美国天然气火炬排放的原位采样测量揭示氮氧化物排放特征

在此，研究者们对研究区域中的火炬进行了现场取样，量化了美国主要产油区（Bakken、Eagle Ford和Permian盆地）火炬燃烧产生的氮氧化物。通过采用自下而上的核算方法以及机载、地面和卫星测量方法，对石油和天然气行业的氮氧化物进行了调查研究，发现石油和天然气活动导致的氮氧化物区域性升高。

图1.美国火炬燃烧趋势。(a) VIIRS 观察到的燃烧位置（红色三角形）和 F3UEL 机载采样位置（黑色圆圈）。Bakken（紫色）、Eagle Ford（绿色）和Permian盆地（黄色）的阴影框表示相关区域。(b) 根据 VIIRS 观测数据估算的 2012 年至 2020 年三个研究区域的耀斑量。与美国的总燃烧量（黑线）相比，这三个地区的燃烧活动占美国燃烧活动的绝大部分，并推动了美国的燃烧趋势。

研究者们开展了两次以燃烧为重点的机载采样活动，分别针对Eagle Ford和Permian盆地(2020年8月25日至9月4日)以及Bakken盆地(2021年6月28日至7月15日)开展了两次空中测量活动。他们使用装有高精度仪器包括CH₄、CO₂(Picaro G2401-m)、NO(ECOphysics 88 NOe)、NO₂(Teledyne T5000U)以及气象参数的小型飞机(Scientific Aviation)进行航测。飞机在火炬低空(通常200-1000米)下风方向飞行，使用火焰作为引导。调整高度直到观察到CO₂峰值，以确保拦截到燃烧羽流。他们尝试了多个下风航段，以增加拦截烟羽的可能性，并提供重复采样。通过这种方式，研究者们能够评估盆地规模的NOx生产情况。如下图所示：

图2. F3UEL 机载火炬采样。(a) 2020年9月4日在Permian盆地进行的机载火炬采样，飞行轨迹以观测到的二氧化碳浓度着色。白色方框表示二氧化碳时间序列中峰值归因于耀斑的位置。(b) 二氧化碳（上）、氮氧化物（中）和甲烷（下）的相应浓度时间序列（相对于该站点的采样开始时间），其中红色方格表示从二氧化碳信号中得出的耀斑峰值。

Picarro G2401-m 高精度温室气体浓度分析仪，可同时测量四种气体（CO、CO₂、CH₄和H₂O），精度、准确度和便携性。G2401-m可在高海拔地区测量，属于优秀的机载仪器。G2401-m采用光腔衰荡光谱（CRDS）技术，以达十亿分之一（ppb）的灵敏度测量气体浓度，其漂移可忽略不计。而且，Picarro的算法可以对CO、CH₄和CO₂的浓度自动进行水汽影响校正。