2019年1月13日，在试图测量土库曼斯坦一个泥火山的温室气体排放时，一颗微波炉大小的卫星“Claire”意外发现：一股巨大的甲烷云从山峰以南的一个区域涌入画面。“我们不敢相信那里竟然有如此巨大的东西，”经营Claire的蒙特利尔公司GHGSat的首席执行官兼联合创始人Stephane Germain说。出于好奇，Germain和同事们查看了该地区的图像，并将目光锁定在一家名为Korpezhe的天然气设施上。污染源似乎是一条管道。
该公司通过外交渠道将这一信息传递给了土库曼斯坦官员。几个月后，Claire飞越Korpezhe，发现这些羽状物已经消失。人们猜测，这些羽状物来自设备泄漏，而现场管理人员已经设法修复了。
Claire的发现指向了一种解决气候问题中一个影响深远的谜团的新方法：究竟是哪些具体来源导致强效温室气体甲烷的大幅增加？在不到70年的时间里，大气中的甲烷浓度几乎翻了一番。
几十年来，对气候变化感到担忧的环境保护主义者和政策制定者一直专注于二氧化碳，这是最丰富的温室气体。40年前，当科学家们开始对其不断上升的水平发出警报时，似乎我们仍有时间迫使占二氧化碳排放量大头的行业，包括交通运输和能源行业，采取行动。希望是通过法规，例如对车辆提高燃油效率要求，以及对将大气当作垃圾填埋场 Thus companies 处以罚款，来激励减排。但魁北克、加利福尼亚和欧洲的碳排放交易体系，加上2015年的《巴黎协定》自愿协议，仍然不足以限制全球变暖的影响，如今这些影响已体现在澳大利亚燃烧的森林和休斯顿被淹没的街道上。“如果你想及时采取行动以实现《巴黎协定》的目标，你需要更快地做出反应，”Bill Hirst说，他直到2020年6月都是天然气和石油巨头壳牌公司（Shell）大气监测首席科学家。
这种紧迫性使得甲烷（CH<sub>4</sub>）在短期内可能成为一个更重要的目标。二氧化碳在大气中会滞留100年或更长时间，因此控制其排放至少要到2100年才能影响气候。而甲烷在十年后就会开始分解，但其在20年内的效力是二氧化碳的84倍。如果能显著减少甲烷排放，你就会在Greta Thunberg获得博士学位之前看到效果。“大幅减少甚至消除工业甲烷排放应该是不费吹灰之力，”美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration）碳循环小组（Carbon Cycle Group）的附属研究科学家Gabrielle Pétron说。
自2009年以来，包括NASA服务的卫星在内的卫星一直在环绕地球，为气候建模量化温室气体。但那些轨道卫星的设计是为了测量整个地球的排放量浓度，而不是识别具体来源，比如土库曼斯坦管道中一个漏气的阀门。Claire属于新一代更小、更便宜的航天器，它们已经在飞行中、准备发射或处于设计阶段。更新的型号配备了更高分辨率的设备，能够精确定位排放源。
当然，还有其他方法可以记录甲烷。就在三年前，驾驶一辆车在车顶装上燃气探测器被认为是尖端技术。但考虑到汽车的行驶速度有限，这只有在你心中有目标时才实用——而且在许多情况下，为了近距离观察，你还需要获得嫌疑污染者的许可。飞机和热气球可以覆盖更多区域，但它们仍然是相当局部的，而且要追踪变化，你需要一次又一次地飞行，这会变得很昂贵。像Claire这样的卫星每天都在绕地球飞行。
Claire是一项国际合作的成果。多伦多大学（University of Toronto）的航空航天实验室（Space Flight Laboratory）设计并制造了它，印度空间研究组织（Indian Space Research Organisation）于2016年6月从金奈市附近的一个发射场将其发射升空。一枚353吨、145英尺高的火箭携带了20颗卫星，用于拍摄、测绘和测量地球及其表面某些点的温度——这是一项意义深远的遥感任务。
