Condições ambientais podem interferir nas medidas de metano de satélite

Local environmental factors, from cloud-cover to rough terrain, can limit satellites’ ability to detect methane, underscoring the need for alternative measurements in certain areas.

While methane is invisible to the human eye, it absorbs infrared radiation and can be observed with specialised cameras.  Such instruments are now mounted on satellites where they observe the sunlight that passes through the atmosphere, reflects off the earth’s surface, and travels again towards space, as illustrated in the following figure. They are tuned to search this light for specific absorption patterns that serve as a fingerprint of methane in the atmosphere. Specialised algorithms are then used to consider many other factors that could influence the amount of radiation that reaches the satellite and infer the amount of methane that was present in the light’s path. 

Vários fatores ambientais podem impedir a luz solar de atingir o sensor de satélite e isso pode tornar a detecção de metano mais desafiadora ou impossível às vezes; Outros fatores, como ventos fortes, podem dispersar e diluir o metano na atmosfera, dificultando a detecção de metano-por exemplo, levando a limites de detecção mais altos.

Os impactos das condições ambientais são específicos de satélite

Os satélites não são todos igualmente afetados por diversas condições ambientais. A maneira exata de essas condições afetará a capacidade dos satélites de medir e quantificar as emissões de metano variará dependendo das características específicas de cada instrumento. Por exemplo, os instrumentos construídos para detectar mudanças na concentração de metano em grandes áreas serão bastante afetados, mesmo por algumas nuvens na área em que estão estudando; Ao mesmo tempo, um satélite de alta resolução, tentando detectar emissões de uma instalação na mesma área, pode ver entre nuvens quebradas e observar a instalação. Por exemplo, pesquisas recentes têm

Researchers have been long studying the ways that observation conditions will affect different methane-sensing satellite instruments. For example, recent research has destacado O impacto dramático que o tamanho do pixel de um sensor terá sobre sua capacidade de observar o metano nos trópicos. Outros pesquisadores têm estudados em detalhes os fatores que limitam a capacidade de um instrumento específico (Tropomi) de observar o metano em todo o mundo. 

Este relatório resume esses estudos e destaca os padrões mais amplos que afetam as observações de satélite de metano de uma maneira ou de outra, mapeando as regiões onde os satélites são mais e menos afetados por essas questões ambientais, sem focar nas características de instrumentos específicos. 

Consequentemente, rotulamos condições de observação usando as categorias genéricas de "favoráveis", "moderadas" e "difíceis". Em condições “favoráveis”-céu livre de nuvens e superfícies brilhantes relativamente planas-espera-se que os satélites tenham o melhor desempenho. Quando as áreas são marcadas como tendo condições "moderadas", as fontes de metano podem ser frequentemente cobertas por nuvens e o terreno complexo pode impedir que os satélites detectem algumas plumas que eles de outra forma identificariam facilmente. Em condições "difíceis", a detecção de metano pode ser impossível para alguns sensores ou acontecer com menos frequência e/ou para plumas muito grandes.  

O impacto exato dessas condições ambientais em satélites específicos deve ser estudado separadamente para cada caso de uso e localização. o

Environmental conditions and their impact

This report considers the following environmental factors and their impact on the ability of satellites to effectively detect methane.

Cloud cover

Methane satellites cannot see through clouds and this makes cloud cover the Obstáculo mais importante para detectar o metano do espaço. Como eles são muito mais brilhantes que a superfície da Terra, mesmo uma pequena nuvem que cobre parcialmente o pixel de satélite interfere nas medições e impedirá que o satélite detecte o metano. Em algumas regiões com cobertura persistente de nuvens, como os trópicos, isso pode impedir observações de metano por satélite durante todo o ano. Por exemplo, um satélite de alta resolução, construído para monitorar o metano a partir de instalações individuais, pode ser capaz de detectar o metano entre nuvens quebradas, embora os desafios permaneçam com essas observações. Por outro lado, um satélite construído para quantificar o metano em regiões mais amplas, se confrontado com a mesma cobertura de nuvens, pode nunca encontrar uma visão completamente livre de nuvens necessária para suas medições. 

