DOI: https://doi.org/10.1126/science.adi7735
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38547284
تاريخ النشر: 2024-03-28
المؤلف: Daniel Cusworth وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الغازات الجوية والبيئية
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث دراسة شاملة حول انبعاثات الميثان من النفايات الصلبة، مع تسليط الضوء على مساهمتها الكبيرة في ميزانية الانبعاثات البشرية العالمية. قام المؤلفون بتقدير انبعاثات الميثان في مئات من مكبات النفايات الكبيرة عبر 18 ولاية في الولايات المتحدة من 2016 إلى 2022 باستخدام أجهزة تصوير طيفية جوية، تغطي حوالي 20% من مكبات النفايات المفتوحة في الولايات المتحدة. تُعتبر هذه الدراسة الأكثر منهجية التي تعتمد على القياسات حتى الآن في التحقيق في مصادر انبعاثات الميثان في قطاع النفايات.
كشفت النتائج أن 52% من مواقع مكبات النفايات التي تم مسحها أظهرت انبعاثات كبيرة من مصادر نقطية، حيث أظهرت العديد من المواقع انبعاثات مستمرة على مدار زيارات متعددة تمتد من أسابيع إلى سنوات. بالإضافة إلى ذلك، شملت الدراسة مقارنة مع ملاحظات جوية مستقلة في الوقت نفسه في 15 مكب نفايات، والتي أظهرت توافقًا جيدًا. تؤكد هذه النتائج على ضرورة المراقبة طويلة الأمد على نطاق واسع لانبعاثات الميثان من مكبات النفايات لفهم تأثيرها البيئي وإدارته بشكل أفضل.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على المساهمة الكبيرة لانبعاثات الميثان من مكبات النفايات (CH4) في الانبعاثات البشرية العالمية والأمريكية، حيث تمثل حوالي 20% و17% على التوالي، من 2000 إلى 2020. تعتمد التقديرات الحالية بشكل أساسي على نماذج العمليات من الأسفل إلى الأعلى التي تفتقر إلى التحقق الشامل من خلال القياسات المباشرة عبر مكبات نفايات متنوعة، مما يؤدي إلى عدم اليقين في سجلات الانبعاثات. تعقيد عمليات مكبات النفايات، وتركيب النفايات، والعوامل البيئية تعقد التقييم الدقيق لانبعاثات CH4، والتي يمكن أن تحدث كمصادر منطقة منتشرة ومصادر نقطية محلية بسبب تحديات تشغيلية وظروف بيئية متنوعة.
تؤكد الورقة على قيود تقنيات القياس الحالية، مثل مراقبة انبعاثات السطح (SEM)، التي تكون غير متكررة وتعتمد على المشغل، مما قد يؤدي إلى تفويت المواقع ذات الانبعاثات العالية. بينما تم استخدام منهجيات متقدمة مثل قياس التباين الدوامي والتصوير الجوي، غالبًا ما تكون مقيدة بعدد محدود من المواقع. يدعو المؤلفون إلى استخدام تقنيات الاستشعار عن بعد، وبشكل خاص تصوير الطيف الجوي، الذي أثبت فعاليته في مسح العديد من مكبات النفايات وتحديد نقاط الانبعاث الساخنة. لا تعزز هذه الطريقة فقط دقة البيانات المكانية للانبعاثات ولكنها تساعد أيضًا مشغلي مكبات النفايات في استهداف جهود التخفيف بشكل أكثر فعالية.
الطرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون المنهجيات المستخدمة للكشف عن انبعاثات الميثان (CH₄) من مكبات النفايات وقياسها باستخدام أجهزة تصوير طيفية لرسم الخرائط، وبشكل خاص AVIRIS-NG وGAO. يوضحون عملية مراقبة الجودة للكشف عن السحب، موضحين بأمثلة من ثلاثة مكبات نفايات. أظهر مكب النفايات A سحب CH₄ مميزة تتماشى مع تدفق الرياح، مما يجعله مناسبًا للقياس. في المقابل، أظهر مكب النفايات B تحسينات في CH₄ ولكنه كان يفتقر إلى أصل سحب واضح بسبب الضوضاء والعيوب، بينما لم يقدم مكب النفايات C تحسينات كبيرة في CH₄، مما يشير إلى انبعاثات ضئيلة.
