P保羅·威爾扎克駕駛他的雙座飛機飛越了西德克薩斯州一片平坦的工業用地。大約在下方 60 米處，我看到一道明亮的橙色閃光。那是一個“火炬”——商業油井和儲罐旁邊一根高高的垂直管道，正向多風的午後空氣中噴射火焰。管道正在燒掉不需要的氣體，主要是甲烷，這些氣體與石油一起從地下升起。“讓我們看看這個火炬是否在正常工作，”威爾扎克說，他的聲音幾乎被飛機巨大的單引擎聲淹沒。
威爾扎克是一位 23 歲的飛行員和科學航空公司的研究員，這是一家位於科羅拉多州博爾德市的公司，為聯合國、政府機構、環保團體和私營公司等客戶跟蹤空氣質量。我們當時在敖德薩以北約 48 公里處飛行，敖德薩是二疊紀盆地中心的一座城市，這是一個堪薩斯州大小的廣闊區域，橫跨西德克薩斯州和新墨西哥州東南部。數億年前，這個地區被一片廣闊的淺海覆蓋，海中居住著微小的生物，它們建造了巨大的珊瑚礁。這些生物分解的遺骸積聚在成油沉積物中，現在深達 3000 米或更深。如今，二疊紀盆地是世界上最大的油田之一——美國最大且增長最快的油田，佔美國石油產量的 38% 和天然氣產量的 17%。在美國於 2015 年底解除石油出口禁令後，這裡的石油和天然氣產量激增。現在二疊紀盆地約有 15 萬口活躍油井；石油產量是十年前的四倍多。
二疊紀盆地也是美國最大的甲烷排放源之一——甲烷是一種強效溫室氣體，正日益被認為是氣候緊急情況的重要驅動因素。自 2019 年以來，隨著科學家們試圖掌握二疊紀油罐、加工廠和其他基礎設施洩漏的溫室氣體量，科學航空公司的飛機需求量很大。
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續釋出關於塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的報道。
威爾扎克放緩飛機速度，向火炬下降，並開始圍繞火炬盤旋。在我們下方，電路板狀的筆直土路和裸露土壤的平坦方塊向地平線延伸。方塊中的抽油機上下點頭，從地下吸取石油。當我們圍繞火炬上方的氣柱盤旋時，安裝在右翼下方的管道將空氣吸入我們座位後面的光譜儀中。該儀器分析了空氣樣本，並在我們之間的筆記型電腦螢幕上顯示綠色、紅色和藍色圖表線。綠線——二氧化碳——飆升，但藍線——甲烷——仍然很低。火炬燃燒得很乾淨，將甲烷轉化為效力較低但仍有問題的二氧化碳。
許多運營商會燃燒他們的天然氣，通常是因為他們只對石油感興趣。當火炬正常工作時，它們會將甲烷轉化為二氧化碳和水蒸氣，同時減少排放到大氣中的揮發性有機化合物的量，這些化合物會產生煙霧，並與呼吸系統和心血管問題有關。但火炬可能會發生故障，管道可能會洩漏，運營商可能會在不燃燒甲烷的情況下排放甲烷，以釋放壓力並防止爆炸。其他大型來源包括燃氣控制器排放的廢氣，這些控制器用於開啟和關閉井口、儲罐和其他硬體上的閥門。去年九月，威爾扎克記錄了一次洩漏，洩漏量之大以至於超過了光譜儀的極限。“這比我在 1000 多個小時的測量中見過的任何情況都高得多，”他後來告訴我。一個壓縮機站的發動機發生故障，導致該工廠每小時排放超過 12,000 公斤的甲烷——相當於 65 輛汽車行駛一年的全球變暖當量。他確保通知了運營商，當他第二天調查該區域時，他發現洩漏已經修復。
