2019年1月，太空中有了些新發現。軌道上的一顆微型衛星首次發現了一場此前未曾觀測到的天然氣泄漏，這一發現讓我們得以堵住這次泄露。

微型衛星Claire于2016年進入太空，運行至今。當時Claire正在監測中亞一座泥火山的氣體排放，突然它發現了一股不該冒出的甲烷。來自GHGSat公司（位于加拿大蒙特利爾）的研究團隊向它發出指令，示意它對這股甲烷的源頭進行搖攝并對焦，結果發現這是土庫曼斯坦一個油氣田中的一座設施。

追蹤甲烷泄漏正變得前所未有地重要。氣候變化是一場緩慢發生的災難，與來自煙囪和排氣管的二氧化碳相比，甲烷排放受到的公眾關注很少，但甲烷（主要來自化石燃料生產以及畜牧業和其他來源）的影響卻十分巨大。甲烷分子在大氣中收集的熱量是二氧化碳的84倍，大氣溫度上升有1/4左右是甲烷造成的。更糟糕的是，2020年初的研究顯示，我們可能大大低估了甲烷排放量，少估了25%至40%。

近20年前，衛星就能夠從太空觀測到甲烷和二氧化碳等溫室氣體的排放了，但只有結合需求和技術創新，才能讓這種觀測的實用性和準確性達到贏利的程度。借助一些巧妙的工程技術和更明確的目標，我們公司成功制造了一顆15公斤重的微型衛星，并完成了以前用價值1億美元、重達1000公斤的飛行器也不可能實現的探測任務。過去的那些科學重器的工作很出色，但它們的觀測比例尺以公里為單位，而Claire則可以將甲烷排放范圍精確到幾十米。因此，污染制造者（或任何其他人）不僅可以確定是哪座氣田，還可以確定是該氣田中的哪口井。

自從第一顆微型衛星Claire發射以來，我們對核心技術——小型化的廣角法布里-珀羅（Fabry-Pe?rot）成像光譜儀——以及飛行器本身都進行了改進。今年9月，我們發射了第二顆甲烷觀測衛星Iris，預計將在今年年底前發射第三顆。這3顆衛星都發射完成后，地球上的甲烷泄漏將無處可藏。

商業原因和技術挑戰成為制造Claire等微型衛星的動因。商業原因始于2011年年中，GHGSat公司所處的魁北克市以及美國加州分別宣布將實施以市場為基礎的“總量管制和交易”（cap and trade）制度，該制度會為工業區排放的每噸碳賦予一個值。主要排放者可獲得一定的額度，每年可向大氣排放的一定數量的碳（或甲烷和其他溫室氣體的碳當量）。需要更多排放額度的排放者可以向需求較少的排放者購買額度。隨著時間的推移，政府可以縮減總配額，減少影響氣候變化的因素。

即使在2011年，碳排放市場的規模也很大，價值數十億美元，隨著越來越多的地區開始征稅或實施碳交易機制，碳排放市場也在穩步增長。世界銀行的《2020年碳定價現狀與趨勢》表明，到2019年，這些碳市場覆蓋了全球22%的排放量，為各國政府賺了450億美元。

盡管碳排放市場規模達到幾十億美元，但我們系統的焦點是甲烷而非二氧化碳。其中有一個技術原因——我們最初的儀器更適合甲烷。不過商業原因更簡單：無論是否有溫室氣體交易系統，甲烷都有價值。

溫室氣體市場能促使各工業區企業更好地測量其排放量，以達到控制并最終減少溫室氣體排放的目的。當前主要的地面測量方法使用的是通量箱、渦度協方差塔和光學氣體成像等系統，不僅昂貴，而且精度有限，尤其是精度因地理位置的可用性不同而有所不同。我們公司相信，工業企業都會選擇一種成本更低、精確度更高，能發現世界各地各個工業設施溫室氣體排放量的單一解決方案。

確定了商業計劃后，唯一的問題就是：我們能做到嗎？

歐洲的Envisat（2002年至2012年運行）和日本的GOSat（2009年發射）等開拓性航天任務已經在一定程度上部分回答了這個問題。這些衛星使用了可收集地球上散射陽光的光譜儀來測量地表的痕量氣體。光譜儀會按波長分解入射光。光路上的分子會吸收某種波長的光，在光譜中留下暗帶。這些分子的濃度越大，暗帶越暗。這種方法可以從衛星軌道上測量甲烷濃度，精度比背景值的1%高。

雖然這些衛星證明了甲烷追蹤概念是可行的，但相關技術遠遠不能滿足需求。首先，這些儀器體型龐大。Envisat的光譜儀名為“大氣層制圖掃描成像吸收光譜儀” （SCIAMACHY），包含了近200公斤重的復雜光學元件；整個飛行器還攜帶了另外8臺科學儀器，重8.2噸。專門用于溫室氣體感測的GOSat則重1.75噸。

此外，這些系統是為了快速、重復地測量整個地球的氣體濃度而設計的，目的是為全球氣候建模提供依據。它們的儀器會掃描大片土地，然后得出超過幾十或數百平方公里范圍的溫室氣體平均水平。而且相關信息極其粗糙，無法確定是哪個工業區造成了異常排放。

