Использование данных спутникового мониторинга для оценки выбросов черного углерода от сжигания попутного нефтяного газа на факелах в регионах Арктической зоны РФ

Введение
Арктический регион очень чувствителен к антропогенному воздействию на наземные экосистемы и к факторам, влияющим на изменение климата. Скорость потепления в Арктике почти в два раза превышает средний мировой показатель. Короткоживущие климатически активные вещества обладают значительно меньшим временем жизни, чем углекислый газ, что делает снижение их выбросов одним из приоритетных путей смягчения климатических изменений в региональном разрезе.
Черный углерод имеет положительный эффект воздействия на изменение климата посредством нескольких механизмов: 1) прямое поглощение солнечной радиации, 2) уменьшение альбедо снега, 3) увеличение таяния снега, 4) изменение солнечной отражательной способности облаков через различные взаимодействия облаков с влажностью атмосферы.
Данные об источниках черного углерода в Российской Арктике неточны из-за отсутствия наблюдений и сбора качественных исходные данных. Черный углерод не входит ни в одну из государственных отчетностей и не измеряется на сетях мониторинга, поэтому в настоящее время, не существует единой методики для оценки выбросов черного углерода. Результаты оценок сильно расходятся, нет четкой определенности в разбивке по категориям источников. В результате, неопределенность в данных составляет 59-349%. При этом значительный вклад в эту неопределенность вносят и разночтения в терминологии (зачастую понятие сажи приравнивается к черному углероду) (Сведения о результатах НИОКТР, 2019).
Учитывая, что на данный момент статистические данные о выбросах на территории России, использующиеся в оценке эмиссии и воздействия черного углерода на Арктический регион включают в себя выбросы только от крупных стационарных источников, без разделения по времени года и субъектам РФ, единственным средством, обеспечивающим непрерывность и глобальность наблюдений, становятся данные спутникового мониторинга.
Методология
Прибор VIIRS на борту спутника SUOMI NPP позволяет получить данные о местоположении факелов сжигания попутного нефтяного газа, температуру горения, а также ряд других параметров (рис. 1). В работе были проанализированы и сравнены существующие подходы к оценке выбросов черного углерода от сжигания ПНГ в регионах Арктической зоны РФ с использованием данных ДЗЗ (Алсынбаев К. С. и др., 2013, Грибанов К.Г. и др., 2007, Elvidge at al., 2016), а также рассмотрена возможность использования таких данных для регулярного мониторинга эмиссий. Используя данные об объемах сжигания ПНГ на факелах и Российскую методику расчета выбросов от факельных установок (Методика…, 1996) были сделаны предварительные оценки к определению выбросов черного углерода.
Российская методика дает различные удельные выбросы сажи в зависимости от параметров и расположения факельных установок и сжигаемой углеводородной смеси.При отсутствии конкретных данных о системах сжигания принимается среднее значение 0,016 г/г, что при средней плотности углеводородной смеси 0,82 кг/м3 составляет 0,013 Гг/млн м3 сожженного газа.
Поскольку выбросы сажи, определяемые по российским методикам, содержат частицы всех размеров, выделение из них доли твердых частиц размером не более 2,5 мкм (ТЧ2.5), отвечающих за выход черного углерода, оценивается по формуле:
ТЧ2.5 = Ктч2.5/(Ктч10+Ктч2.5),
где ТЧ2.5 – доля выброса ТЧ2,5 в выбросах золы. Ктч10, Ктч2.5 - коэффициенты выбросов твердых частиц размером 10 мкм и 2,5 мкм, равные 2,6 кг/Мг сожженного газа.
Доля черного углерода в выбросах ТЧ2.5 для факельных установок принималась по данным ЕМЕП (ЕМЕП/ЕАОС, 2016) равной 0,24 для факельного сжигания при добыче нефти и газа. С учетом этого средний коэффициент выбросов ЧУ составил 0,013*0,5*0,24 = 1,6 г/м3. В обзоре (Evans M. at al., 2017) коэффициент выбросов варьируется в разных исследованиях от 0,57 г/м3 до 2,56 г/м3, что не противоречит нашим данным.
Поскольку алгоритм VIIRS Nightfire работает для распознавания и описания «горячих точек» ночной поверхности Земли, была рассмотрена возможность косвенной оценки данных по объемам сжигания ПНГ в период «полярного дня» на основе данных спектрометра TROPOMI (спутник Sentinel-5P). В первую очередь рассматривались данные по оксиду азота (NO2) и окиси углерода (СО). Области превышения концентраций данных газов (для тестового района) имеют хорошую корреляцию с местоположением объектов добычи или переработки нефти/газа.
Результаты
Сравнение объемов сжигания ПНГ по данным Национального доклада о выбросах парниковых газов (Национальный доклад…, 2017) и спутникового мониторинга (Матвеев А.М. и др., 2018) показало, что при одинаковой динамике изменения объемов сжигания, по абсолютным значениям суммарные объемы сжигания ПНГ, приведенные в Национальном кадастре ниже значений, определяемых по спутниковым данным.
Суммарная доля арктических регионов РФ в сжигании газа по спутниковым данным (Матвеев А.М. и др., 2018) за период 2010-2017 гг. составила 56,7%, из них 27,7% в Ханты-Мансийском АО, 17,8% в Ямала Ненецком АО, 4,8% в Красноярском крае, 3,3% в Республике Коми, 3,1% в Ненецком АО.
Для сравнения рассчитаны выбросы ЧУ для основных стационарных источников – производства электроэнергии, сельского хозяйства и сжигания населением по данным Росстата о расходе различных видов топлива в 2013 г. (рис. 3, 4)
Из рисунков 3 и 4 видно, что в арктических регионах сжигание ПНГ на факелах является основным источником выбросов черного углерода. Выбросы от этой категории составляют 70% от выбросов черного углерода от стационарных источников в Арктическом регионе России. Для сравнения, доля выбросов ЧУ от стационарных источников равна 24% (Сведения о результатах НИОКТР, 2019).
По полученным оценкам, суммарный выброс черного углерода в России составил в разные годы от 73 до 143тыс.т., вклад от сжигания попутного нефтяного газа на факелах составил в среднем 20% от общего объема по основным источникам выбросов. При этом доля выбросов не равномерна и зависит от региона. Следует отметить большое скопление факелов именно в Арктической зоне РФ в регионах активной нефте- и газодобычи - Ямало-Ненецком АО и Ненецком АО.
На рисунке 5 представлены средние содержания NO2 и CO - основных газов, выделяющихся при сгорании попутного нефтяного газа. Над районами нефтедобычи и горения факелов, обнаруженными по данным VIIRS, наблюдается повышенное содержание NO2 и CO. Тестовый район ЯНАО с указанием объектов добычи или переработки нефти/газа приведен на рисунке 5с (интерактивная электронная карта недропользования Российской Федерации https://map.mineral.ru/Auth/logon.aspx?returnurl=%2FStandard%2F%3Fl%3Dru&l=ru). Из рисунков видно, что лучшая корреляция наблюдается по среднему содержанию NO2.
Дальнейшее исследование с большим периодом осреднения и пространственным разрешением, с учетом расположения факелов, позволит оценить вклад от сжигания ПНГ в загрязнение атмосферы, области повышенного содержания газов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №18-05-60183.