老化的基礎設施加劇了這個問題。二疊紀盆地的第一次繁榮可以追溯到 20 世紀 20 年代初期，當時一小群投資者在一口名為聖麗塔 1 號的油井上押下了令人難以置信的賭注。當它噴出石油時，引發了一場土地搶奪潮，這有助於建立德克薩斯州傳奇的化石燃料產業。諮詢公司 Rystad Energy 的頁岩研究主管阿特姆·阿布拉莫夫表示，許多油井已有數十年的歷史——遠比北達科他州的巴肯和德克薩斯州的鷹福特等類似油田或油區的老舊得多，這些油田的基礎設施更加可靠。數十萬口油井和管道段已被簡單地廢棄，它們腐爛的密封件和配件洩漏出從地下升起的甲烷。
至少自 2010 年以來，大學科學家、能源公司和其他專家（其中許多人由環境保護基金 (EDF) 召集在一起）一直致力於瞭解現代水力壓裂法（或稱“壓裂法”）和水平鑽井等新技術對甲烷排放的影響。該專案的一個主要障礙是難以找到單獨的排放源。甲烷是無色無味的；肉眼無法發現。在任何人修復洩漏之前，他們都必須找到洩漏點。
最近，二疊紀盆地已成為科學家們試驗識別排放物新方法的實驗室。大部分動力來自新的環境保護署和州法規，這些法規從 2015 年開始實施，規定了對石油和天然氣公司更嚴格的空氣排放和監測要求。研究人員正在駕駛飛機、無人機，指揮衛星並安裝複雜的地面感測器網路。計劃很快發射的新衛星將跟蹤全球和地方範圍內的甲烷，使任何人都可以免費獲得資料。
然而，在測量某物和控制某物之間存在很大差距。新技術必須與更強有力的法規以及強大石油和天然氣行業的合作相匹配，而該行業更傾向於自我監管。埃克森美孚、英國石油公司和其他幾家主要生產商已承諾在未來二十年內削減其在二疊紀盆地的排放量，但並非所有公司都做出此類承諾，而且無論如何這些承諾都不具有約束力。達拉斯聯邦儲備銀行 2020 年 12 月的一項調查發現，在二疊紀盆地運營的公司中，只有約三分之一的公司制定了減少排放或火炬燃燒的計劃。所有這一切都是康奈爾大學生物地球化學家和生態系統科學家羅伯特·霍沃思等人認為，測量單個來源的甲烷排放量並公開這些資訊可能是追究汙染者責任的最佳方式的原因。
西德克薩斯州和新墨西哥州東南部擁有巨大的石油和天然氣礦藏，在數萬個地點（土方）開採。圖片來源：尼克·西蒙尼特
洩漏之地
甲烷來自各種各樣的自然和人為來源：溼地、淺湖和河流、畜牧業、垃圾填埋場、農業、廢水處理廠。哈佛大學大氣化學教授丹尼爾·J·雅各布估計，人為甲烷來源均勻分佈在石油和天然氣基礎設施、煤炭作業、垃圾填埋場、畜牧業和農業之間。
控制牲畜排放比控制洩漏的油井要困難得多。將這一事實與化石燃料行業的快速增長結合起來，很明顯，它們成為控制溫室氣體運動的主要目標。霍沃思說，石油和天然氣可能是最大和增長最快的貢獻者；2006 年後甲烷的增加與美國壓裂法的興起相吻合。
甲烷僅佔美國溫室氣體排放量的約 10%，但它在 10 年內捕獲熱量的能力遠強於二氧化碳。自 2007 年以來，大氣甲烷水平持續上升。今年 4 月，美國國家海洋和大氣管理局報告稱，儘管冠狀病毒大流行導致經濟放緩，但 2020 年甲烷濃度的年度增幅仍創下歷史新高，達到十億分之 14.7。
二疊紀盆地在數億年前是一個擁有廣闊珊瑚礁的淺海。圖片來源：Mapping Specialists
