美国宇航局喷气推进实验室希望增强污染监测卫星的视野

大约 10 年前，安德鲁·索普收到了一架小型飞机上空飞行的机组人员发来的短信：他们 发现了一个新的甲烷热点。

索普驾驶着一辆笨重的租赁 SUV 沿着蜿蜒的土路和山路行驶在美国西南部 Four Corners 地区附近。当他到达飞机传来的地点时，他拿出一台热像仪扫描羽流。果然，甲烷从地下渗出，可能是管道泄漏造成的。

他在沙漠中发现了一个标记，上面写着一家天然气公司的电话号码，于是他给他们打了电话。“电话那头的人是最困惑的人，”索普说。“我试图向他们解释我打电话的原因，但那是很多年前的事了，当时真的没有任何技术可以做到这一点。”

多年来，这项工作给索普带来了一些不必要的关注。“我在加州做过一些驾驶调查……一个雇佣的警察对我非常怀疑，试图吓跑我，”索普说。“如果你在公共道路上安装热像仪，并将其指向围栏外的油罐，人们会感到紧张。我曾被一些石油和天然气工人嘲笑，但这是意料之中的事。”

如今，索普是美国宇航局温室气体监测最前线的一个团队的成员。 喷气推进实验室 拉卡纳达弗林特里奇。40 多年来， 喷气推进实验室微设备实验室 已经开发出专门的仪器来极其精确地测量甲烷和二氧化碳。

这些仪器被称为光谱仪，可根据气体吸收的阳光颜色来检测气体。今年早些时候，来自 JPL、加州理工学院和非营利研究机构卡内基科学的一组研究人员 被选为决赛选手 获得美国宇航局的奖项，将该技术送入轨道。

如果被选为卫星任务，该团队的碳调查项目 Carbon-I 将于 2030 年代初启动。在三年的时间里，Carbon-I 将持续绘制全球温室气体排放图，并每日拍摄关注区域的快照，让科学家能够识别气候污染源，例如发电厂、管道泄漏、农场和垃圾填埋场。

虽然目前已有多个卫星监测这些气体，但 Carbon-I 的分辨率是前所未有的，可以消除任何猜测，确定气体的排放地点。Carbon-I 联合首席研究员、加州理工学院环境科学与工程教授 Christian Frankenberg 表示：“现在再也无法否认——一旦我们看到羽流，就没有其他潜在来源了。”

加州理工学院教授克里斯蒂安·弗兰肯伯格 (Christian Frankenberg) 是拟议中的太空碳-I 排放监测系统的联合首席研究员，他正在喷气推进实验室 (JPL) 实验室内观察正在建造的 AVIRIS 监测器。

（Myung J. Chun/洛杉矶时报）

Carbon-I 最精细的 100 英尺分辨率“在太空中是非常高的分辨率。能够获得这样的分辨率真是令人难以置信，”多伦多大学研究地球碳循环的教授 Debra Wunch 说道，她没有参与 Carbon-I 的提案。“这将使我们能够更深入地了解排放源的确切情况……这将是开创性的。您将能够看到单个烟囱，甚至垃圾填埋场的各个部分。”

从历史上看，监测单个排放者的温室气体排放一直是一项挑战——二氧化碳和甲烷都是无色无味的。因此，科学家常常不得不依靠公司自报的数值和研究的估计值相加。例如，要估算奶牛产生的甲烷量，科学家必须确定一头奶牛释放了多少甲烷，然后将其乘以地球上奶牛的总数。

“如果你看看国际政策……目前它们都是基于这些自下而上的清单，”Carbon-I 联合首席研究员、卡内基科学卡内基气候与复原力中心创始主任安娜·米哈拉克 (Anna Michalak) 表示。“我们需要达到这样的程度……我们实际上有一种独立的方式来追踪排放量。”