在大约三分之一的地球轨道上，距离8,265英里外的多伦多，航空航天实验室的电子和软件开发者Daniel Kekez焦急地收看着发射直播。他负责Claire的调试过程——为其供电并开始进行各项测试。尽管印度人提供了Claire进入太空的预计轨道，但他需要等到卫星（正式名称为Sat-D）经过多伦多上空才能进行通信。多伦多是唯一获得许可向其传输数据的地面站所在地。一旦Claire进入通信范围，他就可以尝试建立联系。“我们盲目通信，希望能得到它的回应，”Kekez说。第一次就成功了。
然后，是时候看看Claire是否能完成它的设计任务了。在接下来的几周里，Kekez和他的同事们采集了它飞越已知甲烷排放源——煤矿、天然气设施——的数据，以检查仪器是否正常工作。
Claire使用一种名为成像光谱仪的设备来测量甲烷，它本质上是一种对人眼看不见的光波长敏感的相机。卫星上的成像光谱仪可以测量太阳光从地球反射回来的紫外线、近红外线或短波红外线。不同的气体吸收特定波长的光，因此研究人员可以根据特定波段的信号进入光谱仪的多少，来确定特定地点的CH<sub>4</sub>或CO<sub>2</sub>含量。短波红外线可以揭示CH<sub>4</sub>的信息。当然，存在各种混杂因素。例如，撒哈拉沙漠的地球反照率比其他地方更高；未经训练的眼睛会认为，这看起来就像非洲北部上空笼罩着巨大的甲烷云，其规模远超阿尔及利亚和利比亚的生产能力所能解释的范围。气溶胶——悬浮在空气和云中的固体或液体微粒——是另一个麻烦。操作人员研究近红外波段来区分气溶胶和甲烷。
针对CH<sub>4</sub>的行动案例正在不断增加。在2020年2月发表于《自然》（Nature）杂志上的一篇论文中，罗切斯特大学（University of Rochester）地质科学家Benjamin Hmiel发现，环境科学家和大气化学家可能低估了大气中化石燃料产生的甲烷排放量高达40%。对近期甲烷浓度激增原因的研究仍在继续：这可能是由于大气处理CH<sub>4</sub>方式的变化，或者源于石油和天然气生产等人类活动。“减少这种不确定性的唯一方法，”位于巴黎的政府间组织国际能源署（International Energy Agency）表示，“就是继续提高数据透明度。”这正是GHGSat和其他机构正在努力做的事情。
可以确定的是，能源行业一直在错误地计算其贡献。“没有人愿意花钱去测量他们不被要求测量的事物，”大气监测专家Hirst说。公司报告的设施排放量是粗略计算，但Hirst表示，这些数据“基本上是猜测”，主要是因为它们没有考虑到逃逸性排放（即泄漏）。
几乎所有时候，当人们进行调查时，都会发现美国（世界上最大的石油生产国）石油和天然气作业的CH<sub>4</sub>排放量远高于行业或美国环保署（包括奥巴马总统时期）的估算。根据2018年发表在《科学》（Science）杂志上的一项研究，这一数字高出60%。（只有挪威维持严格的监管标准，并对生产过程中释放的甲烷征收重税，因此没有理由认为其他国际运营商的表现会比美国好。）2020年4月发表在《科学进展》（Science Advances）上的一份报告发现，美国二叠纪盆地（横跨德克萨斯州和新墨西哥州）7000多个油气田上方存在有史以来最大的甲烷排放源——每年280万吨。论文的共同作者、荷兰空间研究中心（SRON Netherlands Institute for Space Research）的 atmosférico scientist Sudhanshu Pandey说：“我们看到这里的排放量比估算方法预测的高出两倍多。”
