ملخص
سيمتلكالإنسان،فيالأعوامالقادمة،القدرةعلىاختيارالمصادرالتييحصلمنهاعلىالوقودالذييزودمصابيحالإنارةالتينملكهابالطاقةكينتمكنمنالرؤيةليلًا،ويزودمواقدنابالطاقةلنحصلعلىوجباتناساخنة،ويمدسخاناتالمياهالخاصةبنابالطاقةلنستمتعباستحمامدافئ،وسياراتناكذلك。وستؤثرهذهالخياراتعلىالهواءالذينتنفّسه:لأنّحرقالوقودغالبًامايُسببالتلوث،مثلالضبابالدخانيالذينجدهفيالمُدن،والذييؤديغالبًاإلىزيادةغازاتالاحتباسالحراري(أوغازاتالدفيئة)الموجودةفيالهواء。حيثُيؤثرالدخانوغازاتالاحتباسالحراريعلىالطريقةالتيتُحافظبهاالأرضعلىبرودتها。وأحدالخياراتالمتاحةلدينااليومهيتحديدنوعالوقودالذيينبغيعلينااستخدامهلتشغيلمحطاتتوليدالطاقة؛أيجب علينا استخدام الفحم أم الغاز الطبيعي؟قمناأناوزملائيفيدراسةأجريناهامؤخرًابقياسنسبةانبعاثاتغازاتالاحتباسالحراريالناتجةعنثلاثةمنأكبرحقولالغازالطبيعيالموجودةفيالولاياتالمُتحدة。وقداكتشفناأناستخدامالغازالطبيعيبدلًامنالفحمفيتزويدمحطاتتوليدالطاقةبالوقودقديؤديإلىوجودنسبةأقلمنغازاتالاحتباسالحراريفيالهواء。
لطالماقامالبشربحرقالفحمللحصولعلىالطاقةالكهربائيةعلىمدارمئاتالسنين。ويتكون الفحم بالأساس من عنصر الكربون。وينتشرهذاالكربونفيالهواءفيشكلغازثانيأكسيدالكربون،عندمايتمحرقالفحملتوليدالكهرباء。
ثاني أكسيد الكربون هو أحدغازات الاحتباس الحراري،ويعنيذلكأنهعندمايتراكمفيطبقةالغلافالجوي،يسمحلضوءالشمسالمرئيبالوصولإلىسطحالأرض،ولكنهيحبسالحرارةالمنبعثةمنالأرضويحولدونوصولهاإلىالفضاء。ولذلك،تتغيرالطريقةالتيتُحافظبهاالأرضعلىدرجةحرارتها،وربمايتغيرالمناخكنتيجةلتغييرنسبةغازثانيأكسيدالكربونفيالهواء。
يمكناستخدامالغازالطبيعي،الذييتكونفيالمستودعاتالجوفيةويتألففيمُعظمهمنغازيُسمىالميثان،كوقودلإنتاجالطاقةالكهربائية。ويعدانخفاضكميةثانيأكسيدالكربونالمنبعثةمنهمقارنةبالتيتنبعثمنالفحمالمُستخدملإنتاجالطاقةالكهربائيةإحدىمزاياه。وعلىكلالأحوال،يُعدغازالميثانمنالغازاتالمسببةللاحتباسالحراريبالإضافةإلىكونهأكثرفعاليةفيحبسحرارةالأرضمقارنةبغازثانيأكسيدالكربون。ونتيجةلذلك،فإنانبعاثأيكميةمنغازالميثانأوتسربهاإلىالهواءعنداستخراجهمنباطنالأرضسيُلغيبعضفوائداستخدامهكوقود。ولذلك،سيساعدناتحديدكميةغازالميثانالتيتتسربمنباطنالأرضقبلأنيتمحرقهاكوقودفيالاختياربينالغازالطبيعيأوالفحمبصفتهنوعالوقودالأفضلللمناخالأرضي。
