Metan är mindre utbredd i atmosfären än andra växthusgaser koldioxid (CO2), men det utgör svårare utmaningar för forskare som försöker studera det.

De flesta koldioxidproducenter kan enkelt uppskatta sitt koldioxidavtryck - vilket eliminerar behovet av noggrann spårning. Till exempel, kraftverk som förbränner fossila bränslen vet, med hög noggrannhet, hur mycket koldioxid som produceras av deras verksamhet. Vidare, källorna till CO2 är lätta att fastställa. CO2 som produceras genom att bränna kol i en ugn tappas ut den bifogade rökstacken.

Metanutsläpp, däremot, är svårare att kvantifiera, delvis för att de kommer från källor som läckande rörledningar som transporterar naturgas, jäsning av grönsaker i magen hos nötkreatur, och sönderfallande skräp i deponier. Dessa källor anses vara "röriga" av forskare eftersom många variabler styr hur mycket metan de kommer att släppa, och var. Till exempel, mängden metan som produceras vid sönderdelning av skräp i en deponi beror på typen av material i deponin och lokala miljöförhållanden. Ytterligare, källan till utsläppen kan vara svår att fastställa med tanke på det stora område en deponi kan täcka.

"Metan är särskilt problematiskt, "säger Paul Wennberg, R. Stanton Avery professor i atmosfärisk kemi och miljövetenskap och teknik vid Caltech.

Wennberg, som också är direktör för The Ronald and Maxine Linde Center for Global Environmental Science, arbetar med kollegor på hela institutet - forskare och ingenjörer - för att studera metan och dess effekter på världen och att utveckla verktyg och tekniker som behövs för att identifiera, Spår, och karakterisera gasen och dess källor.

Fingeravtrycksmetan

En metanmolekyl består av en kolatom omgiven av fyra väteatomer. Dock, inte all metan skapas lika. Element har vanligtvis flera isotopiska former. Isotoper är atomer av samma grundämne som skiljer sig åt i antalet neutroner i deras kärnor. Kol, till exempel, har tre isotoper:kol-12, kol-13, och det radioaktiva kol-14. Kol-12, med sex neutroner utöver sex protoner, står för nästan 99 procent av kolatomerna. Den mycket mindre utbredda C-13 har sju neutroner; C-14, åtta. Likaså, väte finns i tre isotopiska former. Den absolut vanligaste, står för 99,98 procent av väteatomer, är väte-1, eller protium, som bara har en enda proton. Väte-2, eller deuterium, har en proton och en neutron; radioaktivt väte-3, tritium, har en proton och två neutroner. Eftersom neutroner har massa, var och en av dessa isotoper har en annan vikt.

En given metanmolekyl, sedan, kan ha vilken som helst av de tre isotoperna av kol och olika kombinationer av isotoper av väte - vilket ger olika metanmolekyler olika vikter. Att bestämma denna isotopkomposition skapar en allt mer detaljerad beskrivning av en given metanmolekyl, säger John Eiler, Caltechs Robert P. Sharp professor i geologi och professor i geokemi.

"En bra metafor är ett fingeravtryck, "Säger Eiler." Om jag bara kan observera en eller två former av en molekyl skulle det vara som om ditt tumavtryck bara hade en eller två rader på den. Om så var fallet, ingen domstol i världen skulle döma dig baserat på att se en eller två krångliga linjer på något som du stal. "Med hundratals unikt mönstrade linjer med ett fullt fingeravtryck, dock, en domstol kan tänka annorlunda.

Eilers laboratorium använder en masspektrometer för att få detta fulla fingeravtryck, sikta ut joner baserat på vikt och sedan kvantifiera de olika isotoper de hittar. Teamet använder denna teknik för att utforska en mängd olika ämnen från vätgas cykling genom jordens inre till de geokemiska vattencyklerna på andra planetkroppar än jorden.

Med isotopiska fingeravtryck av metan, Eiler kan bestämma ursprunget för ett givet prov, till exempel genom att jämföra förhållandet mellan kol-13 och kol-12 i delar per tusen, en siffra som kallas δ13C, uttalas "delta tretton C." Ju lägre siffra, desto mer kol-12-och, därför, desto lättare är provet. Till exempel, isotopiskt lätt metan kommer vanligtvis från sönderfallande växtmaterial, medan metan som släpps ut från geologiska källor tenderar att vara tyngre.

Att förstå metankällorna hjälper forskare att utveckla en djupare kunskap om de processer som genererar metan, förutom att hjälpa till att fästa metankällor i atmosfären och spåra källor till brännbar naturgas under ytan.

