رویکردهای سنجش از دور برای پایش گاز گلخانه‌ای متان: مروری بر تکنیک‌های ماهواره‌ای و هوابرد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه جغرافیای طبیعی دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

چکیده سابقه و هدف: پایش گازهای گلخانه‌ای، به‌ویژه متان، به دلیل تأثیر آن بر تغییرات اقلیمی و گرمایش جهانی، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. متان، پس از دی‌اکسید کربن، دومین گاز گلخانه‌ای مهم ناشی از فعالیت‌های انسانی است و به دلیل توانایی بالای آن در جذب و حفظ گرما، تأثیر بسزایی در افزایش دمای زمین دارد. مطالعات نشان می‌دهند که در یک بازه زمانی ۲۰ ساله، اثر گرمایشی متان حدود ۸۴ برابر بیشتر از دی‌اکسید کربن است. ازاین‌رو، شناسایی منابع انتشار و پایش دقیق آن در مقیاس‌های محلی، منطقه‌ای و جهانی، امری ضروری برای تدوین راهبردهای مؤثر در کاهش تغییرات اقلیمی محسوب می‌شود. دو رویکرد اصلی برای پایش متان وجود دارد: روش پایین به بالا که بر اندازه‌گیری‌های محلی و موجودی انتشار متکی است، و روش بالا به پایین که مبتنی بر سنجش از دور و مدل‌سازی معکوس است. روش بالا به پایین، با بهره‌گیری از فناوری‌های سنجش از دور مانند سنجنده‌های ماهواره‌ای و هوابرد، امکان شناسایی و تحلیل غلظت متان را در مقیاس‌های وسیع فراهم می‌کند و به‌ویژه در مناطقی که داده‌های زمینی کافی در دسترس نیست، از اهمیت بالایی برخوردار است. در این پژوهش، فناوری‌های سنجش از دور مورد استفاده در پایش متان، شامل سنجنده‌های مادون قرمز حرارتی، طیف‌سنجی موج کوتاه و لیدار بررسی شده و مزایا و محدودیت‌های هر یک تحلیل گردیده است.

مواد و روش‌ها: این پژوهش با هدف بررسی روش‌های پایش متان از طریق رویکرد بالا به پایین و داده‌های سنجش از دور انجام شده است. برای این منظور، مطالعات کتابخانه ای گسترده ای برای شناسایی فناوری‌های مختلف سنجنده‌های ماهواره‌ای و هوابرد صورت گرفته است. این فناوری‌ها شامل سنجنده‌های مادون قرمز حرارتی، مادون قرمز موج کوتاه و لیدار هستند. در این پژوهش، ترکیب داده‌های حاصل از سنجنده‌های مختلف، به‌منظور بهبود دقت و کاهش عدم قطعیت‌های مرتبط با هر روش، مورد بررسی قرار گرفته است.

نتایج و بحث: نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که فناوری‌های سنجش از دور، به‌ویژه مادون قرمز موج کوتاه و لیدار، ابزارهای قدرتمندی برای پایش متان در مقیاس‌های وسیع محسوب می‌شوند. سنجنده‌های مادون قرمز حرارتی و موج کوتاه، به دلیل حساسیت طیفی بالا، توانایی شناسایی و اندازه‌گیری غلظت متان را در جو دارند، اما با چالش‌هایی از جمله تداخل طیفی متان با سایر گازهای جوی مانند بخار آب و دی‌اکسید کربن مواجه هستند که دقت اندازه‌گیری‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. از سوی دیگر، لیدار به دلیل ارائه داده‌های سه‌بعدی و اندازه‌گیری مستقیم غلظت متان، دقت بالاتری نسبت به سایر روش‌های سنجش از دور دارد. بااین‌حال، هزینه بالا و نیاز به تجهیزات پیشرفته، از جمله محدودیت‌های این روش محسوب می‌شود. یکی از چالش‌های اصلی در استفاده از این فناوری‌ها، محدودیت‌های تفکیک مکانی و زمانی داده‌های سنجنده‌های ماهواره‌ای است. اگرچه این سنجنده‌ها امکان پایش متان را در مقیاس‌های وسیع فراهم می‌کنند، اما در تشخیص منابع انتشار نقطه‌ای، مانند نشت‌های کوچک گاز از تأسیسات نفت و گاز، دچار محدودیت هستند. موانع محیطی و جوی نیز چالش دیگری در پایش متان به روش سنجش از دور محسوب می‌شوند. پوشش ابر، ذرات معلق و بخار آب در جو می‌توانند موجب جذب و پراکندگی تابش در باندهای مادون قرمز شوند و دقت اندازه‌گیری‌ها را کاهش دهند. همچنین، ناهماهنگی در پارامترهای مدل‌سازی معکوس، مانند دما و فشار جو، می‌تواند موجب افزایش خطاهای سیستماتیک در برآورد غلظت متان شود. برای کاهش این چالش‌ها، ترکیب داده‌های چندمنبعی از سنجنده‌های ماهواره‌ای، هوابرد و زمینی پیشنهاد شده است.

