文摘
在未来几年,人类要做出选择,我们会为我们的燃料灯晚上看到,我们的炉子热餐,温暖我们的热水器洗澡,甚至我们的汽车。这些选择将会影响到我们呼吸的空气:燃烧燃料经常引起污染,像城市中的烟雾,几乎总是会导致空气中更多的温室气体。烟雾和温室气体影响地球冷却。我们今天有一个选择是:我们应该用燃料的电厂,煤炭或天然气?在最近的一项研究中,我和我的同事测量的温室气体排放来自三个美国最大的天然气田。我们发现用天然气代替煤炭发电厂提供燃料在空气中可能会导致更少的温室气体。
人类燃烧煤发电一百多年。煤主要是由碳元素构成的。当煤燃烧作为燃料发电,这个碳和二氧化碳释放到空气中。二氧化碳是一种温室气体,这意味着,它建立在大气中,它允许太阳的可见光来达到地球表面,但这陷阱地球发出的热量。因此,改变空气中二氧化碳的数量改变了地球冷却的方式,可能会导致气候变化。
天然气形成的地下水库,主要由气体组成称为甲烷,也可以用作燃料来发电。天然气的一个好处是,它释放更少的二氧化碳比煤用于发电。然而,甲烷也是一种温室气体,实际上是更有效地捕获地球的热量比二氧化碳。结果,当天然气撤出在地面下,任何逃脱的甲烷或“泄漏”的空气会抵消一些使用它作为燃料的好处。因此,找出泄露的甲烷从地下作为燃料燃烧之前将帮助我们确定哪些燃料更好的对地球的气候:天然气或煤。
天然气从全国各地许多领域使用井深钻到地面(图1)。可以有成千上万的井,一个大型天然气田和每一个可能有几十个点,可以泄漏天然气。我们怎么知道多少甲烷逃逸从整个天然气田在空气吗?
- 图1 -图的一个天然气井,钻到一个水库深层地球表面。
- 一旦天然气地面上,有很多地方可以泄漏到空气中。
科学家像我这样回答这个问题的方法之一是通过测量空气中的甲烷科学仪器研究飞机上。我安装在飞机甲烷测量仪(图2),然后把一个小管外的飞机,不断吸引外部空气通过管和仪表(图3)。通常,大约有两个分子的甲烷每一百万个分子的空气,所以仪器需要极其敏感!一旦进入甲烷测量仪,空气进入一个特殊的腔反射镜。一个激光光束射向腔和之间来回反射镜(图3)。甲烷在空气中吸收激光。激光甲烷越多,就越被吸收,因此通过测量激光在腔的数量,我可以告诉多少甲烷在空气中。
- 图2
- 一个。这是一幅我的站在我的仪器在NOAA P-3研究飞机。需要我的同事和我大约一个月我们所有的科学仪器安装在飞机。B。NOAA P-3研究飞机。从照片http://www.aoml.noaa.gov/hrd/pix/template/NOAA_P3_flight.jpg。
- 图3 -图我的甲烷的乐器。
- 空气从外面通过管飞机。这空气进入空腔,激光是两个镜子之间的反弹。甲烷在空气中吸收激光。通过测量有多少光腔,我们知道多少甲烷在空气中。
2013年,我把这个乐器NOAA P-3研究飞机(图2),这是著名的飞入飓风。幸运的是,我没有飞到任何飓风(!),我和我的同事却飞到三个最大的天然气田在美国测量多少甲烷泄漏。图4显示了一个例子的飞行天然气田位于德克萨斯州和路易斯安那州的边界。使用P-3研究飞机,我测量了甲烷逆风和每个天然气田的顺风,我决定多少甲烷来自每个字段。我是怎么做呢?想象你把刚做好的馅饼在轻松的一天。你能闻到蛋糕更好当你的顺风逆风时相比。这是因为派发出移动的好味道。在这种情况下,饼是好的气味的来源,和你的鼻子检测到更多的好味道顺风的来源。同样,我的甲烷测量仪(鼻子)检测更多的甲烷(馅饼味道好)在空中顺风天然气产量的地区(饼)。在图4,天然气生产区域显示黑色和绿色广场,和路径显示飞机的黑线,这主要是由各种颜色覆盖显示检测到甲烷的量。最甲烷在空气中测量顺风这些领域,如图所示红色部分的飞机跑道。接下来,我把数据转换成一个数学方程,这基本上是空气中甲烷的差别顺风逆风,乘以风速,乘以低层大气的大小。在这些情况下,低层大气大:数万公里宽,1或2公里高。这个方程告诉我多少甲烷排放的天然气领域。
- 图4 -这张地图显示了NOAA P-3研究飞机的飞行轨迹(厚的黑色线)彩色的甲烷在飞行途中我们测量空气中。
- 顶部的规模可以看到——最温暖的颜色,黄色和红色,显示更多的甲烷;紫色显示背景水平的甲烷。总有一些甲烷通常出现在空中。也显示在该地区是天然气生产我们飞过,深绿色和黑色矩形显示领域最天然气从地下。一般来说,有更多的甲烷在空气中顺风(风向正确的角落的箭头所示)的天然气田比逆风,和最高的甲烷测量空气是顺风的地区大部分的天然气收集。换句话说,有更多的红色顺风的黑色和绿色区域。