Att hitta metan

Självklart, för att karakterisera metan, först måste du kunna hitta den. I en proof-of-concept-studie som genomfördes den gångna sommaren, Christian Frankenberg, som har ett gemensamt utnämning till docent i miljövetenskap och teknik vid Caltech och forskare vid JPL, ledde ett försök att identifiera metanplommon i Four Corners-regionen i USA med lågflygande flygplan.

Metan hot spot i Four Corners -regionen upptäcktes initialt av Eric Adam Kort från University of Michigan, tillsammans med Frankenberg och kollegor, med hjälp av observationer gjorda av en europeisk satellit, SCIAMACHY. Efter den observationen, ett samarbete av forskare från JPL/NASA gick med i kampanjen Twin Otter Projects Defining Oil/gas Well emissioNs (TOPDOWN) för att undersöka regionen med två flygplan som flyger en till tre kilometer över marken. Flygplanet var utrustat med termiska och kortvågiga till nära-infraröda spektrometrar. Dessa instrument används för att identifiera och kvantifiera metan och andra molekyler.

Spektrometrarna utvecklades ursprungligen för att studera de kemiska och fysikaliska egenskaperna hos jordens yta (stenar, jord, och vegetation) på distans. Dock, de visade sig vara tillräckligt känsliga för att identifiera metankällor till inom tre meter.

"Vi missbrukar i princip spektrometrar för vad de aldrig var tänkta att göra, "säger Frankenberg." Det är en riktigt lycklig slump att de fungerar. "

Mer än 250 enskilda metankällor detekterades i Four Corners -studien. Tio procent av dessa källor - som huvudsakligen visade sig vara rörledningar som läckte naturgas - svarade för hälften av utsläppen. Identifiera och spåra dessa läckor, Frankenberg säger, är en win-win för både miljön och energibranschen, eftersom läckage kommer att minska både utsläppen av växthusgaser och minska avloppet på energileverantörernas vinster.

Frankenbergs studie visade att metanplommon kunde upptäckas via flygskanningar. Hans arbete, publicerad i Proceedings of the National Academy of Science den 15 augusti, öppnar dörren till framtida flygmetanundersökningar.

"Det vi vill ha framöver är förbättrad upplösning. Smalare absorptionslinjer och tätare geografiskt fokus, "vilket skulle hjälpa till att fastställa platsen och det isotopiska fingeravtrycket för metan, han säger.

Nästa generation

I spetsen för spektroskopisk teknik står dual-kam-spektroskopi.

Spektroskopi bygger på det faktum att atomer absorberar och avger ljus vid olika våglängder.

Dubbelkammspektroskopi ersätter konventionella verktyg som används för att mäta dessa skillnader, som interferometrar, med två strömmar av optiska pulser - som ger användarna mer detaljerad information än traditionell spektroskopi.

Nyckelkomponenten i system med dubbla kammar är den enhet som krävs för att generera de optiska pulsströmmarna, som för närvarande är skrymmande och dyrt och därför inte den typen av verktyg som kan överföras till flygplan till överkomliga priser för undersökningar som TOPDOWN.

Ange Kerry Vahala, Ted och Ginger Jenkins professor i informationsvetenskap och teknik och professor i tillämpad fysik, som har banat väg för miniatyrisering av högupplösta spektrometrar.

Vahala hade tidigare utvecklat en cirkulär optisk resonator som kan generera och lagra ljuspulser som kallas solitoner - lokaliserade vågor som fungerar som partiklar. När solitons reser över rymden, de håller sin form snarare än att sprida sig som andra vågor. Solitonerna springer runt den cirkulära resonatorn, utlöser en utsänd ljuspuls varje gång de passerar en viss plats på kretsen.

Som sådan, Vahala hade möjlighet att skapa flera optiska pulsgeneratorer, var och en på ett mikrochip.

"Helst, ett handhållet dubbelkammspektroskopisystem kan användas på fältet. Dock, nuvarande system är för stora och skrymmande. Så vi ersatte den traditionella optiska pulsgeneratorn med ett solitonbaserat system som kan miniatyriseras, " han säger.

Vahalas nya solitonbaserade system presenterades i tidningen Vetenskap den 9 oktober-och är grunden för ett nytt samarbete med Frankenberg för att applicera dubbelkammspektrometern på metanspårning och analys.

"Detta är vad vi gör på Caltech, "säger Wennberg om det nya projektet." Vi förenar forskare från teknik och vetenskap och använder deras olika expertis för att ta itu med stora problem från nya vinklar. "