نتیجه‌گیری: پایش متان با استفاده از رویکرد بالا به پایین و داده‌های سنجش از دور، به‌ویژه از طریق ماهواره‌ها و سامانه‌های هوابرد، نقش مهمی در نظارت جهانی بر انتشار این گاز و ارزیابی تأثیر آن بر تغییرات اقلیمی دارد. فناوری‌هایی مانند مادون قرمز موج کوتاه، مادون قرمز حرارتی و لیدار، امکان شناسایی منابع انتشار، تخمین غلظت متان و پایش گسترده آن را در مقیاس‌های مختلف فراهم می‌کنند. بااین‌حال، این روش‌ها با چالش‌هایی همچون محدودیت‌های تفکیک مکانی و زمانی، تأثیرپذیری از شرایط جوی و پیچیدگی‌های مدل‌سازی داده‌ها مواجه هستند. توسعه سنجنده‌های پیشرفته‌تر، بهبود مدل‌های انتقال تابش، و ادغام فناوری‌های مبتنی بر یادگیری ماشین در پردازش داده‌های سنجشی، می‌تواند به کاهش این چالش‌ها و افزایش دقت پایش متان کمک کند. درنهایت، ترکیب داده‌های چندمنبعی از سنجنده‌های ماهواره‌ای، هوابرد و زمینی، همراه با بهبود الگوریتم‌های تحلیل داده، می‌تواند موجب افزایش دقت پایش، تفکیک بهتر منابع انتشار و ارائه برآوردهای دقیق‌تر از میزان انتشار متان شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Remote Sensing Approaches for Methane Greenhouse Gas Monitoring: A Review of Satellite and Airborne Techniques

نویسندگان [English]

  • Ali Rahimi
  • Manuchehr Farajzadeh
  • Yousef Ghavidel Rahimi
Physical Geography Department, Tarbiat Modares University
چکیده [English]

Background and Objectives: Monitoring greenhouse gases, particularly methane, is of great importance due to its impact on climate change and global warming. Methane, after carbon dioxide, is the second most significant greenhouse gas resulting from human activities. Due to its high ability to absorb and retain heat, methane plays a crucial role in increasing global temperatures. Studies indicate that over a 20-year period, methane's warming effect is approximately 84 times greater than that of carbon dioxide. Therefore, identifying emission sources and accurately monitoring methane at local, regional, and global scales is essential for developing effective strategies to mitigate climate change. There are two main approaches to methane monitoring: the bottom-up method, which relies on local measurements and emission inventories, and the top-down method, which is based on remote sensing and inverse modeling. The top-down method, utilizing remote sensing technologies such as satellite and airborne sensors, enables the identification and analysis of methane concentrations on large scales. This method is particularly valuable in areas where ground-based data is insufficient. In this study, remote sensing technologies used for methane monitoring, including thermal infrared sensors, shortwave infrared spectroscopy, and LiDAR, are examined, and their advantages and limitations are analyzed.



Materials and Methods: The aim of this study was to investigate methane monitoring methods through top-down approach and remote sensing data. For this purpose, extensive library studies have been conducted to identify different technologies of satellite and airborne sensors. These technologies include thermal infrared, shortwave infrared, and lidar sensors. In this study, the combination of data obtained from different sensors has been investigated in order to improve the accuracy and reduce the uncertainties associated with each method.



Results and Discussion: The results of this study show that remote sensing technologies, particularly shortwave infrared and LiDAR, are powerful tools for large-scale methane monitoring. Thermal infrared and shortwave infrared sensors, due to their high spectral sensitivity, can identify and measure methane concentration in the atmosphere. However, they face challenges such as spectral interference of methane with other atmospheric gases, including water vapor and carbon dioxide, which affect measurement accuracy. On the other hand, LiDAR, due to its ability to provide three-dimensional data and directly measure methane concentration, offers higher accuracy compared to other remote sensing methods. However, its high cost and the need for advanced equipment are among the limitations of this method. One of the main challenges in using these technologies is the spatial and temporal resolution limitations of satellite sensors. Although these sensors enable large-scale methane monitoring, they face difficulties in detecting point-source emissions, such as small gas leaks from oil and gas facilities. Environmental and atmospheric barriers also pose challenges in methane monitoring using remote sensing. Cloud cover, aerosols, and atmospheric water vapor can absorb and scatter radiation in infrared bands, reducing measurement accuracy. Additionally, inconsistencies in inverse modeling parameters, such as atmospheric temperature and pressure, can increase systematic errors in estimating methane concentration. To mitigate these challenges, the integration of multi-source data from satellite, airborne, and ground-based sensors has been proposed.



Conclusion: Methane monitoring using the top-down approach and remote sensing data, particularly through satellite and airborne systems, plays a crucial role in global surveillance of methane emissions and assessing its impact on climate change. Technologies such as shortwave infrared, thermal infrared, and LiDAR allow for the identification of emission sources, estimation of methane concentration, and large-scale monitoring. However, these methods face challenges such as spatial and temporal resolution limitations, susceptibility to atmospheric conditions, and complexities in data modeling. The development of more advanced sensors, improvements in radiative transfer models, and the integration of machine learning-based technologies in remote sensing data processing can help reduce these challenges and enhance the accuracy of methane monitoring. Ultimately, the combination of multi-source data from satellite, airborne, and ground-based sensors, along with improved data analysis algorithms, can enhance monitoring accuracy, improve emission source identification, and provide more precise estimates of methane emissions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Greenhouse gases
  • methane
  • monitoring of methane
  • remote sensing
  • top-down approach