Methaan komt minder voor in de atmosfeer dan het andere broeikasgas koolstofdioxide (CO2), maar het biedt moeilijkere uitdagingen voor onderzoekers die het proberen te bestuderen.

De meeste producenten van CO2 kunnen hun ecologische voetafdruk gemakkelijk inschatten, waardoor nauwlettend volgen niet meer nodig is. Bijvoorbeeld, elektriciteitscentrales die fossiele brandstoffen gebruiken, weten met een hoge mate van nauwkeurigheid, hoeveel CO2 wordt geproduceerd door hun activiteiten. Verder, de bronnen van CO2 zijn eenvoudig vast te stellen. De CO2 die vrijkomt bij het verbranden van steenkool in een oven wordt via de aangebouwde schoorsteen uitgespuwd.

methaanemissies, daarentegen, moeilijker te kwantificeren zijn, deels omdat ze afkomstig zijn van bronnen zoals lekkende pijpleidingen die aardgas vervoeren, fermenteren van plantaardig materiaal in de magen van vee, en het ontbinden van afval op stortplaatsen. Deze bronnen worden door onderzoekers als "rommelig" beschouwd omdat talloze variabelen bepalen hoeveel methaan ze zullen vrijgeven, en waar. Bijvoorbeeld, de hoeveelheid methaan die wordt geproduceerd door de ontbinding van afval op een stortplaats hangt af van het type materiaal op de stortplaats en de plaatselijke omgevingsomstandigheden. Verder, de bron van de emissies kan moeilijk vast te stellen zijn, gezien het grote gebied dat een stortplaats kan beslaan.

"Methaan is bijzonder problematisch, " zegt Paul Wennberg, de R. Stanton Avery hoogleraar Atmosferische Chemie en Milieuwetenschappen en Engineering aan Caltech.

Wenberg, die tevens directeur is van het Ronald en Maxine Linde Center for Global Environmental Science, werkt samen met collega's in het hele Instituut - zowel wetenschappers als ingenieurs - om methaan en de effecten ervan op de wereld te bestuderen en om te pionieren met hulpmiddelen en technieken die nodig zijn om te identificeren, spoor, en karakteriseren van het gas en zijn bronnen.

Vingerafdrukken methaan

Een methaanmolecuul bestaat uit één koolstofatoom omringd door vier waterstofatomen. Echter, niet alle methaan is gelijk gemaakt. Elementen hebben typisch meerdere isotopische vormen. Isotopen zijn atomen van hetzelfde element die verschillen in het aantal neutronen in hun kernen. Koolstof, bijvoorbeeld, heeft drie isotopen:koolstof-12, koolstof-13, en de radioactieve koolstof-14. koolstof-12, met zes neutronen naast zes protonen, is goed voor bijna 99 procent van de koolstofatomen. De veel minder voorkomende C-13 heeft zeven neutronen; C-14, acht. Hetzelfde, waterstof komt in drie isotopische vormen. Veruit de meest voorkomende, goed voor 99,98 procent van de waterstofatomen, is waterstof-1, of protium, die slechts een enkel proton heeft. waterstof-2, of deuterium, heeft een proton en een neutron; radioactieve waterstof-3, tritium, heeft een proton en twee neutronen. Omdat neutronen massa hebben, elk van deze isotopen heeft een ander gewicht.

Een gegeven methaanmolecuul, dan, kan elk van de drie isotopen van koolstof en verschillende combinaties van isotopen van waterstof hebben, waardoor verschillende methaanmoleculen verschillende gewichten hebben. Door deze isotopensamenstelling te bepalen, ontstaat een steeds gedetailleerdere beschrijving van een bepaald methaanmolecuul, zegt John Eiler, Robert P. Sharp van Caltech, hoogleraar geologie en hoogleraar geochemie.

"Een goede metafoor is een vingerafdruk, ', zegt Eiler. 'Als ik maar één of twee vormen van een molecuul kan zien, zou het zijn alsof er maar één of twee lijnen op je duimafdruk staan. Als dat het geval zou zijn, geen rechtbank ter wereld zou je veroordelen op basis van het zien van een of twee kronkelige lijnen op iets dat je hebt gestolen." Met de honderden lijnen met een uniek patroon van een volledige vingerafdruk, echter, een rechtbank zou daar anders over kunnen denken.

Eilers lab gebruikt een massaspectrometer om deze volledige vingerafdruk te verkrijgen, ionen uitzeven op basis van gewicht en vervolgens de verschillende isotopen die ze vinden kwantificeren. Het team gebruikt deze techniek om verschillende onderwerpen te onderzoeken, van de kringloop van waterstof door het binnenste van de aarde tot de geochemische cycli van water op andere planetaire lichamen dan de aarde.

Met isotopische vingerafdrukken van methaan, Eiler kan de oorsprong van een bepaald monster bepalen, bijvoorbeeld door de verhouding van koolstof-13 tot koolstof-12 in delen per duizend te vergelijken, een cijfer dat bekend staat als de δ13C, uitgesproken als "delta dertien C." Hoe lager het getal, hoe meer koolstof-12 - en, daarom, hoe lichter het monster. Bijvoorbeeld, isotopisch licht methaan komt meestal van rottend plantaardig materiaal, terwijl methaan dat vrijkomt uit geologische bronnen meestal zwaarder is.

Het begrijpen van de bronnen van methaan helpt onderzoekers een diepere kennis te ontwikkelen van de processen die methaan genereren, naast het helpen opsporen van methaanbronnen in de atmosfeer en het opsporen van ondergrondse bronnen van brandbaar aardgas.