在发现土库曼斯坦的事件发生当天，Claire正在测试其光谱仪，飞越一个已知的甲烷释放源——泥火山。GHGSat有时会测量这样的源来检查仪器的灵敏度。Claire之前也飞越过这个山峰，操作人员曾认为他们收集的图像边缘的羽状物是由于地表反射率或气溶胶引起的“噪声”导致的读数失真。然而，经过仔细检查，这似乎不仅仅是干扰，于是他们决定看看欧洲空间局（European Space Agency）的监测仪器Tropomi能否验证这一发现。
Tropomi是ESA卫星上负责监测温室气体的光谱仪，它不断拍摄地球表面图像，以量化大气中的所有甲烷。它的视场几乎相当于从纽约到丹佛的距离，每个像素覆盖的区域相当于曼哈顿近1000个街区。这对于看到大量CH<sub>4</sub>的集中区域很有帮助——即由于风或其他因素而积聚的地方，但这些地方不一定是气体来源。（相比之下，Claire的视场只有旧金山大小，每个像素比普通超市略小——非常适合探测泄漏。）该机构以前从未与GHGSat合作过，但很乐意在其自身数据中查找该羽状物。正如Germain预测的那样，Tropomi探测到了来自土库曼斯坦的信号。这是有记录以来最大的泄漏——几乎是之前记录保持者（2015年加州Aliso Canyon天然气储存设施事故）的两倍。
在查看该地区的卫星图像时，Germain的同事们发现了与天然气压缩输送和净化点相对应的甲烷云，以及连接这两个地点的管道。一旦接到通知，该工厂就停止了排放——这一举动在意想不到的、被“人权观察”（Human Rights Watch）称为“几乎对独立审查关闭”的前苏联加盟共和国来说，尤其令人意外，该国只有一个由国家拥有的天然气公司，不对任何人负责。
如此大的泄漏虽然罕见，但影响巨大：根据2016年发表在《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）杂志上的一项研究，一半的逃逸性排放来自仅占5%的甲烷泄漏——例如松动的阀门，Germain说。仅美国就有约100万个油气设施，每个设施可能有数百或数千个阀门；即使是其中的5%，也太多了，无法从地面进行定位或监测。
现在，GHGSat和ESA合作定位泄漏。每当运行Tropomi的团队发现异常大的羽状物时，它就会通知GHGSat前去检查。凭借如此狭窄的视场，Claire可以聚焦于ESA探测到气体浓度的区域。地面操作人员然后从Claire获取成像光谱数据，计算风速和风向对探测到的气体羽状物的影响，并确定其来源。Germain说，自土库曼斯坦事件以来，“我们已经发现了几个其他来源，并且我们正在与运营商合作，以减少这些排放。”
更多像Claire这样的卫星正在到来。2020年9月，GHGSat发射了Iris，它可以精确定位比Claire能探测到的尺寸小十倍的排放源。环境防御基金（Environmental Defense Fund）正在计划发射自己的轨道卫星MethaneSAT，它将结合比Tropomi小十分之一的视场和其支持者所称的空前精度。该卫星将于2022年发射，将每周对占全球石油和天然气产量80%的地区进行扫描。德国和法国正在合作开发Merlin，该卫星将于2024年升空，它将使用激光雷达（lidar）——一种被自动驾驶汽车导航技术普及的技术，其工作原理类似于雷达，但使用光而不是声音——来穿透云层，并将甲烷与水蒸气和地表反射区分开。Bluefield公司，一家总部位于纽约市的公司，计划到2023年推出一个比Claire更小的10颗卫星星座。该公司声称，这些卫星将使用一种比其他轨道卫星更灵敏的光谱技术来测量气体。（自2001年共和党政府封存深空气候观测站，推迟其发射十多年以来，美国在太空气候遥感领域一直落后。）
其中一些卫星将为签署《巴黎协定》的政府提供服务。其他卫星将向希望减少排放以降低碳排放交易市场费用的石油和天然气公司出售数据。在碳排放交易市场中，能源生产商和其他公司需要为他们的运营产生的温室气体付费。公司也可能希望提高其在消费者中的声誉，或者弄清楚是否值得投资于捕获和销售甲烷作为能源。天然气约占美国发电量的38%，几乎全部是CH<sub>4</sub>。