然而，一旦找到甲烷排放源，阻止油田甲烷排放就相對簡單。雅各布和其他專家表示，修復成本低廉，甚至可以賺錢：公司可以出售甲烷，而不是將其火炬燃燒或使其洩漏。減少汙染的好處是巨大而迅速的。“如果我們現在減少甲烷排放，我們幾乎可以立即減緩全球變暖的速度，”霍沃思說。聯合國今年 5 月釋出的一份報告得出結論，到 2030 年將人為造成的甲烷排放量減少 45% 將有助於將本世紀的升溫幅度控制在 1.5 攝氏度以內，這符合《巴黎氣候協定》的目標。這種減少可以限制致命熱浪、乾旱、洪水和蚊媒疾病的影響，可能挽救數千人的生命。
如果油田甲烷排放是唾手可得的成果，那麼二疊紀盆地就是一個肥沃的果園。哈佛大學研究人員領導的一項 2020 年 4 月的研究發現，該盆地排放的甲烷足以供 700 萬個家庭使用。該研究得出結論，二疊紀盆地的甲烷洩漏率比全國石油和天然氣生產基地的平均水平高出約 60%。根據各種估計，二疊紀盆地有多達十分之一的火炬發生故障。EDF 最近的一項研究發現，二疊紀盆地的火炬平均執行效率僅為 93% 左右。EDF 科學家大衛·里昂說，即使是看似很小的不足也會對氣候產生重大影響。
根據 2021 年 6 月發表在《環境科學與技術快報》上的一項研究，二疊紀盆地的排放量平均也遠高於其他盆地。該研究的合著者、亞利桑那大學和 NASA 噴氣推進實驗室的研究科學家萊利·杜倫說，該盆地“與我們在美國各地調查的其他主要甲烷排放區域在性質上有所不同”。增長率是一個因素；在 2019 年的生產高峰期，各公司每月鑽探 600 口新井。“供應鏈上存在更多的壓力點，”杜倫說。
供應鏈中的幾乎每個元件都可能洩漏甲烷。油井鑽探和壓裂後，湧上來的液體和氣體透過分離器，分離器將石油、天然氣和水分離。石油進入儲罐，在那裡等待卡車或管道運輸。水流向其他儲罐或管道進行處理。天然氣要麼在井場火炬燃燒，要麼透過管道輸送到收集站、壓縮機和加工廠網路，這些網路將其提煉成用於家庭供暖的天然氣，以及丁烷、乙烷和丙烷。
化學工程師、德克薩斯大學奧斯汀分校能源與環境資源中心主任大衛·T·艾倫說，小型火炬可以在儲罐和油井旁邊找到；大型火炬可以在加工廠找到。幾乎每個裝置上的燃氣控制器和閥門都遍佈錯綜複雜的基礎設施。“每個控制器排放的甲烷量都相對較小，”艾倫說。“但有數十萬個。”
圖片來源：Pitch Interactive
精準探測
這種難以想象的大量潛在甲烷洩漏是科學家、環保團體和一些大型化石燃料公司正在推動對二疊紀盆地進行更嚴格監測的原因。到目前為止，像科學航空公司這樣的空中測量員只能將排放物追溯到大致區域，而不是特定的裝置，除非它是像我看到的那樣明顯的孤立火炬管道。“我們可以圈出半徑為一公里的土地，並告訴你那裡肯定發生了什麼事，”科學航空公司高階科學家麥肯齊·史密斯說，“但二疊紀盆地的一切都非常密集，那個圈子裡可能就有 20 個地點。”
緊湊型裝置的普遍存在使得擁有高解析度監測器變得更加重要。在最近的一次 Zoom 通話演示中，杜倫向我展示了一段從大約 5200 米高空拍攝的二疊紀盆地的影片，這些飛機配備了 NASA 製造的成像光譜儀，該光譜儀根據甲烷和其他氣體與光相互作用的方式來檢測甲烷和其他氣體。熟悉的電路板狀景觀出現了，但上面覆蓋著明亮的紅色羽狀物，那裡正在洩漏甲烷。“看起來到處都是野火，”他說。
解析度約為 3 到 8 米，遠高於目前大多數衛星和低空飛行飛機。但即使是如此高的精度也不足以隔離點源。“如果沒有額外的高解析度資料，就很難確定根本原因，”杜倫說。此外，基礎設施不斷增加，這可能會使幾個月前的影像過時。一些飛機現在配備了高解析度相機，當光譜儀檢測到氣體時，這些相機可以繪製裝置地圖。