Methaan lokaliseren

Natuurlijk, om methaan te karakteriseren, eerst moet je het kunnen vinden. In een proof-of-concept-onderzoek dat afgelopen zomer is uitgevoerd, Christiaan Frankenberg, die een gezamenlijke aanstelling heeft als universitair hoofddocent milieuwetenschappen en techniek bij Caltech en een onderzoekswetenschapper bij JPL, leidde een poging om methaanpluimen in de Four Corners-regio van de Verenigde Staten te lokaliseren met behulp van laagvliegende vliegtuigen.

De methaanhotspot in de Four Corners-regio werd aanvankelijk ontdekt door Eric Adam Kort van de Universiteit van Michigan, samen met Frankenberg en collega's, met behulp van waarnemingen van een Europese satelliet, SCIAMACHY. Naar aanleiding van die observatie, een samenwerking van onderzoekers van JPL/NASA sloot zich aan bij de Twin Otter Projects Defining Oil/gas Well Emissions (TOPDOWN)-campagne om de regio te onderzoeken met twee vliegtuigen die één tot drie kilometer boven de grond vliegen. De vliegtuigen waren uitgerust met thermische en kortegolf- tot nabij-infraroodspectrometers. Deze instrumenten worden gebruikt om methaan en andere moleculen te identificeren en te kwantificeren.

De spectrometers zijn oorspronkelijk ontwikkeld om de chemische en fysische eigenschappen van het aardoppervlak (gesteenten, bodem, en vegetatie) op afstand. Echter, ze bleken gevoelig genoeg om bronnen van methaan tot op drie meter nauwkeurig te lokaliseren.

"In feite misbruiken we spectrometers voor wat ze nooit waren bedoeld om te doen, ", zegt Frankenberg. "Het is een heel gelukkig toeval dat ze werken."

In het Four Corners-onderzoek werden meer dan 250 individuele methaanbronnen gedetecteerd. Tien procent van die bronnen - die voornamelijk aardgaslekken bleken te zijn in pijpleidingen - was verantwoordelijk voor de helft van de uitstoot. Identificeren en opsporen van deze lekken, Frankenberg zegt, is een win-winsituatie voor zowel het milieu als de energiesector, omdat het terugdringen van lekken zowel de uitstoot van broeikasgassen zal verminderen als de winsten van energieleveranciers zal verminderen.

Uit het onderzoek van Frankenberg bleek dat methaanpluimen konden worden waargenomen via luchtscans. Zijn werk, gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Science op 15 augustus, opent de deur naar toekomstige methaanonderzoeken vanuit de lucht.

"Wat we in de toekomst willen, is een verbeterde resolutie. Smallere absorptielijnen en strakkere geografische focus, " wat zou helpen de locatie en isotopische vingerafdruk van methaan vast te stellen, hij zegt.

De volgende generatie

In de voorhoede van spectroscopische technologie is dual-kam spectroscopie.

Spectroscopie is gebaseerd op het feit dat atomen licht op verschillende golflengten absorberen en uitstralen.

Dual-kam spectroscopie vervangt conventionele instrumenten die worden gebruikt om deze verschillen te meten, zoals interferometers, met twee stromen optische pulsen - waardoor gebruikers meer gedetailleerde informatie krijgen dan traditionele spectroscopie.

Het belangrijkste onderdeel van systemen met twee kammen is het apparaat dat nodig is om die optische pulsstromen te genereren, die momenteel omvangrijk en duur is en daarom niet het soort instrument dat betaalbaar kan worden gevlogen in vliegtuigen voor onderzoeken zoals TOPDOWN.

Kom Kerry Vahala binnen, de Ted en Ginger Jenkins hoogleraar Informatiewetenschap en Technologie en hoogleraar toegepaste natuurkunde, die de weg heeft vrijgemaakt voor de miniaturisering van spectrometers met hoge resolutie.

Vahala had eerder een cirkelvormige optische resonator ontwikkeld die in staat is om lichtpulsen, solitonen genaamd, te genereren en op te slaan, gelokaliseerde golven die werken als deeltjes. Terwijl solitonen door de ruimte reizen, ze behouden hun vorm in plaats van zich te verspreiden zoals andere golven. De solitonen racen rond de cirkelvormige resonator, elke keer dat ze een bepaalde locatie op het circuit passeren, wordt een uitgezonden lichtpuls geactiveerd.

Als zodanig, Vahala had de middelen om meerdere optische-pulsgeneratoren te maken, elk ter grootte van een microchip.

"Ideaal, een in de hand gehouden dual-kam spectroscopiesysteem zou in het veld kunnen worden ingezet. Echter, huidige systemen zijn te groot en omvangrijk. Dus hebben we de traditionele optische-pulsgenerator vervangen door een soliton-gebaseerd systeem dat kan worden geminiaturiseerd, " hij zegt.

Vahala's nieuwe soliton-gebaseerde systeem werd onthuld in het tijdschrift Wetenschap op 9 oktober - en is de basis voor een nieuwe samenwerking met Frankenberg om de dual-kam spectrometer toe te passen op het volgen en analyseren van methaan.

"Dit is wat we doen bij Caltech, ", zegt Wennberg over het nieuwe project. "We brengen onderzoekers uit de techniek en de wetenschappen samen en gebruiken hun uiteenlopende expertise om grote problemen vanuit nieuwe invalshoeken aan te pakken."