美國天然氣火炬排放的原位采樣測量揭示氮氧化物排放特征

在此，研究者們對研究區域中的火炬進行了現場取樣，量化了美國主要產油區（Bakken、Eagle Ford和Permian盆地）火炬燃燒產生的氮氧化物。通過采用自下而上的核算方法以及機載、地面和衛星測量方法，對石油和天然氣行業的氮氧化物進行了調查研究，發現石油和天然氣活動導致的氮氧化物區域性升高。

圖1.美國火炬燃燒趨勢。(a) VIIRS 觀察到的燃燒位置（紅色三角形）和 F3UEL 機載采樣位置（黑色圓圈）。Bakken（紫色）、Eagle Ford（綠色）和Permian盆地（黃色）的陰影框表示相關區域。(b) 根據 VIIRS 觀測數據估算的 2012 年至 2020 年三個研究區域的耀斑量。與美國的總燃燒量（黑線）相比，這三個地區的燃燒活動占美國燃燒活動的絕大部分，并推動了美國的燃燒趨勢。

研究者們開展了兩次以燃燒為重點的機載采樣活動，分別針對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)開展了兩次空中測量活動。他們使用裝有高精度儀器包括CH₄、CO₂(Picaro G2401-m)、NO(ECOphysics 88 NOe)、NO₂(Teledyne T5000U)以及氣象參數的小型飛機(Scientific Aviation)進行航測。飛機在火炬低空(通常200-1000米)下風方向飛行，使用火焰作為引導。調整高度直到觀察到CO₂峰值，以確保攔截到燃燒羽流。他們嘗試了多個下風航段，以增加攔截煙羽的可能性，并提供重復采樣。通過這種方式，研究者們能夠評估盆地規模的NOx生產情況。如下圖所示：

圖2. F3UEL 機載火炬采樣。(a) 2020年9月4日在Permian盆地進行的機載火炬采樣，飛行軌跡以觀測到的二氧化碳濃度著色。白色方框表示二氧化碳時間序列中峰值歸因于耀斑的位置。(b) 二氧化碳（上）、氮氧化物（中）和甲烷（下）的相應濃度時間序列（相對于該站點的采樣開始時間），其中紅色方格表示從二氧化碳信號中得出的耀斑峰值。

Picarro G2401-m 高精度溫室氣體濃度分析儀，可同時測量四種氣體（CO、CO₂、CH₄和H₂O），精度、準確度和便攜性。G2401-m可在高海拔地區測量，屬于優秀的機載儀器。G2401-m采用光腔衰蕩光譜（CRDS）技術，以達十億分之一（ppb）的靈敏度測量氣體濃度，其漂移可忽略不計。而且，Picarro的算法可以對CO、CH₄和CO₂的濃度自動進行水汽影響校正。