另一個挑戰是許多來源是間歇性和不可預測的。杜倫說，一半的排放源僅在四分之一的時間內處於活動狀態。EDF 資助了雅各布、艾倫和其他人的研究，也發現了一定數量的超級排放源，它們排放大量的氣體。為了有效，甲烷監測確實需要在至少每天的基礎上，在廣闊的區域內持續執行。
這就是衛星的用武之地。今天的衛星只能捕獲廣闊區域的排放物。例如，在 2018 年和 2019 年，雅各布使用了歐洲航天局的 TROPOMI 衛星，對二疊紀盆地的洩漏進行了有史以來最好的一些大規模測量。但 TROPOMI 的解析度僅約為 5.5 公里 x 7 公里，這個區域可能容納數十個石油和天然氣基地。
科學家們很快將發射新一代感測器，這些感測器可以精確定位單個設施。Carbon Mapper 是 NASA、衛星公司 Planet、亞利桑那大學、亞利桑那州立大學、加利福尼亞州和其他機構的合作專案，將於 2023 年發射兩顆衛星。更多衛星將在 2025 年及以後陸續發射，直到 Carbon Mapper 至少有 18 顆航天器在太空中飛行。最終，該星座將對全球已知最大的甲烷和二氧化碳排放區域（佔地球人口稠密陸地面積的 7% 到 10%）進行每日取樣。
每個影像畫素將覆蓋邊長為 30 米的正方形。該聯盟將公開資料，以便監管機構、公司、環保團體和公眾可以搜尋網站並跟蹤排放者。NASA 和 Planet 正在採購元件，組裝和測試將於明年開始。與此同時，該聯盟繼續進行航空調查。
由電機或內燃機驅動的抽油機通常每分鐘上下點頭約 20 次，每次衝程抽取 1 到 10 加侖的流體。圖片來源：尼克·西蒙尼特
EDF 還計劃在 2023 年發射自己的衛星 MethaneSAT，部分資金來自亞馬遜創始人傑夫·貝佐斯的地球基金提供的 1 億美元。目前正在生產中的硬體將精確量化全球範圍內區域的排放量。EDF 將在網上公開資料。
一旦兩組衛星都開始執行，它們將相互補充。“想象一下，你從太空向下看，用兩臺相機拍攝二疊紀盆地的照片：一臺配備中廣角鏡頭的相機和一臺配備長焦鏡頭的相機，”杜倫說。
一些石油和天然氣公司正在自行測試新技術。總部位於休斯頓的 TRP Energy 正在試驗飛機、無人機和地面感測器來監測其排放物。聯合創始人蘭迪·多蘭表示，預防和修復洩漏是當務之急，因為“透過降低甲烷強度，天然氣在我們經歷全球能源轉型時仍將是最具吸引力的橋樑燃料。”
近年來，環保倡導者質疑天然氣僅對氣候產生適度影響的觀點。清理業務也可能是對投資者的回應，這些投資者要求公司關注綠色能源；2021 年 5 月，埃克森美孚股東選舉了三名董事會成員，他們承諾引導公司擺脫石油和天然氣。
多蘭預測，公司最終將使用自己的技術組合來掌握洩漏情況。總部位於達拉斯的先鋒自然資源公司每年都會對其最大的二疊紀盆地設施進行空中巡視，如果光譜儀顯示讀數偏高，該公司就會派出地面工作人員攜帶特殊相機來精確定位故障點。
埃克森美孚、先鋒、雪佛龍和其他公司正在與艾倫合作測試一種名為 Astra 專案的地面連續監測系統。艾倫說，目標是“找到超級排放源——快速找到它們，然後你就可以快速修復它們”。今年秋天，該小組將在二疊紀盆地多達 50 平方公里的範圍內部署約 50 到 100 個地面感測器，其中包含約 100 個石油和天然氣基地。重點是無人值守的裝置，例如發生意外排放的井場。艾倫解釋說，加工廠有員工可以發現此類故障，但“一個井場可能很少見到人。”