Satellite characteristics, like their spatial resolution, will greatly influence how clouds impact their ability to monitor methane. For example, a high-resolution satellite, built to monitor methane from individual facilities, might be able to detect methane between broken clouds, although challenges remain with these observations. In contrast, a satellite built to quantify methane in wider regions, if faced with the same cloud cover, might never find a completely cloud-free view that is needed for its measurements. 

Rugosidade do terreno

Alguns satélites acham desafiador estimar o metano em regiões com Terreno montanhoso. O terreno desigual de tais regiões criará sombras em parte da cena observada, dificultando a interpretação da quantidade de luz que atinge o satélite. À medida que a luz reflete diferentes partes do terreno irregular, atingirá o satélite que passou por diferentes partes da atmosfera, complicando ainda mais a interpretação dos sinais de satélite. Em combinação, esses fatores tornam o terreno acidentado um obstáculo o ano todo para a detecção de metano. Como mostra o mapa, isso pode afetar grandes partes do mundo, incluindo a Ásia Central, a América do Sul Ocidental, o meio-oeste da América do Norte e os Balcãs Ocidentais. 

Como nas nuvens, a maneira como esse parâmetro afeta diferentes sensores de satélite dependerá muito de suas características do sensor. Um sensor de alta resolução pode quantificar o metano em uma pequena área plana em torno de uma instalação de interesse, enquanto, por outro lado, um satélite de monitoramento de área pode achar impossível estimar as emissões de metano sobre a região montanhosa mais ampla.

Elevação solar

A maioria dos satélites detectados por metano que são usados ​​para estudar concentrações de metano próximo à superfície requerem a luz solar brilhante para operar efetivamente, no entanto, a luz suficiente nem sempre está disponível. Durante o inverno em alta latitude, por exemplo, o sol não se eleva acima do horizonte, deixando grandes partes da terra mal iluminadas por vários meses na época. Como resultado, a cobertura de dados pode ser significativamente reduzida durante o inverno para Alguns sensores. Partes da Rússia, Canadá e Argentina são fortemente afetadas por este parâmetro. Os instrumentos que são otimizados para operar em condições de baixa luz podem ser menos afetados, mas serão impactados negativamente em qualquer caso. A órbita de satélite, que define o horário local que o satélite orbita em um local, também afetará o impacto desse parâmetro no instrumento específico.  Como na baixa elevação do sol, isso pode dificultar a detecção de absorção de metano. As áreas cobertas de neve também parecem principalmente escuras nos comprimentos de onda infravermelha de ondas curtas usadas para detectar metano. Esse efeito pode ser facilmente visto sobre florestas tropicais e regiões cobertas de neve em altas latitudes. Por outro lado, as regiões áridas refletirão a luz abundante e serão favoráveis ​​à detecção de metano. Observe que novas técnicas estão sendo desenvolvidas para ajustar o ângulo de visualização do sensor para melhorar a luz solar refletida da água (brilho do sol). Esta técnica pode oferecer informações significativas, por exemplo para

The exact impact of low light conditions on each methane-sensing instrument will depend on its design. Instruments that are optimised to operate in low-light conditions might be less affected, but will be negatively impacted in any case. The satellite orbit, which defines the local time that the satellite will orbit over a location, will also affect the impact of this parameter on the specific instrument.

Surface brightness

Dark ground surfaces, like forests, will not reflect enough light back towards the satellite sensor, possibly leading to higher uncertainty.  As with low sun elevation, this might make it difficult to detect methane absorption. Snow-covered areas also appear mostly dark in the shortwave infrared wavelengths used to detect methane. This effect can be easily seen over tropical forests and snow-covered regions at high-latitudes. In contrast, arid regions will reflect abundant light and be favourable for methane sensing.

