一套基于频率梳光谱设计的新系统，用于连续监测石油和天然气生产地区的甲烷泄漏情况。（a）该系统使用一系列长距离激光束测量气体吸收（插图底部中的黄色）。它记录了气体浓度随时间的变化（b），然后使用大气模型计算泄漏位置和泄漏速率（c）。来源：Sean Coburn，科罗拉多大学博尔德分校

研究人员已经对这项基于激光的新系统进行了现场测试，该系统能够准确地确定在几平方英里范围内微量甲烷泄漏的位置。有朝一日这项新技术可能会用于连续监测石油和天然气生产基地里危险的甲烷泄漏情况。

作为天然气的主要组成部分，甲烷可能会在正常的油气开发期间或通过开发基础设施中泄漏。这些未知的泄漏不仅增加了石油和天然气公司的成本，而且还会导致气候变化，给人类带来了危害。目前，检查泄漏情况必须由个人或团队前往不同的地点，用一种对近距离甲烷敏感的特殊照相机进行检查。这种方法非常耗时，并且可能会错过那些间歇性的甲烷泄漏。

“这种测量方法是自主的进行的，它能够持续监测一个区域，”来自科罗拉多大学Sean Coburn的合作者说。“这项技术在减少开发活动产生的甲烷泄露、缓解城市发展与石油和天然气生产之间的紧张关系以及帮助避免发生类似于2015年Aliso Canyon甲烷储存泄漏，导致释放9万公吨甲烷进入大气层等灾难方面发挥重要作用。”

在光学学会的高影响力研究杂志《Optica》中，来自科罗拉多大学、美国国家标准与技术研究院（NIST）和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的研究人员表示，他们的系统能够在室外环境的一公里范围内，独立地检测到缓慢、低量的甲烷泄漏。他们证明该系统能检测到的泄漏速率相当于一个人休息时呼吸速率的25%。

该方法还可用于测量其他气体，以提供对空气污染的全新视角。

“我们的系统是基于频率梳激光光谱学的，它源于科罗拉多大学Jan Hall的诺贝尔奖获奖成果，”Coburn说。“由于最近的进展，我们能够将此技术带出实验室并首次室外使用。将这种精密光谱技术与新的计算方法相结合，我们能够精确定位甲烷来源，并以前所未有的灵敏度和范围确定其泄露速率。”

该光学系统顶端装有激光发射系统，该发射系统将激光发射到位于1公里外的反射器上。它正在科罗拉多州桌山测试中心进行的一项测试中运行。来源：Sean Coburn，科罗拉多大学博尔德分校

快速，精确的分析

甲烷和其他气体一样，吸收特定红外波长的光，产生像指纹一样的吸收光谱，可以用于检测空气中的气体。新系统使用一个扫描激光束，在场周围放置离散反射器，以确定与每个光束路径相交的空气中的甲烷量。比较两个激光束路径的测量结果，可以看出路径之间的区域是否存在泄漏。漏的确切位置和大小是用新开发的方法确定的，该方法利用大气模型来模拟气体在测量时如何在区域内移动。

该系统的关键组成部分是频率梳激光器，它发射数十万个红外波长，而不是传统激光器发出的一个波长。使用这种类型的激光进行光谱分析可以在很宽的波长范围内以非常高的分辨率进行快速测量，这对于区分吸收相似波长的气体如甲烷和水非常重要。

“由小泄漏引起的顺风方向甲烷浓度变化与暴雨开始时发生的由水蒸气稀释引起的甲烷变化大致相同，”甲烷传感技术开发项目首席研究员Gregory Rieker解释说。“激光频率梳光谱使我们能够同时准确地测量水蒸气和甲烷。这可以让我们纠正空气中的水分含量，这对于在很大范围内检测甲烷的微小增加是至关重要的。”

该系统还可以计算背景甲烷浓度，可以随着风向的变化而变化。这对区分微小的泄漏和空气中总体甲烷浓度的变化至关重要。

“造成温室效应的甲烷气体，大部分被认为是来自石油和天然气的间歇性泄露，” 该研究的共同作者Caroline Alden说。“为了不断检测和分析这些类型的泄漏，我们开发了计算方法，提供了泄露随时间变化的历史记录。”

研究人员首次利用频率梳状激光光谱学探测了大气中的气体。该图显示了两个现场展开的频率梳激光器的“梳齿”，这两个激光器相互干涉以探测大气区域的气体。来源：研究人员已经使用频率梳激光光谱首次在现场检测大气中的气体。

室外甲烷测量

研究人员在一系列测试中演示了这一系统，目的是模拟石油和天然气田可能面临的情况。他们将频率梳激光器安置在移动拖车中，并形成多条光路，每条光路覆盖到低成本反射器以内一公里左右的范围。

一个试验中，研究人员用该系统测量距离移动拖车大约1公里、距离激光束50米的小型受控泄漏源。除了确定泄漏的时间和泄露速率在20小时内变化的程度外，研究人员还得到了每分钟泄露量低至2克的测量结果。

在另一项测试中，他们在多个激光束通道之间的不同位置放置了五个甲烷泄漏点。研究人员能够确定哪些泄漏来源，并确定这些泄漏点的泄露速率。

除了继续完善系统并在各种情况下进行测试，研究人员还计划与行业合作伙伴一起研究如何将该系统在实际的油气生产站点上运行。他们与分拆公司Longpath科技合作，希望将该技术商业化，从而为石油和天然气行业的检测提供服务。

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