典型的感測器將很小，由太陽能供電，並安裝在杆子上，透過蜂窩網路傳送即時測量資料。運營商每天都會看到一個站點是否執行正常、可能發生故障或異常排放甲烷。研究人員將測試幾種型別的感測器，包括科學航空公司開發的一種廉價的金屬氧化物感測器，該公司也在測試自己的名為 Falcon 專案的連續監測系統。“我們真的很高興看到這項技術是否能夠起飛，”先鋒公司企業運營執行副總裁馬克·S·伯格說。“它將比空中調查和一些公司現在使用的私人衛星資料更有效，而且成本效益更高，”他說。
保持排放者的誠信
公司是否會堅持下去還有待觀察。並非所有化石燃料公司都有動力減少排放。僅運營少量油井的小公司可能沒有資源。環保組織地球之友的高階組織者莎倫·威爾遜親身體驗了這種變化莫測。每隔幾個月，她都會將租來的 SUV 裝滿攝像裝置，然後從她在達拉斯的家開車六個小時前往二疊紀盆地。多年來，她一直致力於證明排放量高於官方政府測量的指標。
去年三月，我加入了威爾遜和她的兩位同事，在德克薩斯州佩科斯附近進行了為期數天的實地考察，佩科斯是敖德薩西南約 120 公里處的一座城市，聲稱是世界首屆牛仔競技表演的舉辦地。“你聞到那氣味了嗎？”在我們到達的第一個晚上，威爾遜將她的白色車輛駛離一條塵土飛揚的土路時問道。我們正在黃昏時分沿著離我們酒店不遠的石油和天然氣基地緩慢行駛。風吹來一股強烈的硫磺氣味，很快就讓我們眼淚汪汪。甲烷是無味的，但它通常伴有硫化氫等難聞的化合物。
60 多歲的威爾遜，一頭飄逸的灰髮，拿起她的氣體成像攝像機，它看起來像一臺攝像機。她下了車，將攝像機對準大約 200 米外的一個火炬。從那個距離看，管道就像一根豎立著的超大號火柴，頂部噴出橙色火焰。它像一架低空飛行的 747 飛機一樣咆哮和呼嘯。威爾遜透過她的攝像機觀察，該攝像機記錄人類看不到的紅外波長，她評估火炬燃燒得很乾淨，附近的儲罐沒有洩漏。我們回到 SUV 中，沿著空曠的道路緩緩行駛，同時她一直開啟攝像機，尋找發出臭味的罪魁禍首。很快，她發現一根在我們看來沒有點燃的管道，但攝像機顯示一股幽靈般的雲霧從頂部湧入空氣：本不應該存在的排放物。
圖片來源：Pitch Interactive；來源：“閒置和廢棄油氣井：州和省級監管策略”。州際石油和天然氣契約委員會，2019 年（2018 年資料）和 2020 年（2019 年資料）；“美國曆史石油和天然氣勘探與生產區域”，勞拉·R·H·比維克，美國地質調查局（主要歷史參考）
我們第二天又回來了。管道再次顯得不活躍，但攝像機捕捉到了滾滾氣雲。威爾遜在數字地圖上標記了它。
威爾遜搜尋並跟蹤定期排放大量甲烷的地點。她向公司報告這些地點，通常包括影片作為證據。她還將她的調查結果傳送給負責監管德克薩斯州居民呼吸空氣質量的德克薩斯州環境質量委員會和成立於 1891 年負責監管鐵路的德克薩斯州鐵路委員會，該委員會目前負責監管石油、天然氣和採礦業。她說，井場繁殖速度如此之快，以至於監管機構無法跟上。有時當她打電話時，“他們無法在他們的記錄中找到該地點，”她說。“這是一個問題。他們不知道發生了什麼。他們甚至無法開始監管這裡的混亂局面。”她通常不得不多次投訴並通知當地新聞媒體，公司才會採取行動。
運營商總是很不高興看到她。一天下午，我開車，我們把車停在路邊，以便威爾遜拍攝一些儲罐。一輛紅色皮卡車停在我們後面，一個人從駕駛室跳出來，開始瘋狂地揮舞手臂，示意我們離開。“滾開，地球之友，”他說，走到威爾遜的車窗前，用手擋住她的攝像機鏡頭。
