Emissions from Siberian oil fields detected from space

Hi guys,

I wanted to advertize our new paper on Atmospheric Environmemt: X "Satellite-based estimates of nitrogen oxide and methane emissions from gas flaring and oil production activities in Sakha Republic, Russia." It is a very nice collaborative effort between natural and social sciences led by Iolanda. The results are strongly related to our ESA-funded DACES project.

In the paper there are lot of interesting analysis on nitrogen oxide and methane emissions in Tas-Yuryakh and Talakan oil fields. One of my favorite pictures is the one below illustrating methane anomalies as observed S5P/TROPOMI over Talakan. The patterns of the site are clearly visible.

TROPOMI/S5P methane enhancement over Talakan oil field. Credits: Ialongo et al., (2021), CC BY 4.0

To have more information please see this article in FMI-SPACE or in Finnish here. Please also check the full paper below:

Ialongo, I., Stepanova, N., Hakkarainen, J., Virta, H., Gritsenko, D.: Satellite-based estimates of nitrogen oxide and methane emissions from gas flaring and oil production activities in Sakha Republic, Russia, Atmospheric Environment: X, Volume 11,  https://doi.org/10.1016/j.aeaoa.2021.100114, 2021.

Cheers,

Janne

Carbon dioxide emission plumes from a large power station detected from space

Researchers at the Finnish Meteorological Institute developed a new methodology to derive source-specific NOₓ-to-CO₂ emission ratios using satellite observations. The method was applied to Matimba power station in South Africa. The results can be used to estimate carbon dioxide emissions.

Since the Paris agreement was adopted in 2015, the role of satellite observations in understanding anthropogenic CO₂emissions has become increasingly important. Currently, the NASA’s CO₂ instrument Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2), launched in 2014, provides CO₂ observations with the best coverage and resolution. However, the observations are obtained on a narrow swath (less than 10 km), which does allow the detection of the cross-sections of the emission plumes, but not the plumes in their entirety. Satellite observations of co-emitted species, such as NO₂, facilitate the detection of the CO₂ emission plumes. The European Commission is currently planning a new CO₂ monitoring mission CO2M via the Copernicus Programme, which will observe both CO₂ and NO₂ over a larger swath (over 250 km).

OCO-2 and TROPOMI observations near Matimba power station (red triangle) in South Africa between May 2018 and November 2020. Image: Hakkarainen et al. 2021. CC BY 4.0.

Estimating CO₂ emissions from individual sources using satellite data can be challenging due to the large background levels, while it is easier for short-lived gases like NO₂. In a recently published study, a new methodology to calculate source-specific NOₓ-to-CO₂ emission ratio from satellite observations is developed. This ratio provides information on how clean the employed technology is and can be used to convert NOₓ emission into CO₂ emission. The method was tested for the Matimba power station in South Africa, which is an optimal case study as it is a large emission source with several satellite overpasses, and it is also well isolated from other sources.

The results are based on the CO₂ observations from the NASA’s OCO-2 satellite and the NO₂ retrievals from the European TROPOMI (TROPOspheric Monitoring Instrument), operating onboard the Sentinel 5 Precursor satellite since late 2017. During the 2018–2020 period, 14 collocations over Matimba enabled the simultaneous detection of the CO₂and NO₂ plumes. The mean NO_x-to-CO₂ emission ratio was estimated as (2.6 ± 0.6) × 10^-3 and the CO₂ emission as 60 kton/day. The obtained CO₂ emission estimates are similar to those reported in existing inventories such as ODIAC.

The research was carried on in the DACES project, which focuses on detecting anthropogenic CO₂ emissions sources by exploiting the synergy between satellite-based observations of short-lived polluting gases (such as NO₂) and greenhouse gases.

The full publication by Hakkarainen and co-authors can be found at the following link:https://doi.org/10.1016/j.aeaoa.2021.100110

Ihmisperäisiä hiilidioksidipäästöjä metsästämässä – apurina satelliitit

Ilmatieteen laitoksella kehitettiin uusi menetelmä laskea yksittäisten päästölähteiden, kuten kaupunkien ja voimaloiden, NOₓ/CO₂-suhde avaruudesta käsin. Tuloksia voidaan hyödyntää myös hiilidioksidipäästöjen arvioinnissa. Uutta menetelmää sovellettiin Etelä-Afrikassa sijaitsevaan Matimba-hiilivoimalaan, joka on yksi maailman suurimmista.