ويُستخرجالغازالطبيعيمنمناطقعدةمنمختلفأنحاءالبلادباستخدامآبارعميقةحُفرتجيدًافيالأرض(الشكل1)．وقديحتويحقلالغازالطبيعيالواحدعلىآلافالآبار،وقديحتويالبئرالواحدعلىعشراتالمواضعالتيقديتسربمنهاالغازالطبيعي。ولعلالسؤالالأهمهو:كيفنُحددكميةغازالميثانالتيتتسربإلىالهواءمنأيحقلغازطبيعي؟
- شكل1 -رسمبيانيلإحدىآبارالغازالطبيعي،التيحُفِرتفيمستودععميقفيباطنالأرض。
- ويوجدالعديدمنالأماكنالتيقديتسربمنهاالغازالطبيعيإلىالهواءبمُجرداستخراجهمنهذاالمستودع。
وللإجابةعنهذاالسؤال،يُجيبالعلماءأمثاليبأنالطريقةالمُتّبعةهيقياسنسبةغازالميثانفيالهواءبواسطةجهازعلميمثبَّتعلىمتنطائرةمُخصصةلمهامالبحث。حيثُأقومبتثبيتجهازقياسنسبةغازالميثانالخاصبيفيالطائرة(الشكل2)،ثمأعلقأنبوبًاصغيرًاخارجالطائرةلسحبالهواءالطلقحتىيستقرداخلالجهاز(الشكل3)．ويوجدعادةًجزيئينمنغازالميثانفيالهواءلك1لمليونمنجزيئاتالهواء،ولذلكلابدأنيكونالجهازحساسًاودقيقًاللغاية!ويَدخُلالهواءإلىتجويفخاصمزودبمرآةتعكسالأشياءبدقة،وذلكبمُجرددخولهفيجهازقياسنسبةالميثانحيثيتمتوجيهشُعاعليزرإلى التجويف ليرتد ذهابًا وإيابًا بين المرآتين (الشكل3)．ويمتص غاز الميثان الموجود في الهواء ضوء الليزر。وأستطيعمعرفةكميةغازالميثانالموجودةفيالهواءمنخلالقياسكميةضوءالليزرالموجودفيالتجويف،لأنهكلمازادتكميةغازالميثان،زادتكميةضوءالليزرالممتصة。
- شكل 2 -一个هذهصورتيوأناأقفبجوارأجهزتيداخلالطائرةالبحثيةNOAA P-3。
- حيثاستغرقالأمرمنيأناوزملائيقرابةالشهرلتثبيتأجهزتناالعلميةفيالطائرة。B．صورة الطائرة البحثية noaa p-3。الصورة نقلًا عنhttp://www.aoml.noaa.gov/hrd/pix/template/NOAA_P3_flight.jpg．
- شكل3 -رسمبيانيلجهازقياسنسبةالميثانالخاصبي。
- حيثيقومالأنبوببسحبالهواءالموجودخارجالطائرة。ويدخلهذاالهواءإلىالتجويف،ليرتدشُعاعالليزربينالمرآتين。ويمتص غاز الميثان الموجود في الهواء ضوء الليزر。ونستطيعأننُحددكميةالميثانالموجودةفيالهواءمنخلالقياسكميةضوءالليزرالموجودةفيالتجويف。
2013年وفيعام،قمتبتثبيتهذاالجهازعلىالطائرةالبحثيةNOAA P-3 (الشكل2)،وهيالطائرةالمعروفةبقدرتهاعلىالتحليقأعلىالأعاصير。ولحسن الحظ، لم أضطر إلى التحليق أعلى أي إعصار!ولكنأناوزملائيحلقناأعلىثلاثةمنأكبرحقولالغازالطبيعيفيالولاياتالمُتحدةلقياسكميةغازالميثانالتيتتسربمنهذهالحقول。ويوضحالشك4لمثالًاعلىرحلةمتجهةإلىحقلغازطبيعييقععلىالحدودالتيتفصلبينولايةتكساسوولايةلويزيانا。حيثُقِستُنسبةغازالميثانالمنبعثةمنكلحقلغازطبيعيعندماكانانبعاثهعكساتجاهالرياحوعندماكانانبعاثهفياتجاهالرياح،وحددتُكميةغازالميثانالتيتسربتمنكلحقل،وذلكباستخدامالطائرةالبحثيةP-3。