根据发表在《科学》（Science）杂志上的一项估计，钻探公司每年泄漏的天然气价值高达20亿美元。独立研究组织能源经济学与金融分析研究所（Institute for Energy Economics and Financial Analysis）在2020年6月发布的一份报告发现，2018年德克萨斯州的石油公司在排放甲烷中浪费了7.49亿美元；负责监管的德克萨斯州铁路委员会（Texas Railroad Commission）拒绝采取行动。事实上，国际能源署表示，全球行业可以将甲烷泄漏量减少75%——其中约三分之一的修复成本可以由回收的甲烷销售来弥补，实现净成本为零。
一旦我们弄清楚甲烷排放的“谁”和“何处”，我们该如何处理这些数据？一个想法是为甲烷建立一个专门的碳排放交易体系。欧盟目前使用的体系对各种温室气体进行监管，但尚未针对CH<sub>4</sub>。加利福尼亚州和魁北克州将其与CO<sub>2</sub>一起归为“二氧化碳当量”，就像欧盟对一氧化二氮和全氟化碳所做的那样。但伦敦帝国理工学院（Imperial College London）可持续气体研究所（Sustainable Gas Institute）主任Adam Hawkes在2018年的一篇论文中认为，将两者混为一谈未能考虑到甲烷更大的短期全球变暖潜能。
Hans Stegehuis，一位前对冲基金交易员，目前在荷兰ABN Amro银行从事金融市场和运营风险工作，他有一个（并非代表其银行的）关于甲烷交易系统的想法，该系统以欧盟现有的体系为模型，但吸取了他认为的该体系的重大错误。他认为，这些错误包括排放配额供应过剩，导致价格下跌，从而降低了减排激励，以及各国估算此类排放量存在差异。例如，英国的一个垃圾填埋场在账面上奇迹般地排放的甲烷量，只有德国一个相同设施的十分之一。Stegehuis的系统将减少配额供应，从而解决第一个问题。他表示，卫星将解决第二个问题，因为“现在你可以量化谁在排放什么”。他设想成立一个基金，用于支付超额罚款的收益，以资助甲烷减排技术的开发。
芝加哥大学法学院（University of Chicago Law School）的经济学家Richard Sandor，他发起了碳排放交易市场，他说：“我认为我会鼓励”类似Stegehuis提出的措施。但新的金融市场需要的不仅仅是一个好想法。“建立信誉，教育用户、商界人士需要十年时间——其性质取决于共识，”他说。
当Stephane Germain构思GHGSat时，他给能源公司打了100多个冷电话，才确信他的公司能找到客户。现在，在投资者的压力下，壳牌公司已将其高管薪酬与减排目标挂钩，目标是15年内减排20%，并已聘请GHGSat。英国石油公司（BP）承诺在三年内在其主要加工厂安装甲烷测量设备，并将每单位产品的排放量减半。拥有埃克森美孚（ExxonMobil）、雪佛龙（Chevron）等公司股票的活动人士对温室气体问题越来越不满，因此他们可能会赢得高管在环境指标方面更多的让步。沙特阿美（Saudi Aramco），这家于2019年上市的国家石油公司，也可能开始感受到来自股东的压力。
大气监测专家Hirst认为，这些举措至少部分受到了即将到来的嗅探泄漏的轨道卫星群的驱动。“几年之内，它们就会显示出这些源的糟糕程度，”他说。“随着越来越多高灵敏度卫星的发射，发现需要修复的来源将变得更加普遍。”
当每个人都能看到一张世界地图，并放大看到甲烷的来源，当监管机构能够量化数量并开始收费时，污染者可能会认为“照常营业”不再是一种可行的选择。
这个故事刊登在《大众科学》 2020 年秋季“神秘”特刊中。
