Eine neue Technik für luftgestützte Messungen zur Quantifizierung von Methanemissionen über ein breites Spektrum: Implementierung und Validierung

Zusammenfassung. Methan (CH4) ist ein leistungsstarkes Treibhausgas mit einem globalen Erwärmungspotenzial, das über 20 Jahre 84-mal höher ist als das von Kohlendioxid (CO2). CH4 wird aus vielen natürlichen und anthropogenen Quellen produziert, die weiter als biogen oder thermogen klassifiziert werden können. Die größten biogenen Quellen resultieren aus anaerober Zersetzung wie Feuchtgebieten, dem Schmelzen von Permafrost oder dem Abbau organischer Substanzen im Pansen von Wiederkäuern. Thermogenes CH4 wird während des Abbaus organischer Substanzen bei hohen Temperaturen und Druck in der Erdkruste erzeugt, ein Prozess, der auch komplexere Spurencarbons wie Ethan (C2H6) und Propan (C3H8) produziert. Die Emissionen von thermogenem CH4 werden vom fossilen Energiesektor dominiert, und die Anwesenheit von erhöhtem C2H6 zusammen mit CH4 kann verwendet werden, um Ölvorkommen und Gasemissionen von biogenen Quellen zu unterscheiden. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und den Einsatz eines unbemannten Luftfahrzeugs (UAS), das mit einem schnellen (1 Hz) und empfindlichen (1–2 ppb s-1) CH4 C2H6-Sensor und einem ultraschallbasierten Anemometer ausgestattet ist. Die UAV-Plattform ist ein vertikal startendes Hexarotorfahrzeug, das in der Lage ist, vertikale Profile bis zu 120 m Höhe und Plume-Probenahmen über Skalen von bis zu 1 km durchzuführen. Dieses System wurde zur direkten Quantifizierung von Punktquellen sowie verteilten Emittenten wie Deponien eingesetzt, mit Quellraten so niedrig wie 0,04 kg h-1 und bis zu 1500 kg h-1. Gleichzeitige Messungen von CH4- und C2H6-Mischungsverhältnissen, Vektorwinden und Positionsdaten ermöglichen eine Quellenklassifizierung (biogen vs. thermogen), Differenzierung und Emissionsraten ohne die Notwendigkeit von Modellen oder a priori Annahmen über Winde, vertikale Mischung oder andere Umweltbedingungen. Das UAS wurde im gesamten Südwesten der Vereinigten Staaten zur Systemvalidierung und gezielten Quantifizierung verschiedener Quellen eingesetzt, die auf oder unter den Erkennungsgrenzen anderer Flugzeuge und Satellitensysteme emittieren. Dieses System bietet eine direkte, wiederholbare Methode zur horizontalen und vertikalen Profilierung von Emissionsfahnen in Skalen, die ergänzende Informationen für regionale Luftüberwachungen sowie lokale bodengestützte Überwachung liefern.