كيف فعلت ذلك؟تخيلأنكتصطحبمعكفطيرةطازجةللخارجفييومعاصف。وأنكستتمكنمنشمرائحةالفطيرةبشكلأفضلعندماتكونفياتجاهالرياحبوضعهافيعكساتجاهالرياح。وذلكنتيجةلتحركالرائحةالذكيةللفطيرةمعاتجاهالرياح。وفيهذهالحالة،تكونالفطيرةهيمصدرالرائحةالذكية،حيثُيكتشفأنفكالرائحةبشكلأفضلبكثيرعندوضعمصدرهافياتجاهالرياح。
وبالمثل،يكتشفجهازقياسنسبةغازالميثانالخاصبي(الذييعملبمثابةالأنف)كميةأكبرمنالميثان(الفطيرةذاتالرائحةالشهية)فيالهواءالذيتتجهفيهالرياحإلىمناطقإنتاجالغازالطبيعي(الفطيرة)。وفيالشكل4،تُمثلالمربعاتالسوداءوالخضراءمناطقإنتاجالغازالطبيعي،ويُمثلالخطالأسودمساررحلةالطائرة،حيثيغطىمُعظمهبألوانمُتنوعةتُشيرإلىكميةغازالميثانالمُكتشفة。حيثوُجدتالنسبةالأكبرمنغازالميثانفيالهواءالذييتوافقمعاتجاهالرياحفيهذهالمناطق،كماهوموضحفيالأجزاءالحمراءمنمسارالطائرة。وبعدذلك،أدخلتهذهالبياناتفيمُعادلةرياضية،هيبالأساسعبارةعنالفرقبيننسبةغازالميثانالموجودةفيالهواءعندقياسهافيالهواءالمتوافقمعاتجاهالرياحمقابلعندقياسهافيالهواءالمعاكسلاتجاهالرياح،مضروبًافيسرعةالرياحوحجمالطبقةالسفلىمنالغلافالجوي。وفيهذهالحالات،تكونالطبقةالسفلىمنالغلافالجويكبيرة:حيثُيبلغعرضهاعشراتالكيلومترات،وارتفاعهامن1إلى2كم。وتوضحليهذهالمُعادلةكميةغازالميثانالمُنبعثةمنحقلالغازالطبيعي。
- شكل4 -توضحهذهالخريطةمساررحلةالطائرةالبحثيةNOAA P-3(الخطالأسودالسميك)وتمتلوينهوفقًالكميةغازالميثانالتيقِسناهافيالهواءأثناءالرحلة。
- ويمكنكرؤيةمقياسالرسمبالأعلى——وتُشيرالألوانالأكثردفئًا،الأصفروالأحمر،إلىالكميةالأكبرمنغازالميثان،كمايُشيراللونالأرجوانيإلىالمستوياتالأساسيةمنغازالميثان。ويوضحذلكوجودنسبةدائمةمنغازالميثانفيالهواء。كمايوضحنسبةإنتاجالغازالطبيعيفيالمنطقةالتيحلقنافوقها،وتُشيرالمُستطيلاتذاتاللونالأخضروالأحمرالداكنإلىالمناطقالتيتُستخرجمنهاالكميةالأكبرمنالغازالطبيعيمنباطنالأرض。وبشكلعام،وجدناكميةأكبرمنالميثانفيهواءحقلالغازالطبيعيالذييتوافقمعاتجاهالرياح(اتجاهالرياحموضحبالسهمالموجودفيالزاويةاليمنى)مقارنةًبالهواءالمعاكسلاتجاهالرياح،كماأنناوجدناالكميةالأكبرمنغازالميثانفيالهواءالذييتوافقمعاتجاهالرياحفيالمناطقالتييُستخرجمنهامُعظمكميةالغازالطبيعي。وبصيغةأخرى،توجدمناطقباللونالأحمرتُشيرإلىتوافقالهواءمعاتجاهالرياحأكثرمنالمناطقذاتاللونينالأسودوالأخضر。