Matimba-hiilivoimala Etelä-Afrikassa. Wikimedia commons. CC BY-SA 3.0

Vuonna 2015 solmitun Pariisin sopimuksen myötä ihmistoiminnasta peräisin olevien kasvihuonekaasupäästöjen rooli tutkimuksessa on noussut yhä tärkeämmäksi, sillä päästöjä ja niiden vähennyksiä halutaan seurata. Esimerkiksi Euroopan komissio suunnittelee uutta satelliittipohjaista CO2M-missiota ihmisperäisten hiilidioksidipäästöjen seuraamiseen osana Copernicus-maanseurantaohjelmaansa.

Ilmatieteen laitoksella on tutkittu ihmisperäisiä kasvihuonekaasuja avaruudesta käsin vuodesta 2016 alkaen. Tutkimuksessa on hyödynnetty erityisesti vuonna 2014 laukaistua NASAn OCO-2-satelliittia, joka on edelleen paras mittalaite tähän työhön. Ihmisperäisten hiilidioksidipäästöjen kartoittamisen kannalta sen kapea mittauskaista asettaa kuitenkin haasteita.

Eräs keskeisistä ongelmista ilmakehätieteissä on laskea päästöt yksittäisistä päästölähteistä kuten kaupungeista ja voimaloista. Tämä on erityisen haastavaa hiilidioksidin (CO₂) kohdalla, kun taas typen oksidien NOₓ-päästöjä on monitoroitu satelliiteista lähes rutiininomaisesti jo 1990-luvulta alkaen. Ilmanlaadun kannalta NOₓ- ja CO₂-päästöjen välinen suhde kertoo käytetyn tekniikan puhtaudesta.

Juuri julkaistussa tutkimuksessa kehitettiin uusi menetelmä, jolla voidaan laskea NOₓ/CO₂-suhde avaruudesta käsin. Näin laskettua suhdetta voidaan hyödyntää myös, jos halutaan kääntää NOₓ-päästöt hiilidioksidipäästöiksi. Tutkimuksessa tätä menetelmää sovellettiin Etelä-Afrikassa sijaitsevaan Matimba-hiilivoimalaan. Se on tutkimuksen kannalta erinomainen koelaboratorio, sillä se on voimakas pistemäinen päästölähde ja suhteellisen etäällä muista päästölähteistä.

Tutkimuksessa hyödynnettiin vuonna 2017 laukaistun eurooppalaisen Sentinel 5 Precursor S5P-satelliitin tekemiä mittauksia, jotka mahdollistavat ensi kertaa yksittäisten typpidioksidipilvien (NO₂-pilvet) kartoittamisen satelliitista käsin. Tutkimuksessa yhdistettiin S5P-satelliitin havaitsemat NO₂-pilvet ja OCO-2-satelliitin CO₂-havainnot. Vuosilta 2018–2020 löydettiin yhteensä 14 satelliitin ylilentoa, jossa kapealla kaistalla mittaavan OCO-2-satelliitin havainnot kyettiin kytkemään S5P-satelliittiin mittaamiin NO₂-pilviin.

Kuvassa S5P ja OCO-2-satelliittien havaintoja vuosilta 2018–2020 yhdistettynä. Matimba-hiilivoimala on merkitty kuvaan punaisella kolmiolla. Hiilivoimalasta peräisin olevat NOₓ-päästöt näkyvät kuvassa punaisesta kolmiosta lähtevänä pilvenä lähialueella. OCO-2-satelliittin tekemät mittaukset hiilidioksidista näkyvät kapeina viivoina kuvassa. Nämä havainnot yhdistämällä voidaan laskea NOₓ/CO₂-suhde. Kuva: Hakkarainen et al. 2021. CC BY 4.0.