بالنسبة لمكبات النفايات التي اجتازت مراقبة الجودة، يتم استخدام طريقة تحسين الميثان المتكامل (IME) لتقدير معدلات الانبعاث (Q) من خلال قياس كتلة CH₄ الزائدة وتطبيعها حسب طول السحب وسرعة الرياح. يوضح المؤلفون عملية تقدير عدم اليقين لمعدلات الانبعاث، والتي تتضمن تقييم التباين في سرعات الرياح وIME عبر خلايا شبكية متعددة. كما يتناولون السيناريوهات التي تحتوي على سحب متعددة، مقترحين نهج متوسط للانبعاثات ضمن القرب القريب. تشير التحقق من الدراسات التي تم إطلاقها بشكل محكم إلى أن تقنية التصوير الطيفي يمكنها الكشف عن السحب بمعدل منخفض يصل إلى 10 كجم CH₄ في الساعة. تكشف مقارنة تقديرات الانبعاثات الجوية مع تقديرات تدفق TROPOMI أن القياسات الجوية أكثر تنبؤًا بالانبعاثات السنوية مقارنة بتلك التي أبلغ عنها برنامج الإبلاغ عن غازات الدفيئة (GHGRP).
النتائج
تكشف النتائج من المسوحات التي أجريت بين 2018-2022 عبر مكبات النفايات الأمريكية، إلى جانب تلك من مسح الميثان في كاليفورنيا (2016-2017)، عن نتائج هامة بشأن انبعاثات الميثان (CH4). باستخدام أجهزة تصوير طيفية متقدمة، وبشكل خاص جهاز التصوير الطيفي المرئي/الأشعة تحت الحمراء من الجيل التالي (AVIRIS-NG) والمراصد الجوية العالمية (GAO)، قامت الدراسات بقياس الإشعاع المرتد الشمسي لتقدير تركيزات CH4 في الغلاف الجوي. اكتشفت المسوحات، التي شملت ما لا يقل عن ثلاث تمريرات لكل موقع، سحب CH4 في 52% من مكبات النفايات التي تم مسحها، وهو معدل اكتشاف يتجاوز تلك الملاحظة في قطاعات أخرى مثل النفط والغاز، حيث أظهر فقط 0.2% إلى 1% من البنية التحتية انبعاثات قابلة للاكتشاف.
قيم مسح الميثان في كاليفورنيا 436 منشأة في قطاع النفايات، محددًا انبعاثات كبيرة من مصادر نقطية في 32 من هذه المنشآت، معظمها من مكبات النفايات المفتوحة، والتي ساهمت بشكل كبير في إجمالي انبعاثات القطاع. ومن الجدير بالذكر أن 66% من الانبعاثات المكتشفة من هذه المنشآت أبلغت عن انبعاثات CH4 لا تقل عن 50,000 طن متري من مكافئ CO2 وفقًا لوكالة حماية البيئة. كما تم تسليط الضوء على استمرار انبعاثات CH4 في مكبات النفايات، مع تكرار اكتشاف يبلغ 0.60، مقارنة بـ 0.26 لمنشآت النفط والغاز في حوض بيرميان. تشير هذه الاستمرارية الأعلى إلى أن مكبات النفايات تظهر انبعاثات مستمرة، مما يعقد التمييز بين سلوكيات الانبعاثات التشغيلية والشاذة، ويؤكد على أهمية تحديد مصادر الانبعاثات العالية من أجل إدارة بيئية فعالة.
