En uppsättning Google Street View -kartbilar, speciellt utrustad med banbrytande metananalysatorer, tillåter Colorado State University-forskare att "se" osynliga metanläckor från naturgasledningar under våra gator.

De tekniska och beräkningsmässiga utmaningarna med att mäta metan, och de komplexa metoder som används för att samla in, analysera och publicera data, beskrivs i en ny artikel i tidningen Miljövetenskap och teknik 22 mars.

Det banbrytande projektet leds av Joe von Fischer, CSU docent i biologi, i samarbete med den ideella miljöförsvarsfonden (EDF), och Google Earth Outreach. von Fischers CSU-medförfattare inkluderar forskare från statistik (Dan Cooley), atmosfärisk vetenskap (Russ Schumacher), och jord- och växtvetenskap (Jay Ham), samt experter från University of Northern Colorado och det ideella vetenskapskollektivet Conservation Science Partners.

Data från projektet hjälper verktyg, Tillsynsmyndigheter och påverkansgrupper minskar slösaktiga och miljöskadliga läckor snabbare och mer kostnadseffektivt.

Förutom att vara huvudingrediensen i naturgas, metan är också en potent växthusgas, med över 80 gånger så hög uppvärmningseffekt som koldioxid över en 20-årig tidsram. Ökad medvetenhet om denna klimatrisk har väckt nytt intresse för att hitta och åtgärda läckage på låg nivå genom hela naturgasförsörjningskedjan, inklusive lokala allmännyttiga system, där många läckage på låg nivå kan kvarstå i många år. Det behovet har gett upphov till en ny typ av vetenskap.

"Det här är en enorm utmaning som nästan ingen hade tänkt på. Nu tar vi reda på hur utbredda dessa läckor är, " sa von Fischer. "Ju snabbare du fixar dem, desto större är miljövinsterna. Men verktyg och tillsynsmyndigheter hade inte data för att fokusera sina ansträngningar. Det är där vi kommer in. Vårt mål är att göra det snabbare, billigare och lättare att hitta och mäta metanläckor från naturgasledningar för att påskynda viktiga reparationer."

För Google -projektet, von Fischer och kollegor var särskilt ivriga att identifiera och kvantifiera metanläckor från landets stadsområden, där distributionsledningar för naturgas ligger flera fot under marken. Deras EDF Google Street View-projekt är ett första i sitt slag, omfattande inventering av metanläckagekällor i städer. Målet är att skina ett kraftfullt ljus på denna tidigare osynliga, svårt att definiera problem.

En främsta motivation för projektet är att hjälpa energiföretag och regeringar att prioritera läckagereparationer baserat på utsläppens storlek. Forskarna beräknar att fixa de största 8 procent av läckage skulle minska metanutsläpp från rörledningen med 30 procent. New Jerseys energiföretag PSE&G har godkänt uppgraderingar till ett värde av nästan 1 miljard dollar, delvis styrda av CSU-forskarnas data.

Baslinjetekniken som har gjort det möjligt för projektet att blomma är en infraröd lasermetananalysator. Dessa mobila instrument, som inte ens fanns för ett decennium sedan, kan identifiera plymer av metangas i realtid, utan behov av en gaskromatografianalys i labbet.

"Luften innehåller gaser som får den att se dimmig ut i det infraröda spektrumet, "Förklarade von Fischer. "Lasern kan skanna igenom färger av infrarött ljus och "se" hur mycket metan som finns."

Kärnan i arbetet är en uppsättning algoritmer och protokoll som ger korrekt redovisning av metanläckor, inklusive plymernas storlek.

Innan de tog in sin teknik i Street View-bilar, forskarna körde först preliminära tester med forskningsfordon körda runt campus och på asfalten vid Christman -luftfältet. Detta innefattade kontrollerade utsläpp av metan i både öppna och urbana miljöer.

Projektet har inneburit att utforma optimala rutter för Googles förare, samtidigt som förarnas interaktion med utrustningen hålls passiv och enkel. Forskarna har också utvecklat metoder för att sålla bort falskt positiva avläsningar – t.ex. hur man skiljer mellan en äkta metanläcka, och en egensinnig avläsning från en deponi eller närliggande kraftverk.

För von Fischer, en klassiskt utbildad ekosystemekolog, projektet har sträckt ut honom som vetenskapsman och har katalyserat interaktioner med en svindlande mängd discipliner. "Jag pratar regelbundet med advokater, branschfolk, statistiker, datavetare, atmosfäriska fysiker, Google...det här är bara en del av mitt liv nu, " han sa.

För närvarande, det finns fyra Google Street View -bilar i olika städer med CSU -metananalysatorer, som von Fischer och kollegors arbete fortsätter. Förarna instrueras att köra alla vägar i ett förutbestämt område för att fånga läckdata som CSU-forskarna laddar ner, analysera, och ladda upp till en offentlig webbplats som drivs av EDF.

För att hantera de enorma dataströmmar som projektet producerar - cirka 2, 000 datapunkter per minut - CSUs datavetenskapsforskare Sangmi Pallickara skapar en molnbaserad plattform för att hantera, lagra och presentera data.

Än så länge, CSU-metananalysatorerna har tillhandahållit läckagekartor över Boston; Burlington, Vermont; Chicago, Dallas, Indianapolis, Jacksonville, Los Angeles, Mesa, Arizona; Pittsburgh; Staten Island, New York; och Syrakusa, New York.

Bland annat, de har rapporterat det, i genomsnitt, Boston, Staten Island och Syracuse - städer med gamla, korrosionsbenägna distributionsledningar - hade läckor som släppte ut 25 gånger mer metan per kilometer väg (2 liter metan per minut per kilometer) än Burlington och Indianapolis (0,08 liter metan per minut per kilometer).