概述
甲烷作為一種強(qiáng)效溫室氣體，在氣候變化中扮演著重要角色。準(zhǔn)確測(cè)量甲烷排放對(duì)于了解和減緩其環(huán)境影響至關(guān)重要。傳統(tǒng)方法通常缺乏精確性，并且在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方面存在困難，因此需要?jiǎng)?chuàng)新解決方案。近日，Jonathan F. Dooley等科學(xué)家團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了一種高靈敏度無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（UAS）與先進(jìn)傳感器（Aeris傳感器）的集成提供了一種有望徹底改變甲烷排放測(cè)量的方法， 通過(guò)分析C2H6/CH4比值，研究人員成功區(qū)分了生物源和熱源甲烷排放，并能夠?qū)Σ煌瑏?lái)源的甲烷排放進(jìn)行精確量化。

該系統(tǒng)已用于直接量化點(diǎn)源排放，以及像垃圾填埋場(chǎng)這樣的分布式排放源，其測(cè)量能力覆蓋排放速率0.04kg/h~1500kg/h（最低檢測(cè)限約0.007kg/h），排放速率量化下限超過(guò)衛(wèi)星和飛機(jī)CH4監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有助于減小和彌合基于地面和自上而下的測(cè)量系統(tǒng)之間的測(cè)量差距。通過(guò)CH4和C2H6混合比、矢量風(fēng)速和位置數(shù)據(jù)的同時(shí)測(cè)量使得源分類（生物源與熱源）、區(qū)分和排放速率無(wú)需對(duì)風(fēng)、垂直混合或其他環(huán)境條件進(jìn)行建模或先驗(yàn)假設(shè)。該UAS已在美國(guó)西南部部署用于系統(tǒng)驗(yàn)證和有針對(duì)性地量化各種低于其他飛機(jī)和衛(wèi)星系統(tǒng)檢測(cè)限的源頭。該系統(tǒng)提供了一種直接、可重復(fù)的方法，用于水平和垂直剖面排放羽流，提供了對(duì)于區(qū)域空中調(diào)查以及本地地面監(jiān)測(cè)提供互補(bǔ)信息的尺度。該工作于2024年3月19日發(fā)表于EGUSphere上（https://doi.org/10.5194/egusphere-2024-760）。

方法
該研究利用了配備快速（1 Hz）又靈敏（CH4：1ppb；C2H6：0.5ppb）的Aeris MIRA傳感器的集成無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。Aeris MIRA傳感器以其高靈敏度和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集能力而聞名，可以精確測(cè)量甲烷濃度。傳感器利用3.3μm CH4吸收帶的強(qiáng)吸收能力，其CH4靈敏度為0.84ppb/s，而對(duì)乙烷（C2H6）的靈敏度小于0.5ppb/s。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)被策略性地操控，圍繞著目標(biāo)源（如油氣井、廢棄井、污水處理廠和垃圾填埋場(chǎng)）展開(kāi)多次飛行，以捕獲全面的數(shù)據(jù)。該工作綜合評(píng)估了相對(duì)風(fēng)速調(diào)整、背景混合比估算、飛行模式選擇和直接通量量化等，確保測(cè)量精度最優(yōu)。

結(jié)果
Aeris MIRA傳感器與無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的集成產(chǎn)生了顯著結(jié)果。傳感器的高靈敏度使其能夠檢測(cè)到低至20 ppb的CH4增強(qiáng)和2ppb的C2H6增強(qiáng)，超過(guò)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的測(cè)量能力。

無(wú)人機(jī)通過(guò)量化從每小時(shí)0.040千克（kg/h）到排放達(dá)到1500 kg/h的受控釋放的廣泛范圍內(nèi)的排放量，展示了該系統(tǒng)的寬動(dòng)態(tài)范圍。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集促進(jìn)了即時(shí)分析和決策制定，提高了排放量量化的效率。

Aeris MIRA傳感器的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用
高靈敏度：Aeris MIRA傳感器卓越的靈敏度使其能夠檢測(cè)到微小的甲烷增強(qiáng)，這對(duì)于準(zhǔn)確量化甲烷排放甚至來(lái)自低強(qiáng)度源的排放至關(guān)重要。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的能力提供了即時(shí)反饋，允許現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整和優(yōu)化測(cè)量策略。
寬動(dòng)態(tài)范圍：從檢測(cè)微量甲烷濃度到測(cè)量大規(guī)模排放，Aeris MIRA傳感器展示了廣泛的動(dòng)態(tài)范圍，適用于各種應(yīng)用場(chǎng)景。
精確性和準(zhǔn)確性：Aeris MIRA傳感器在甲烷測(cè)量方面的精確性和準(zhǔn)確性通過(guò)在復(fù)雜環(huán)境條件下持續(xù)可靠的數(shù)據(jù)得到了證實(shí)。
多功能性：Aeris MIRA傳感器的多功能性使其能夠集成到各種無(wú)人機(jī)平臺(tái)中，擴(kuò)展了其在不同行業(yè)和研究領(lǐng)域中的適用性。

結(jié)論
Aeris MIRA傳感器與無(wú)人機(jī)技術(shù)的成功集成標(biāo)志著甲烷排放測(cè)量的重大進(jìn)展。該研究結(jié)果突顯了Aeris MIRA傳感器在靈敏度、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和多功能性方面的優(yōu)勢(shì)，展示了其在徹底改變環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中的潛力。通過(guò)進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)，Aeris MIRA傳感器有望被廣泛應(yīng)用于氣候變化減緩策略中，為準(zhǔn)確高效的甲烷排放量化提供了強(qiáng)大工具。