المناقشة
حدد مسح الميثان في كاليفورنيا أنماطًا كبيرة من انبعاثات الميثان (CH₄) العالية من مكبات النفايات، مما يشير إلى أن نشاط المصدّرين المستمر قد يكون منتشرًا على نطاق واسع عبر قطاع إدارة النفايات الصلبة في الولايات المتحدة. أنتجت هذه الدراسة مجموعة بيانات شاملة للملاحظات حول CH₄ من 250 مكب نفايات تابع لبرنامج الإبلاغ عن غازات الدفيئة (GHGRP) عبر 18 ولاية، تغطي مناطق مناخية متنوعة ومواسم متعددة من 2018 إلى 2022. كشفت التحليلات أن الغالبية العظمى من مكبات النفايات أظهرت انبعاثات كبيرة من مصادر نقطية، حيث أظهرت أكثر من 60% من مكبات النفايات انبعاثات مستمرة على مدى فترات ملاحظة طويلة. تتناقض هذه الاستمرارية مع النتائج من قطاع النفط والغاز، حيث تكون الانبعاثات طويلة الأمد أقل شيوعًا، مما يبرز الديناميات التشغيلية الفريدة لمكبات النفايات التي تسهم في الانبعاثات المستدامة.
تسلط الدراسة الضوء على الحاجة إلى المراقبة المستمرة لفهم أفضل للعوامل التي تؤدي إلى الانبعاثات، مثل عدم الكفاءة التشغيلية وممارسات الصيانة. كما تؤكد على أهمية ربط بيانات الاستشعار عن بعد مع الفحوصات الأرضية لتحديد مصادر الانبعاثات المحددة. ومن الجدير بالذكر أنه تم العثور على تباينات بين القياسات الجوية وتقديرات GHGRP، حيث تشير البيانات الجوية عمومًا إلى انبعاثات أعلى. يشير هذا إلى وجود فجوات محتملة في نماذج انبعاثات مكبات النفايات الحالية وممارسات الإبلاغ. تدعو النتائج إلى تحسين المنهجيات في حساب سجلات الانبعاثات ودمج تقنيات الاستشعار عن بعد، بما في ذلك الملاحظات من الأقمار الصناعية، لتعزيز قدرات المراقبة ودعم استراتيجيات التخفيف من الانبعاثات بشكل فعال على مستوى العالم.
DOI: https://doi.org/10.1126/science.adi7735
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38547284
Publication Date: 2024-03-28
Author(s): Daniel Cusworth et al.
Primary Topic: Atmospheric and Environmental Gas Dynamics
Overview
This research paper section discusses a comprehensive study on methane emissions from solid waste, highlighting their significant contribution to the global anthropogenic emissions budget. The authors quantified methane emissions at hundreds of large landfills across 18 states in the United States from 2016 to 2022 using airborne imaging spectrometers, covering approximately 20% of open landfills in the U.S. This study is noted as the most systematic measurement-based investigation of methane point sources within the waste sector to date.
The results revealed that 52% of the surveyed landfill sites exhibited significant point source emissions, with many sites showing persistent emissions over multiple visits spanning weeks to years. Additionally, the study included a comparison with independent contemporaneous in situ airborne observations at 15 landfills, which demonstrated good agreement. These findings underscore the necessity for long-term, synoptic-scale monitoring of landfill methane emissions to better understand and manage their environmental impact.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant contribution of landfill methane (CH4) emissions to global and U.S. anthropogenic emissions, accounting for nearly 20% and 17%, respectively, from 2000 to 2020. Current estimates primarily rely on bottom-up process models that lack comprehensive validation through direct measurements across diverse landfills, leading to uncertainties in emission inventories. The complexity of landfill operations, waste composition, and environmental factors complicates the accurate assessment of CH4 emissions, which can occur as both diffuse area sources and localized point sources due to various operational challenges and environmental conditions.
The paper emphasizes the limitations of existing measurement techniques, such as surface emission monitoring (SEM), which is infrequent and operator-dependent, potentially missing high-emission locations. While advanced methodologies like eddy-covariance and aerial imaging have been employed, they are often restricted to a limited number of sites. The authors advocate for the use of remote sensing technologies, specifically airborne imaging spectroscopy, which has demonstrated effectiveness in surveying numerous landfills and identifying emission hotspots. This approach not only enhances the spatial resolution of emission data but also aids landfill operators in targeting mitigation efforts more effectively.