我们怎么知道的甲烷来自天然气田,而不是另一个来源,像大的牧群,众所周知,产生大量的甲烷?除甲烷外,我和我的同事们还测量了其他的化学物质,包括氨和乙烷,从上飞机。牛向空中释放甲烷和氨,但没有乙烷。天然气,另一方面,既包含甲烷和乙烷,但没有氨。因此,我们可以告诉甲烷的来源取决于是否有更多的空气中氨或乙烷。在我们研究的三种天然气田,增加空气中的甲烷顺风的每个字段与乙烷的增加,但不是氨。因此,我们得出的结论是,天然气业务的主要来源是大气中甲烷。
最后,我们比较了甲烷的泄漏量的天然气田的天然气量被从地面(图5)。图5到目前为止的所有研究的结果表明,用甲烷测量仪和飞机测量甲烷泄漏天然气领域。两个左列图5研究结果显示在科罗拉多州和犹他州发生之前,我们的研究。三列显示从我们的研究结果。的前部分图5显示了天然气的体积来自地下,或生产,从五个天然气田。你可以看到三个字段在我学习大量的天然气产量占!中间部分显示多少甲烷泄露到空气中这些字段。底部,损失率的比例是被泄露给收集。例如,1.6%的天然气生产的斯威尔字段被泄露和大气。其他科学家(1)已经确定,发电厂燃烧天然气产生更少的温室气体比燃煤发电厂只有泄漏率低于3.2%左右。好消息是,甲烷的量我发现泄漏到空气从这些大型天然气田低于3.2%。甲烷泄漏量也低于先前的研究中发现了来自其他天然气田在科罗拉多州和犹他州,我们才知道我们研究这些较大的生产领域。我们还有更多的工作要做这种低泄漏率是否适用于其他领域的天然气生产在美国。我们使用的是P-3甲烷和其他研究飞机的测量在很多不同的地方,以确保我们真正理解什么是进入我们的空气。这些信息需要做出最好的选择不同燃料减少负面影响地球的气候。
- 图5 -总结的天然气生产、甲烷排放,甲烷亏损率从5天然气生产区域研究使用甲烷仪器上研究飞机。
- 本文中讨论的三个字段显示在右边。他们是斯威尔在德克萨斯州和路易斯安那州,在阿肯色州费耶特维尔字段,马塞勒斯在宾夕法尼亚州。这三个字段产生更多的天然气(情节),但较低比例的甲烷泄漏(情节)与Denver-Julesburg字段在科罗拉多州和犹他州Uinta字段显示在左边,这是来自另一个研究,我们没有执行。
术语表
烟雾:↑污染的空气是模糊的和不健康的呼吸。
温室气体:↑气体在空气中,让太阳的可见光通过,但吸收热量,不让它逃回太空。
天然气:↑主要是甲烷的混合物与乙烷和丙烷等其他气体作为燃料使用在家庭热水器和炉具,以及在电厂发电。
激光:↑的设备发出特定波长的光。
利益冲突声明
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
原始的文章
↑Peischl, J。瑞尔森,t . B。Aikin, k . C。de Gouw, j。吉尔曼,j·B。Holloway, j·S。,等。2015。量化大气甲烷排放量斯威尔,费耶特维尔,东北马塞勒斯页岩气生产地区。j .地球物理学。大气压>,120:2119 - 2139。jd022697 doi: 10.1002/2014
引用
[1]↑阿尔瓦雷斯,r。,帕卡拉s W。Winebrake, J·J。Chameides, w . L。汉堡,p . 2012。更需要关注甲烷泄漏天然气基础设施。Proc。国家的。学会科学。美国109:6435-40。doi: 10.1073 / pnas.1202407109
[2]↑Petron G。Karion,。《理发师陶德》,C。米勒,b R。Montzka, s。霜,G。,等。2014。新看甲烷和nonmethane碳氢化合物排放量在科罗拉多Denver-Julesburg盆地石油和天然气业务。j .地球物理学。> 119:6836-52大气压。jd021272 doi: 10.1002/2013
[3]↑Karion,。《理发师陶德》,C。Petron, G。霜,G。Hardesty, r . M。Kofler, J。,等。2013。从机载测量甲烷排放估计在美国西部天然气田。地球物理学。卷,40:4393-7。doi: 10.1002 / grl.50811