Глава 1. Модель переноса излучения в атмосфере 8
1.1. Показания спутникового прибора днем 8
1.2. Показания спутникового прибора ночью 10
Глава 2. Метод обнаружения факельных установок по данным спутникового прибора в ночное время 14
2.1. Радиометр VIIRS/Suomi-NPP 14
2.2. Алгоритм поиска факельных установок 16
2.3. Факельные установки на территории Западной Сибири . . 21
Глава 3. Оценка эмиссии метана и СО2 в факельных установках на территории Западной Сибири 27
3.1. Изменчивость температуры и площади термальной аномалии 27
3.2. Эмиссия CH4 и CO2 в факельных установках на террито¬рии Западной Сибири 30
Заключение 36
Приложение A. Факельные установки найденные в 2021 году на территории Западной Сибири 38
Приложение B. Вариации температуры и площади племени факельных установок 49
Сжигание попутного нефтяного газа (ПНГ) на факельных установках (ФУ) является широко используемой практикой по утилизации природного газа в местах добычи и переработки нефти в ситуациях, когда недостаточно инфраструктуры для использования газа на месте или его транспортировки. Меньшие объемы сжигания побочных продуктов нефтехимии осуществляются на нефтеперерабатывающих заводах [1].
Сжигание ПНГ сопровождается выбросами в атмосферу загрязняющих веществ, таких как СО2, CH4, окись азота, сернистый ангидрид и др [2]. Диоксид углерода и метан — два важнейших компонента, антропогенные выбросы которых влияют на парниковый баланс атмосферы и являются возможной причиной глобального потепления [3]. По оценкам [1,4] в 2012-2015 г. в ФУ ежегодно сжигалось около 140 миллиардов кубометров газа, что привело к выбросу в атмосферу порядка 300 миллионов тонн СО2. Лидерами по объему сжигаемого газа являются Россия, Ирак, Иран, Венесуэла, США [4].
В сложившейся ситуации возникает необходимость в контроле объемов сжигания ПНГ. Сегодня, правила утилизации побочных продуктов нефтедобычи установлены на международном и национальном уровнях [4]. Существует широкий разброс в отношении допустимости сжигания и условий, при которых сжигания разрешены. На территории России тре¬буется утилизировать 95% попутного газа [5], при этом, отчетность осу-ществляется недропользователями, и не всегда есть возможность получить данные в свободном доступе.
Непрерывно на территории Западной Сибири происходит массовая до¬быча и переработка нефти, сопутствующая сжиганием попутного газа, отчеты по объему которого отсутствуют [4]. Вследствие этого возникает необходимость в альтернативных методах получения информации об объемах сжигаемого газа. Такими источниками информации могут служить спутниковые приборы, которые способны осуществлять мониторинг факельных характеристик в отдалённых местах и предоставлять регулярные и достоверные сведения об объемах сжигания ПНГ на ФУ.
Качественная и количественная оценка выбросов вредных веществ определяется типом и параметрами факельных установок и составом сжигаемого ПНГ, поэтому есть необходимость в мониторинге не только объема, но и качества сжигаемого газа.
Спутниковый мониторинг осуществляется в так называемых «окнах прозрачности» — спектральных областях, где поглощение и рассеивание излучения составляющими атмосферу газами достаточно мало [6]. В зависимости от поставленной задачи спутниковые приборы могут выполнять съемку в различных спектральных диапазонах излучения, таких как: микроволновой, ближний и дальний инфракрасный (ИК), видимый и ультрафиолетовый. Однако, в ночное время суток большинство при¬боров в видимом и ближнем ИК диапазонах не выполняют наблюдения.
С запуском на орбиту Земли, 28 октября 2011 года спутника Suomi- NPP появилась возможность принимать и обрабатывать данные радиометра VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) [7], расположенного на борту этого спутника [8]. VIIRS особо хорошо подходит для обнаружения и измерения излучения таких объектов, как газовые факелы, пожары, и других термальных аномалий за счет сбора данных в коротковолновом и ближнем инфракрасном диапазонах в ночное время.
В рамках допущения того, что ночью единственными источниками излучения являются термальные аномалии, наличие у радиометра VIIRS каналов видимого и ближнего ИК-спектра позволяет не только определять местоположение источников, но и восстанавливать их площадь и температуру [9].
Стоит отметить, что использование датчиков среднего разрешения (500Щ 1000м) имеет большое значение для глобального мониторинга, однако проблема с этим типом данных заключается в том, что блики являются субпиксельными источниками, которые требуют специального анализа для идентификации горячих источников излучения и восстановления их параметров.
Целью работы является оценка эмиссии метана и CO2 в факельных установках Западной Сибири в 2013-2021 гг по данным ночных спутниковых наблюдений в видимом и ближнем ИК-диапазонах.
Решаемые задачи:
1. Поиск факельных установок на территории Западной Сибири в 2021 году по данным ночной съемки радиометра VIIRS/Suomi-NPP в видимом и ближнем ИК-диазонах.
2. Восстановление температуры и площади пламени найденных факельных установок.
3. Оценка объема сжигаемой газовой смеси в ФУ Западной Сибири в 2021 году.
4. Анализ динамики эмиссии метана и CO2, производимой ФУ в 2013-2021 годах.
Структура и объем работы. Квалификационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и двух приложений. Объем работы составляет 53 страницы.
Первая глава посвящена модели переноса излучения источника на пути «атмосфера—подстилающая поверхность» и «подстилающая поверхность—спутниковый прибор». Сформулирована математическая модель показания спутникового прибора в ночное время суток.
Во второй главе обсуждаются технология поиска термальных анома¬лий в ночное время суток, а также восстановление их площади и темпе¬ратуры по данным радиометра VIIRS/Suomi-NPP.
Третья глава посвящена оценки эмиссии метана и СО2 факельными установками на территории Западной Сибири в 2021 году. Произведен анализ динамики эмиссии метана и СО2 ФУ для ряда периодов с 2013 по 2021 год.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.
В приложении А приведены параметры всех найденых факельных установок Западной Сибири в 2021 году, которые включают в себя ко¬ординаты источников, температуру, площадь, количество наблюдений, объемы сжигаемого газа, массы выбрасываемого метана и CO2
В приложении В приведены данные площади и температуры, а также среднеквадратичные отклонения для 10 выбранных факельных установок.
Работа посвящена оценке эмиссии метана и СО2 в факельных установках Западной Сибири для ряда периодов с 2013 по 2021 г. по данным ночных спутниковых наблюдений в видимом и ближнем ИК-диапазонах. Основные результаты работы заключаются в следующем.
1. С использованием данных спутниковых наблюдений радиометра VIRRS спутника Suomi-NPP в 2021 году на территории Западной Сибири было найдено 292 высокотемпературные термальные ано¬малии. С помощью данных геоинформационной системы Yandex.Maps проведена верификация найденных источников. Установлено, что найденные объекты являются факельными установками.
2. Получены значения площади и температуры для всех найденных в 2021 году факельных установок, расположенных на территории Западной Сибири.
3. Установлено, что в 2021 году эмиссия метана и СО2 в ФУ Западной Сибири составляют 0.4658 и 8.8503 Тг, соответственно.
4. Показано, что в период с 2013 по 2021 гг максимум эмиссии метана и СО2 в ФУ наблюдается в 2021 году.
Автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории космиче-ского мониторинга Алтайского государственного университета, прини-мавшим участие в обсуждении работы, а также научному руководителю доценту Мордвину Е.Ю. за руководство, постановку задач, обсуждение результатов и помощь в подготовке к защите.