ولعلالسؤالالذييدورفيخاطركالآنهو:كيفنعرفأنغازالميثانيتسربمنحقلالغازالطبيعي،وليسمنمصدرآخر،علىسبيلالمثال،منقطيعضخممنالماشيةمعروفبكمياتغازالميثانالضخمةالتييُنتجها؟بالإضافةإلىذلك،قسناأناوزملائيمجموعةأخرىمنالموادالكيميائيةعلىمتنالطائرةبجانبغازالميثان،ومنهاغازالأمونياوغازالإيثان。وينبعثغازالميثانوغازالأمونيامنالأبقارإلىالهواء،لكنلاينبعثمنهاغازالإيثان。وعلىالنقيض،يحتويالغازالطبيعيعلىغازالميثانوغازالإيثاندونغازالأمونيا。ولذلك،يُمكنناأننُحددمصدرغازالميثانبناءًعلىالنسبةالأكبرمنغازالأمونياأوغازالإيثانفيالهواء。وتتوافقالزيادةفينسبةغازالميثانالموجودفيالهواءالمتوافقمعاتجاهالرياحفيكلحقلمنالحقولالثلاثةالتيدرسناهامعنسبةغازالإيثان،علىعكسغازالأمونيا。وبذلكنستنتجأنعملياتإنتاجالغازالطبيعيهيالسببالرئيسيلوجودالميثانفيالغلافالجوي。
وأخيرًا،قارناكميةغازالميثانالتيتسربتمنحقولالغازالطبيعيبكميةالغازالطبيعيالمُستخرجمنباطنالأرض(الشكل5)．يوضحالشكل5نتائجالدراساتالتيتوصلناإليهاحتىالآن،والتييُستخدمفيهاجهازقياسنسبةالميثانوطائرةلقياسنسبةتسربالميثانمنحقولالغازالطبيعي。ويوضح العمودان جهة اليسار فيالشكل5نتائجالدراساتالتيأُجريتفيكولورادوويوتاقبلدراستنا。كما توضح الثلاثة أعمدة جهة اليمين نتائج دراستنا。ويوضحالجزءالأعلىمنالشك5كلميةالغازالطبيعيالمُستخرجةمنباطنالأرض،أوالمُنتَجَةمنحقولالغازالطبيعيالخمسة。ويُمكنكمُلاحظةأنالثلاثةحقولالتيتناولناهافيدراستناتمثلالجزءالأكبرمنإنتاجالغازالطبيعي!ويوضحالجزءالأوسطكميةغازالميثانالتيتسربتللهواءمنهذهالحقول。ويُمثلالجزءأسفلالشكل،مُعدلالفقدأوالخسارة،وهومُقارنةالنسبةالتيتسربتبالنسبةالمُستخرجةمنالغاز。علىسبيلالمثال،تتسربنسبة1.6%منالغازالطبيعيالمُستخرجمنحقلهاينسفيل،وتُفقدفيالغلافالجوي。وقرر عُلماء آخرون [1]أنمحطاتتوليدالطاقةالتيتعملبالغازالطبيعيتنبعثمنهانسبةمنغازاتالاحتباسالحراريأقلمنمحطاتتوليدالطاقةالتيتعملبالفحم،وذلكإذالميتجاوزمُعدلالتسرب3.2%。والأخبارالسارةهيأننسبةتسربغازالميثانالمُنبعثةمنحقولالغازالطبيعيالضخمةهذهإلىالهواءلمتتجاوز3.2%。كماأنالكميةالمُتسربةمنغازالميثانأقلمماتمالعثورعليهفيالدراساتالسابقةالمُتعلقةبحقولالغازالطبيعيالأخرىالموجودةفيكولورادوويوتا،والتيلمنعرفعنهاحتىدرسناهذهالحقولالكبيرةلإنتاجالغازالطبيعي。
- شكل5 -مُلخصلعمليةإنتاجالغازالطبيعي،وانبعاثاتغازالميثان،ومُعدلاتتسربغازالميثانمنمناطقإنتاجالغازالطبيعيالخمسةالتيدرسناهاباستخدامجهازقياسنسبةغازالميثانالمُثَبَّتعلىمتنالطائرةالبحثية。
