激光系統能持續監測石油和天然氣的泄漏？

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】研究人員對一種新的基於激光的系統進行了第一次現場測試，該系統可以精確定位在幾平方英里範圍內的甲烷泄漏點。這項新技術有一天將被用於連續監測石油和天然氣生產基地的昂貴和危險的甲烷泄漏。甲烷作為天然氣的主要成分，可以在正常的石油和天然氣生產過程中泄漏，也可以在生產基礎設施中泄漏。這些泄漏不僅使石油和天然氣公司蒙受了損失，而且還對氣候變化造成了影響，並可能對人們造成危害。今天一個人或一個團隊必須到不同的地方去檢查是否有一個特殊的攝像頭，它對近距離的甲烷敏感。這種方法是耗時的，可能會遺漏自然界中間歇性的甲烷泄漏。

圖註：設計了一種基於頻率梳光譜的新系統，用於連續監測油氣生產領域的甲烷泄漏。(a)系統測量氣體吸收使用一組長距離激光束(底部插畫中的黃色)。它記錄了氣體濃度隨時間的變化(b)，然後利用大氣模型計算泄漏的位置和排放速率(c)。圖片信息及版權：Sean Coburn, University of Colorado in Boulder

科羅拉多大學博爾德分校的肖恩·科本研究報告的合著者說：方法可以測量是自主的，這使得對一個區域的持續監測成為可能，這項技術可以在減少生產活動中的甲烷排放、緩解城市發展與石油和天然氣生產之間的緊張關係，以及幫助避免像2015年的Aliso峽谷甲烷存儲泄漏這樣的災難中發揮重要作用，該泄漏將9萬噸甲烷排放到大氣中。來自科羅拉多大學的研究人員,國家標準與技術研究院(NIST)和美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)表明：他們的系統獨特的檢測可以慢，少量的甲烷泄漏公里遠的一個戶外設置。該系統可以檢測出泄漏流量，其流量相當於一個人靜止呼吸頻率的25%。該方法還可用於測量其他氣體，以提供對空氣污染的新見解。

Coburn說：系統基於頻率梳激光光譜學，它來源於科羅拉多大學簡·霍爾的諾貝爾獎獲獎作品。 由於最近的進展，能夠將這項技術從實驗室中取出，並首次在該領域使用。將這種精密光譜技術與新的計算方法相結合，使我們能夠精確地確定甲烷的來源，並以無與倫比的靈敏度和範圍確定發射率。甲烷和其他氣體吸收特定紅外波長的光，形成一種吸收光譜，可以像指紋一樣在空氣中探測氣體。這個新系統使用掃描激光束，在磁場周圍放置離散的反射器，以確定空氣中與每條光束路徑相交的甲烷的數量。比較兩束激光路徑的測量結果表明，在路徑之間的區域存在泄漏。泄漏的確切位置和大小是利用新開發的方法確定的，該方法利用大氣模型模擬在測量時氣體在該區域的移動情況。

圖註：這個光頭保持著激光發射系統，發射激光到1公里以外的反射反射器。在科羅拉多州的桌山測試設施進行的測試中顯示了它的運行情況。圖片信息及版權：Sean Coburn, University of Colorado in Boulder

該系統的一個關鍵部件是頻率梳狀激光器，它能發射數十萬個紅外波長，而不是傳統激光器發出的一個波長。使用這種類型的激光光譜，可以快速測量波長範圍很廣的波長，解析度非常高，這對於區分吸收類似甲烷和水等波長的氣體非常重要。甲烷探測技術發展項目的首席研究員Gregory Rieker解釋說：甲烷濃度的變化與甲烷的變化有關，這與當暴雨開始時水蒸汽稀釋引起的甲烷變化是一樣的。激光頻率梳法使我們能夠同時準確地測量水汽和甲烷。這讓我們可以對空氣中的水進行校正，這對於探測大面積甲烷的微小增加至關重要。該系統還計算了背景甲烷濃度，隨著風向的變化，甲烷濃度也會發生變化。這對於區分空氣中甲烷濃度變化的微小泄漏至關重要。研究報告的合著者卡羅琳·奧爾登說：造成溫室氣體排放的大量甲烷氣體被認為是間歇性泄漏造成的，為了持續檢測和分析這些類型的泄漏，開發了計算方法，提供了隨時間變化的排放的歷史。

圖註：研究人員首次使用頻率梳激光光譜學檢測該領域的大氣氣體。圖中顯示的是「齒」狀，這是由兩個磁場部署的頻率梳狀激光器相互干擾來探測大區域的大氣氣體。圖片信息及版權：Researchers have used frequency comb laser spectroscopy to detect atmospheric gases in the field for the first time. The illustration show

研究人員在一系列測試中演示了該系統，這些測試旨在模擬石油和天然氣領域可能面臨的情況。他們在一個移動拖車裡安裝了頻率梳狀激光器，併產生了多條波束路徑，每條路徑都覆蓋了一公里的低成本反射器。在一個實驗中，研究人員配置了這個系統來量化一個小的控制泄漏，距離移動拖車1公里，距離激光束50米。此外研究人員還確定了控制泄漏的時間，以及在20小時內的排放速率如何變化。在另一項測試中，他在多個激光束路徑的不同位置放置了5個潛在的甲烷泄漏。研究人員能夠查明哪些污染源在泄漏，並確定這些泄漏的排放率。除了繼續完善系統並在不同的場景中測試它，研究人員還計劃與行業合作夥伴合作，看看系統在實際的石油和天然氣生產現場的表現。他們希望將這項技術商業化，作為石油和天然氣行業的檢測服務。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Optica

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：美國光學學會

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！