為了實現目標，我們需要設計一種空間分辨率在幾十米以內的軌道高光譜成像儀，這也將是第一款軌道高光譜成像儀。為了將其發射費用控制在可負擔范圍內，我們需要把它裝在一個20厘米×20厘米×20厘米的外殼里。

要滿足這些限制條件，最關鍵的支持技術是我們的光譜儀——廣角法布里-珀羅標準具（WAF-P）。標準具是由兩塊部分反射板制成的干涉儀。為了便于理解，我們首先會解釋一種更為常見的光譜儀，以及它在高光譜成像系統中的工作原理。

高光譜成像探測的波長范圍很廣，當然，有些波長不可見。為了實現這種探測，我們需要一個光譜儀和一個成像儀。

SCIAMACHY光譜儀以衍射光柵為基礎。衍射光柵會根據入射光的波長對入射光進行分散，就像棱鏡將白光的光譜分散成彩虹一樣。在天基高光譜成像系統中，成像儀的一個維度用于光譜色散，另一個維度用于空間成像。以正確的方向對一個場景進行窄縫成像，我們可以得到這條狹長帶上每個點的光譜。飛行器飛行時就可得到連續條帶的成像，形成一個二維點陣列，每個點都有一個與之相關的全光譜。

如果入射光在一個被甲烷污染的地區穿過一種氣體（比如地球大氣層），那么該光譜中紅外部分的某些波段會比其他波段更暗，而不會呈現這種化學物質的模式特征。

這樣的光譜成像系統效果不錯，但出于幾方面的原因，要把它做得小巧緊湊卻比較有挑戰性。其中一項挑戰是需要將光學像差降到最小，以獲得地面特征和排放羽流的清晰圖像，然而在遙感中，信號強度（以及信噪比）是由孔徑大小決定的，孔徑越大，像差越難降低。在系統中增加色散光柵會增加光學系統的復雜性。

廣角法布里-珀羅標準具雖然有一些可克服缺點，但它可以更加緊湊且不需要復雜的成像系統。它本質上是兩個部分反射玻璃片緊密結合在一起所形成的一個反射腔。想象一下，一束特定波長的光通過其中一面反射鏡以一個很小的角度進入腔體。光束的一小部分會穿過腔體，直接穿過另一面反射鏡，然后繼續穿行到達一片透鏡上，透鏡則將它聚焦在不遠處的成像儀的一個像素上。剩下的光束會反射回前反射鏡，然后穿行到達后反射鏡。同樣，一小部分光束會穿過，其余部分將繼續在兩面鏡子之間反射，重復這個過程。所有反射都會增加光與像素的路徑距離。如果光的角度和波長與反射鏡之間的距離有特定的關系，那么所有的光都會對自身產生相長干擾。存在這種關系的地方就會形成一組明亮的同心環。不同的波長和不同的角度會產生不同的環。

在一個像我們的衛星一樣使用廣角法布里-珀羅標準具的成像系統中，成像儀的圓環半徑與光線角度大致成正比。對我們的系統來說，這意味著標準具可作為一個隨角度變化的濾波器。因此，我們沒有根據波長分散光線，而是根據光線在場景中的徑向位置，將光線過濾到特定的波長。我們觀察的是通過大氣傳播的光，因此我們最終得到了與分子吸收線對應的特定半徑的暗環。

由于光譜區分是由幾十至數百微米的很小間隙內發生的干擾引起的，因此，與衍射光柵光譜儀相比，標準具更容易小型化，不需要大的路徑長度或光束分離。此外，由于標準具由彼此平行的基底組成，不會顯著加大像差，因此可以使用相對簡單的光學設計技術來達到足夠的空間分辨率。

不過廣角法布里-珀羅標準具光譜儀也包含復雜的因素。比如，標準具后面的成像儀會同時采集現場圖像（氣井所在位置）和干擾圖像（甲烷光譜）。也就是說，光譜環被嵌入了衛星所指向的地球位置的實際圖像中，并且被它破壞了。因此，我們無法通過單幀圖像來區分表面反射的光發生了多少變化以及大氣中溫室氣體量出現哪些變化。為了能夠精確定位甲烷羽流的源頭，我們需要分離空間信息和光譜信息，而這需要一些創新。

從光譜測量中獲得氣體濃度信息的計算過程稱為反演（retrieval）。對廣角法布里-珀羅標準具進行反演的第一步是在發射前正確描述儀器的特性。這樣可以產生一個精細的模型，有助于精確預測系統對每個像素的光譜響應。

不過這只是開始。為了分離光譜信息和空間信息，我們采用了一些神奇的算法。我們設計了一個協議，衛星在飛過一個地點時，會捕捉200張重疊的圖像，從而解決這個問題。這意味著要在衛星軌道上不斷調整衛星的方位，讓獲取圖像的時間最大化。換言之，我們讓衛星盯著它經過的地方，就像高速公路上的一個司機經過車禍現場時伸長脖子看熱鬧那樣。