Carbon-I 的分辨率还将为科学家提供观察热带大气的新途径，目前那里的云层遮挡了大多数形式的卫星监视。“这是他们的致命弱点，”弗兰肯伯格说。

由于热带和亚热带森林 吸收 大约四分之一的二氧化碳 人类生产 通过燃烧化石燃料，我们迫切需要来自全球这一地区的精确数据。

目前，绕地球运行的卫星分辨率较低，无法透过云层覆盖的小缝隙看到云层。它们只能看到天空中每个像素的云层和晴朗点的模糊平均值。Carbon-I 的每个像素面积几乎比大多数其他卫星小 50 倍，它可以看到空地并透过空地进行测量。 2024 年 4 月论文弗兰肯伯格、米哈拉克和他们的同事估计，碳-I 穿透热带云层的能力比其前辈高出 10 到 100 倍。

索普说，Carbon-I“将发现人们不知道发生了什么事情”。索普在研究生院时曾使用热像仪监测气体泄漏，现在在微设备实验室担任研究技术员。“它将开启一个全新的科学领域。”

JPL 的机载温室气体监测项目可以追溯到几十年前，但太空监测领域仍然相当新。2016 年初，NASA 总部联系了 JPL 团队。当时正在进行大规模 阿里索峡谷天然气储存设施发生井喷 位于波特牧场附近，美国宇航局希望该团队对其进行检查。

在一个月的时间里，该小组驾驶一架 20 世纪 60 年代的侦察机，连续三天飞越该地点，而南加州天然气公司则努力控制泄漏。与此同时，位于马里兰州的 NASA 戈达德飞行中心将 NASA 地球观测飞船的 Hyperion 光谱仪对准泄漏点。

Hyperion 的设计初衷是观测地球表面并过滤掉大气中的噪音。现在，他们试图观测大气层并过滤掉地表噪音，而 这 第一次，科学家从轨道上观测到了人造的甲烷点源。

“Hyperion 的观测结果非常嘈杂，但你仍然可以看到羽流，”索普说。“这确实证明了我们可以从太空进行观测。”

即使 Carbon-I 发射，也不意味着该团队将停止将仪器装上飞机。通过飞机，该团队能够以更清晰的分辨率连续几天监测感兴趣的区域。目前，用于监测 Four Corners 泄漏和 Aliso Canyon 井喷的光谱仪的更精简、更强大的版本正在执行一系列任务，以监测墨西哥湾海上石油钻井平台的排放情况。

喷气推进实验室使用的双引擎 King Air 飞机在好莱坞伯班克机场的机库中进行温室气体监测飞行。

（诺亚·哈格蒂/洛杉矶时报）

飞机任务也为团队提供了尝试新型和改进型光谱仪的机会。“你可以修复它们，也可以升级它们，”喷气推进实验室工程师迈克尔·伊斯特伍德 (Michael Eastwood) 说道，他已经与光谱仪合作了 30 多年，并定期驾驶它们飞行。“与需要非常成熟、非常知名、高可靠性的航天器相比，你可以承担更多风险——我们不会受到那样的限制。”

空中团队也非常灵活。通常情况下，两名机组人员坐在 King Air 双螺旋桨飞机的第二排，看着一堆笔记本电脑和仪器，上面有足够多的按钮，可以与飞机驾驶舱相媲美。在屏幕上，他们可以查看实时 GPS 数据和光谱仪结果，并与飞行员协调飞行计划。光谱仪——称为 艾维瑞斯，是机载可见光/红外成像光谱仪的缩写，位于第三排，透过地板上开出的窗户往下看。

Carbon-I 入围的 NASA 项目旨在资助造福社会的太空地球科学。该团队获得了 500 万美元的奖励，用于在 2025 年 NASA 最终审查之前完善其项目提案。另有三家入围决赛的公司，其中两家将被选中参加发射。

这种选择任务的两步流程对于 NASA 的地球科学项目来说是新流程，要求 JPL 与其他科学界进行竞争，而不管他们与该航天局的关系如何。

“如果我们谈论的是食品杂货钱， [$5 million] “这看起来是一大笔钱，但真的很划算，”米哈拉克说。“如果你考虑到你为一项任务投入了 3 亿美元，那么花掉其中的 1.5% 来确保任务的出色和成功是非常明智的。”

与此同时，Carbon-I 团队致力于向 NASA 展示其拥有按时、在预算内完成该项目的技术诀窍。

“我认为现阶段的所有四项任务都是绝对有价值的科学任务，”米哈拉克说，“对于卫星任务来说，50% 的成功率也很不错了。”