Российские учёные обнаружат утечки метана и помогут остановить парниковый эффект

Учёные СФУ в сотрудничестве с экспертами НОЦ мирового уровня «Енисейская Сибирь» разрабатывают новый высокочувствительный автоматический метод для обнаружения минимальных количеств токсичных газов, в частности, метана в воздухе.

Метод основан на дистанционном измерении концентраций предельного содержания углеводородов в приземном слое атмосферы и  может применяться в городской среде, сельскохозяйственных угодьях, а также в лесных экосистемах и на болотах. Такой мониторинг поможет быстро выявлять источники загрязнения на промышленных предприятиях, фиксировать утечки из нефте- и газопроводов, обнаруживать скрытые свалки и очаги начинающихся пожаров.

Одной из существенных проблем экологического мониторинга сегодня считается автоматизация процессов селективного и  комплексного исследования состава атмосферы. В крупных мегаполисах жизненно важно вести постоянное наблюдение за  фоновыми значениями концентраций и эмиссий метана. Метан — это бесцветный горючий легко воспламеняющийся газ, который используется в качестве топлива. Отравление этим газом смертельно опасно, приводит к остановке дыхания и сердца у  человека. При этом метан занимает второе место по распространённости среди парниковых газов после диоксида углерода и является одним из  «отрицательных героев» в  процессе формирования озоновых дыр — в частности, провоцирует режим «черного неба» в условиях мегаполисов.

«Сейчас мы наблюдаем создание Глобальной инициативы по метану ( Global Methane Initiative , GMI) — она отражает стремление международного сообщества проводить консолидированную политику по сокращению общемирового объёма выбросов метана в атмосферу. Одновременно инициируются мероприятия по  сбору и утилизации метана как источника экологически чистой энергии. Если метан грамотно утилизировать, это может притормозить распространение парникового эффекта», — заявил руководитель исследования, доцент базовой кафедры фотоники и лазерных технологий Института инженерной физики и  радиоэлектроники СФУ Алексей Ципотан .

Селективное взаимодействие молекул метана с лазерным излучением может лечь в основу разрабатываемого модифицированного дифференциального метода дистанционного зондирования метана. Сущность данного метода заключается в выборе двух близколежащих длин волн зондирующего лазерного излучения, сечения поглощения которых сильно отличается. С другой стороны, незначительное различие между ними позволяет считать, что их условия распространения до  местонахождения метана будут одинаковыми.

«Мы считаем, что разработка технических решений для активного зондирования приземного слоя в селективном диапазоне длин волн, основанных на  принципе резонансного лазерного поглощения, а также последующая цифровая обработка сигнала и распределённая обработка больших данных позволит очень точно определять концентрацию метана в  атмосфере», — продолжил учёный.

По словам исследователей, проект рассчитан на два года и сейчас находится в стадии активной разработки методологии для определения концентрации токсичных газов в  атмосфере. В перспективе же может быть создана полноценная система экологического мониторинга, с возможностью интегрирования в действующие программы Министерства экологии и рационального природопользования Российской Федерации. Основные преимущества создающегося метода — скорость и высокая точность при определении выходов метаносодержащих взвешенных веществ на земную поверхность с топографической привязкой к местности.

«Нужно избегать загрязнения окружающей среды и предотвращать гибель людей на производстве, в угольных шахтах и  на  нефтегазовом промысле. Лучше всего с определением даже малых доз метана справится экспресс-метод, который не  будет зависеть от человеческого фактора и будет полностью автоматическим, а ещё дистанционным, чтобы не  подвергать жизнь опасности. Определение концентраций метана (а также этана, бутана и пропана) в  режиме реального времени позволит на ранних стадиях выявлять утечки, отслеживать динамику газов и формировать эффективные меры предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера», — подчеркнул Алексей Ципотан .

Для того, чтобы создать такую методику, красноярским специалистам будет разработан комплекс оптической спектральной аппаратуры для дистанционного измерения концентраций предельных углеводородов в  атмосфере. Полевые испытания будут проводиться в условиях городской среды (г.  Красноярск), в сельскохозяйственных угодьях (Емельяновский, Енисейский районы Красноярского края) и на базе лесных экосистем и болот (Обсерватория ZOTTO в с.  Зотино, Красноярский край).

Учёные уверены: предложенный метод поможет выявлять источники загрязнения в самых разных областях и строить обоснованный прогноз по достижению предельно-допустимых концентраций (ПДК). ПДК, в свою очередь, можно использовать для предотвращения накоплений газа в помещениях, шахтах, на производстве и значительно снизить количество техногенных катастроф.

Проект поддержан Российским научным фондом (РНФ) и Красноярским краевым фондом поддержки научной деятельности (ККФПНД) в рамках конкурса проектов малых научных групп.