Methods
In this section, the authors describe the methodologies employed for detecting and quantifying methane (CH₄) emissions from landfills using plume-mapping imaging spectrometers, specifically AVIRIS-NG and GAO. They outline a quality control process for plume detection, illustrated with examples from three landfills. Landfill A exhibited a distinct CH₄ plume aligned with wind flow, making it suitable for quantification. In contrast, Landfill B showed CH₄ enhancements but lacked a clear plume origin due to noise and artifacts, while Landfill C did not present significant CH₄ enhancements, indicating minimal emissions.
For landfills passing quality control, the integrated methane enhancement (IME) method is utilized to estimate emission rates (Q) by quantifying excess CH₄ mass and normalizing it by plume length and wind speed. The authors detail the uncertainty quantification process for emission rates, which involves assessing variability in wind speeds and IME across multiple grid cells. They also address scenarios with multiple plumes, suggesting an averaging approach for emissions within close proximity. Validation against controlled release studies indicates that the imaging spectrometer technology reliably detects plumes as low as 10 kg CH₄ h⁻¹. The comparison of airborne emission estimates with TROPOMI flux estimates reveals that airborne measurements are more predictive of annualized emissions than those reported by the Greenhouse Gas Reporting Program (GHGRP).
Results
The results from the surveys conducted between 2018-2022 across U.S. landfills, along with those from the California Methane Survey (2016-2017), reveal significant findings regarding methane (CH4) emissions. Utilizing advanced imaging spectrometers, specifically the Next-Generation Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS-NG) and the Global Airborne Observatory (GAO), the studies measured solar backscattered radiance to estimate atmospheric CH4 concentrations. The surveys, which included a minimum of three overpasses per site, detected CH4 plumes at 52% of the surveyed landfills, a detection rate that surpasses those observed in other sectors such as oil and gas, where only 0.2% to 1% of infrastructure showed detectable emissions.
The California Methane Survey assessed 436 waste sector facilities, identifying large point source emissions at only 32 of these, predominantly from open landfills, which contributed significantly to overall sector emissions. Notably, 66% of the detected emissions from these facilities reported CH4 emissions of at least 50,000 metric tons CO2 equivalent to the EPA. The persistence of CH4 emissions at landfills was also highlighted, with a detection frequency of 0.60, compared to 0.26 for oil and gas facilities in the Permian Basin. This higher persistence indicates that landfills exhibit continuous emissions, complicating the distinction between operational and anomalous emission behaviors, and underscores the importance of identifying high-emission point sources for effective environmental management.
Discussion
The California Methane Survey has identified significant patterns of high methane (CH₄) emissions from landfills, indicating that persistent super-emitter activity may be widespread across the U.S. solid waste management sector. This study generated a comprehensive observational CH₄ dataset from 250 Greenhouse Gas Reporting Program (GHGRP) landfills across 18 states, covering various climate zones and multiple seasons from 2018 to 2022. The analysis revealed that a majority of landfills exhibited significant point source emissions, with over 60% of landfills showing persistent emissions over extended observation periods. This persistence contrasts with findings from the oil and gas sector, where long-duration emissions are less common, underscoring the unique operational dynamics of landfills that contribute to sustained emissions.
The study highlights the need for ongoing monitoring to better understand the factors leading to emissions, such as operational inefficiencies and maintenance practices. It also emphasizes the importance of connecting remote sensing data with ground inspections to identify specific emission sources. Notably, discrepancies were found between airborne measurements and GHGRP estimates, with airborne data generally indicating higher emissions. This suggests potential gaps in current landfill emission models and reporting practices. The findings advocate for improved methodologies in emission inventory accounting and the integration of remote sensing technologies, including satellite observations, to enhance monitoring capabilities and support effective emission mitigation strategies globally.