反演過程的下一步是匹配圖像，基本上是通過圖像順序跟蹤場景中的所有地面位置。這可以給我們提供某特征（例如一個泄漏的氣井）貫穿整個干擾圖像的多達200個讀數。這實際上是在測量地球上的同一個地點，當該地點從圖像中心向外移動時，它的紅外波長逐漸減小。如果甲烷濃度異常高，將會導致圖像特定位置的信號電平發生微小但可預測的變化。我們的反演軟件會將把這些變化與系統光譜響應的內部模型進行比較，以百萬分之幾為單位提取甲烷水平信息。

在這一點上，廣角法布里-珀羅標準具的缺點變成了優勢。有些衛星使用不同的儀器來觀察地面和測量甲烷或二氧化碳光譜。然后，它們必須重新對照這兩者。我們的系統則可同時獲得這兩個參數，因此氣體羽流會自動對標其源點，精確到幾十米。此外還有高空間分辨率的優勢。如2017年發射的對流層監測儀器Tropomi等其他系統必須在7公里寬的像素上取甲烷密度的平均值。Tropomi的分辨率會嚴重稀釋Claire能夠發現的羽流的峰值濃度，得出的濃度結果可能只有原來的1/200。因此，Claire這樣的高空間分辨率系統不僅可以精確定位排放位置，還能探測到較弱的排放源。

只給顧客一張某一天的甲烷羽流圖像雖有用但還遠遠不夠。對于較弱的排放源，測量噪聲會使單次觀測難以發現甲烷點源。不過，使用我們的分析工具對多個觀測值進行時間平均可以減少噪聲：在云量允許的情況下，即使使用一顆衛星，我們每年也可以對一個地點進行25次甚至更多次的觀測。

利用這個平均值，我們就可以估算出甲烷的排放率。這個過程會拍攝羽流柱甲烷濃度測量的快照，并計算每小時泄漏多少甲烷才能產生這種羽流。反演排放率還需要了解當地的風況，因為甲烷濃度是否過高不僅取決于排放率，還取決于風將排放氣體運出該地區的速度。

自從Claire開始執行觀測任務以來，這4年里我們學到了很多。我們已經成功地將其中的一些經驗應用到了以Iris為首的下一代微型衛星中。最大的教訓是要把注意力放在甲烷上，以后再考慮二氧化碳的問題。

如果只測量甲烷，我們就可以調整標準具的設計，使其更好地測量甲烷的紅外吸收光譜情況，而不用擴展它的寬度使其同時捕捉二氧化碳。加上能阻擋外來光的更好的光學系統，甲烷的檢測靈敏度將提高10倍。因此，與Claire相比，Iris及之后的衛星將能發現規模更小的泄漏。

此外，我們還發現，下一代衛星需要更好的輻射防護。軌道輻射是衛星成像芯片遇到的一個特殊問題。在發射Claire之前，我們仔細計算了它需要的防護，然后與增加的防護重量成本進行了平衡。盡管如此，Claire的成像儀丟失像素的速度還是比預期快（我們的軟件部分補償了這些損失）。所以Iris和下一代其他衛星的輻射防護罩會更重。

另一項改進是數據下載。在前4年里，Claire已經進行了約6000次觀測。衛星飛過加拿大北部的一個地面站時，會通過無線電將數據發送到地球。我們不希望未來的衛星在觀測下一次甲烷泄漏之前沒有足夠的時間下載數據，進而導致在觀測數量上受到限制。因此，Iris比Claire的內存更大，新的微型衛星除了常規無線電天線外，還攜帶了一個實驗性的激光下行鏈路。如果一切按計劃進行，激光將把下載速度提高1000倍，達到1千兆比特/秒。

Claire在距離地球500公里的極地軌道上，每兩周環繞地球一次。Iris發射后，實際覆蓋效率會翻一番。此外，Hugo號將于今年12月發射，2021年還會有另外3顆微型衛星加入，有了它們，在云量允許的情況下，我們將具備幾乎每天都能觀測地球上任何地點的能力。

利用微型衛星的分辨率和頻率，我們應該能夠發現較大規模的甲烷泄漏，這部分泄漏占排放量的70%。要封堵另外30%的泄露則需要更近距離的觀測。比如，由于頁巖氣地區設施密集，可能無法從太空判斷哪座設施發生了泄漏。衛星探測到的較大規模泄漏可能表明發生了幾個較小規模的泄漏。因此，我們開發了一種安裝在飛機上的廣角法布里-珀羅標準具儀器，能夠以1米的分辨率對目標地點進行掃描。第一臺儀器已于2019年底進行了試飛，目前已投入商業使用，用于監測不列顛哥倫比亞省的一處頁巖油氣田。我們預計將在明年部署第二臺機載儀器，并將這項服務擴展到北美其他地區。

借助我們提供的深入詳細的甲烷調查，客戶可以采取必要的糾正措施。雖然最終是由地面人員來修補這些泄漏，但我們的辦法旨在大大減少對設施的親自實地探訪。每發現和阻止一處逸散性排放源，都代表著我們又朝減緩氣候變化邁出了有意義的一步。

原文標題：發現甲烷神秘泄露的微型衛星

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責任編輯：haq