“這非常成熟，”威爾遜告訴他。她拿起她的 iPhone，開始錄製他。“你想隱瞞什麼？”她問道。
這個人 20 多歲，留著鬍鬚，有著淡藍色的眼睛，他退後一步，但警告她，她是在私人財產上。威爾遜提醒他，我們停在德克薩斯州的一條公共道路上，而且她是一名德克薩斯州人。“德克薩斯州人相信石油和天然氣，”那人訓斥道，然後爬回他的卡車，開車離開了。
儘管威爾遜付出了努力，但她已經放棄了希望，認為該行業會清潔運營。在她看來，即將到來的監測技術是對資源的浪費，只會延緩世界向可再生能源的轉型。她說，到新衛星升空時，甲烷排放量將會更大。威爾遜認為，應該完全停止壓裂法、新的鑽探許可證和其他化石燃料開發。她說，喬·拜登總統應該宣佈氣候變化是一項國家緊急狀態，以便他可以使用擴大的權力來恢復 1975 年美國第一次石油危機後實施的原油出口禁令。“當 2015 年解除禁令時，它推動了二疊紀盆地的壓裂繁榮，”她說。
更嚴格的管控
新的監測方法及其可以生成的資料可能會推動公司和監管機構採取行動。例如，埃克森美孚和雪佛龍已承諾分別在 2025 年和 2028 年之前將排放量減半，並在 2030 年之前結束常規火炬燃燒。但兩家非營利性可持續能源組織 Ceres 和清潔空氣任務部隊最近的一項分析揭示了一個令人驚訝的模式：一些大型石油和天然氣公司正在將其汙染最嚴重的資產出售給規模較小、名氣較小的公司，這些公司繼續運營。Ceres 和任務部隊發現，195 家最小的生產商佔美國排放量的 22%，但僅佔產量的 9%。
去年 11 月，鐵路委員會開始要求運營商提交更具體的資訊，以證明火炬燃燒或排放的合理性。它還在疫情期間啟動了自己的無人機計劃，以跟蹤油井井噴和其他緊急情況造成的排放。
新墨西哥州是二疊紀盆地的大部分所在地，於 2021 年 5 月釋出了新規，要求石油和天然氣公司捕獲 98% 的天然氣排放量，並禁止這些公司排放或火炬燃燒，除非在緊急情況下。然而，目前尚不清楚該州是否有足夠的檢查員來監管不良行為者。
聯邦法規正在變化之中。在巴拉克·奧巴馬總統執政期間，美國環保署通過了一項法規，要求石油和天然氣運營商對 2015 年之後安裝的裝置每年進行兩次洩漏檢測和維修。唐納德·特朗普總統在他的任期結束時撤銷了這些規則，但在 6 月下旬，拜登簽署了一項來自國會的法案，恢復了這些規則。政策觀察人士認為，拜登政府可能會將這些規則也擴充套件到舊裝置。
科學家們希望，衛星和開放資料不僅能清理二疊紀盆地，還能向世界其他地區展示如何更好地維護其化石燃料基礎設施。甲烷排放是一個全球性問題，需要全球性的解決方案。例如，2020 年，歐洲航天局的衛星發現大量甲烷從俄羅斯的亞馬爾管道中洩漏出來，該管道為歐洲供應來自西伯利亞的天然氣。Carbon Mapper 和 MethaneSAT 技術最終將定期測量全球主要油田的溫室氣體排放量。
霍沃思說，奧巴馬時代的法規存在的一個大問題是沒有內建的核查機制。政府讓公司自己報告他們正在進行的火炬燃燒和排放量。“很快，任何擁有[衛星]資訊的人都可以去確定該行業的自我報告是否準確。我認為這是一個巨大的遊戲規則改變者，”他宣稱。“當 X 公司說它從不排放時，你可以說，‘好吧，這不是真的。這是衛星資料。’而這大概會導致行動。”