗卫星进行频繁测量。”

一些废弃物公司自愿发布环境、社会和治理（ESG）影响报告，这可能是运营者将空中甲烷评估引入公共领域的最早途径之一。尽管公司在ESG报告中采用日益标准化的数据（有时应投资团体要求发布），但报告对排放计算方式的标准较宽松。遥感测量结果何时出现在报告中是“百万美元问题”，Staley说。

无论卫星和飞机技术变得多好，设备和由此产生的排放估算都无法修复地面上导致甲烷释放的任何问题。减少填埋场产生的温室气体量是估算技术背后的最终驱动力，也是CARB等机构仍关注的焦点。

改进填埋场覆盖层或气体收集设备可发挥作用，后者在受欢迎程度和盈利能力上日益增长。但也有可能实现更大变革。

“填埋场的首要任务仍然是完全避免填埋材料，”CARB发言人说，“这为减少填埋场甲烷排放提供了最直接的途径。”