- حيثتظهرالحقولالثلاثةالتيدرسناهافيهذاالبحثعلىيمينالشكل。وهيحقلهاينسفيلالموجودعلىحدودولايتيتكساسولويزيانا،وحقلفايتفيلالموجودفيأركانساس،وحقلمارسيلوسالموجودفيبنسلفانيا。وتُنتجهذهالحقولالثلاثةالكميةالأكبرمنالغازالطبيعي(الرسمالبيانيالعلوي)معوجودنسبةأقلمنتسربغازالميثان(الرسمالبيانيالسفلي)مُقارنةبحقلدنفر——جولسبيرجالموجودفيكولورادووحقلأوينتاالموجودفييوتاالمُدرجينعلىيسارالشكل،وهمامندراسةأخرىلمنقمبهابعد。
لايزالأمامناالكثيرلنفعلهلمعرفةمدىتطابقمُعدلالتسربالمنخفضهذامعالمناطقالأخرىلإنتاجالغازالطبيعيفيالولاياتالمُتحدة。ولذلكنستخدمالطائرةالبحثيةP-3وطائراتبحثيةأخرىللحصولعلىالنسبالدقيقةلتسربغازالميثانفيالعديدمنالأماكنالأخرىللتأكدمنأننانفهممايحدثفيهوائناحقًا。ولذلكفإنهذهالمعلوماتضروريةلاختيارأفضلأنواعالوقودلتقليلالآثارالسلبيةعلىمناخالأرض。
مسردللمصطلحات
الضباب الدُخاني(烟雾)：↑هو تلوث ضبابي وضار بالصحة يحدث في الهواء
غازاتالاحتباسالحراري/غازاتالدفيئة(温室气体)：↑غازاتتتواجدفيالهواءوتسمحلضوءالشمسالمرئيبالعبورمنخلاله،وتمتصالحرارة،وتحبسها،وتحولدونالتخلصمنهافيالفضاء。
الغاز الطبيعي(天然气)：↑خليط من غاز الميثان ومجموعة من الغازات الأخرى؛:غمثلازالإيثان،وغازالبروبانالذييُستخدمكوقودفيالمنازللتشغيلالسخاناتوالمواقد،بالإضافةإلىمحطاتالتوليدللطاقةالكهربائية。
شُعاع الليزر(激光)：↑جهاز ينبعث منه ضوء له طول موجي محدد وخاص جدًا
إقرار تضارب المصالح
يعلنالمؤلفونأنالبحثقدأُجريفيغيابأيعلاقاتتجاريةأوماليةيمكنتفسيرهاعلىأنهاتضاربمحتملفيالمصالح。
مقال المصدر الأصلي
↑Peischl, J.， Ryerson, T. B.， Aikin, K. C.， de Gouw, J. A.， Gilman, J. B.， Holloway, J. S.等。2015。量化海恩斯维尔、费耶特维尔和东北部马塞勒斯页岩气产区的大气甲烷排放量。j .地球物理学。研究大气压．120:2119 - 2139。jd022697 doi: 10.1002/2014
المراجع
[1]↑阿尔瓦雷斯，帕卡拉，s.w.， Winebrake, j.j.， Chameides, w.l.，和Hamburg, s.p. 2012。需要更加关注天然气基础设施的甲烷泄漏问题。Proc。国家的。学会科学。美国109:6435-40。doi: 10.1073 / pnas.1202407109
[２]↑Pétron, G.， Karion, A.， Sweeney, C.， Miller, B. R.， Montzka, S. A.， Frost, G.等。2014。科罗拉多州丹佛-朱尔斯堡盆地石油和天然气作业产生的甲烷和非甲烷碳氢化合物排放的新情况。j .地球物理学。研究大气压。119:6836-52。jd021272 doi: 10.1002/2013
[3]↑Karion, A.， Sweeney, C.， Pétron, G.， Frost, G.， Hardesty, R. M.， Kofler, J.等。2013。从美国西部天然气田上空的空中测量估计甲烷排放量。地球物理学。卷．40:4393-7。doi: 10.1002 / grl.50811