Inland and ocean water surfaces are excluded in our study, because, in most cases, they are too dark to be used for methane retrievals. Note that new techniques are being developed to adjust the viewing angle of the sensor to enhance reflected sunlight off the water (sun glint). This technique can offer significant insight e.g. for Produção offshore de petróleo e gás, mas não faz parte deste relatório. Para alguns instrumentos, uma superfície muito brilhante também representa um desafio, pois a grande quantidade de luz pode cegar o sensor; Como isso é incomum, o efeito não será contabilizado em nosso estudo. Embora seja necessária uma certa quantidade de vento para a formação de plumas e, portanto, a quantificação da pluma, em geral, as velocidades mais altas do vento estão associadas a

Wind speed

Strong winds can quickly disperse methane far from its source, reducing local concentrations and thus making it harder for a satellite to distinguish the plume from background methane concentration. While a certain amount of wind is needed for plume formation and thus plume quantification, in general, higher wind speeds are associated with limiares de detecção mais altos.  

Em regiões com ventos fortes persistentes, como no sul da Argentina, os satélites só poderão detectar plumas maiores em comparação com regiões com condições de vento mais amenas. Os satélites de resolução grossa, com o objetivo de mapear o metano em regiões mais amplos, serão menos afetados pelas condições do vento.  Primeiro, o efeito de cada fator ambiental para cada mês é estudado individualmente. Especificamente, aplicamos limites a cada um dos cinco fatores a serem definidos se as condições nesse momento e local específicos forem "favoráveis", "moderados" ou "difíceis" para observações (consulte o apêndice para obter uma descrição detalhada dos limites e conjuntos de dados de entrada utilizados). Em segundo lugar, calculamos o impacto combinado de todos os parâmetros para cada mês. Se alguma entrada entrar na categoria "difícil", o mês será classificado como difícil. Da mesma forma, se alguma entrada for categorizada como "moderada", mas nenhuma como "difícil", a pontuação final será "moderada". Para obter uma pontuação "favorável", todos os insumos devem estar na categoria "favorável". O resultado é uma classificação mensal para cada local em todo o mundo. Nossa análise é conservadora no sentido de identificar áreas e épocas do ano em que pelo menos alguns sensores de satélite devem ser menos capazes ou incapazes de monitorar o metano. Essas categorias não capturam como as condições ambientais impactam diferentes instrumentos projetados para monitorar as emissões em escala de instalações versus aquelas destinadas a medir emissões em áreas maiores. Em áreas rotuladas como "moderadas" ou "difíceis de monitorar, os usuários precisam estar atentos, pois alguns satélites que, de outra forma, podem ser muito úteis para o seu caso de uso podem não ter o desempenho do esperado.

Wind conditions will have a greater impact on high-resolution plume-imaging satellites, as methane plumes will be quickly dispersed by strong winds. Coarse resolution satellites, aiming to map methane over wider regions, will be less affected by wind conditions.

Our methodology

These five environmental factors, and their change over the course of a year, have been studied to explore the favourability of locations for methane observations.  First, the effect of each environmental factor for each month is studied individually. Specifically, we apply thresholds to each of the five factors to define if the conditions at that particular time and location are ‘favourable’, ‘moderate’, or ‘difficult’ for observations (see the Appendix for a detailed description of the thresholds and input datasets used). Secondly, we calculate the combined impact of all parameters for each month. If any input falls into the ‘difficult’ category, the month will be classified as difficult. Similarly, if any input is categorised as ‘moderate’ but none as ‘difficult’,  the final score will be ‘moderate’. To achieve a ‘favourable’ score, all inputs must be in the ‘favourable’ category. The result is a monthly classification for each location worldwide.

As noted before, the assigned categories should be used only as rough indicators of areas where satellite observations of methane may be less available . Our analysis is conservative in the sense that we are identifying areas and times of the year where at least some satellite sensors are expected to be less able, or unable, to monitor methane. These categories do not, for example, capture how environmental conditions differently impact instruments designed for monitoring facility-scale emissions versus those intended to measure emissions over larger areas. In areas labelled as “moderate” or “difficult” to monitor, users need to be attentive, as some satellites that otherwise may be very useful for their use case may not perform as expected.

Em seguida, investigamos o impacto desses fatores ambientais na infraestrutura de carvão, petróleo e extração de gás, responsável por uma porção substancial das emissões antropogênicas de metano.