Ilmakehää mallinnettiin FLEXPART-mallilla ja tuloksena saatiin Matimba-hiilivoimalan NOₓ/CO₂-suhteeksi (2.6 ± 0.6) × 10^-3 ja hiilidioksidipäästöiksi noin 60 kilotonnia päivässä, joka on suuruusluokaltaan noin puolet koko Suomen hiilidioksidipäästöistä. Tutkimuksessa lasketut arviot ovat yhteneviä aikaisempien päästöinventaarioiden (esim. ODIAC) tulosten kanssa.

Tutkimusta on tehty erityisesti Euroopan Avaruusjärjestö ESAn rahoittamassa DACES-projektissa, josta voit lukea lisää projektin verkkosivuilta.

Viite:

Janne Hakkarainen, Monika E. Szeląg, Iolanda Ialongo, Christian Retscher, Tomohiro Oda, and David Crisp: Analyzing nitrogen oxides to carbon dioxide emission ratios from space: A case study of Matimba Power Station in South Africa, Atmospheric Environment: Volume 10, 2021.

Lue tieteellinen artikkeli täältä: https://doi.org/10.1016/j.aeaoa.2021.100110

Analyzing nitrogen oxides to carbon dioxide emission ratios from space: A case study of Matimba Power Station in South Africa

Hi guys,

I just wanted to say that we have a new paper on Atmospheric Environment: X

The paper Analyzing nitrogen oxides to carbon dioxide emission ratios from space: A case study of Matimba Power Station in South Africa was written by myself, Iolanda Ialongo, Monika Szeląg, Christian Retscher, Tomohiro Oda, and David Crisp.

Highlights:

• A new methodology to derive source-specific NO_x-to-CO₂ emission ratios.
• The method is applied for TROPOMI and OCO-2 satellite observations.
• The mean emission ratio of (2.6±0.6)×10⁻³ is obtained for Matimba Power Station.
• The annual CO₂ emissions for Matimba are ∼60 kt/d.
• The emission estimates are consistent with existing inventories such as ODIAC.

The Journal Pre-proof version is already available online: https://doi.org/10.1016/j.aeaoa.2021.100110

I will write more about this paper later.

Stay tuned!

Janne

Pandigital π

Hah!

Yesterday I was watching this Numberphile video

   

and like Dr. James Grime, I did not like the pandigital formula for π. So I decided to play a little with pen and paper, and found the following

I think it is quite neat. Of course, I knew beforehand that 355/113 approximates π quite well, up to 6 decimal places. Actually, it is called Milü. 

Cheers,

Janne

Faktoja ilmastonmuutoksesta: hiilinielu vai hiilivarasto?

Monilla tuntuu menevän käsitteet hiilinielu ja hiilivarasto lahjakkaasti sekaisin. Erityisen harmilliselta tämä tuntuu, jos kyseessä on ns. vakavasti otettava tutkija.

Fakta 1. Toisin kun yleensä luullaan vanhat metsät kuten Amazonin sademetsä ei ole voimakas hiilinielu. Nuoret metsät (alle 140 vuotta) taas ovat. Yleistajuisesti voi PNAS-lehdessä julkaistusta tutkimuksesta voi lukea täältä.

(Myös muut tutkimustulokset, kuten omani, ovat päätyneet samaan johtopäätökseen, mutta se ei nyt varsinaiset liity tähän.)

Tämä ei ole oikeastaan yllättävää. On selvää, että hyvin vanha metsä (yli 150 vuotta) ei enää toimi hiilinieluna vaan voi jopa toimia päästölähteenä. Toisaalta nuori parhaassa kasvuiässä oleva metsä toimii voimakkaana hiilinieluna eli se poistaa ilmakehästä hiiltä. Vanha metsä voi toki olla suurempi hiilivarasto kuin nuori metsä, mutta nieluna se ei enää toimi. Jos siis halutaan, että metsät toimivat hiilinieluina olisi oltava mahdollisimman paljon 20–80-vuotiasta metsää.

Fakta 2. Hiilinielu ei ole hiilivarasto. Nielu on prosessi, toiminta tai mekanismi, joka sitoo kasvihuonekaasun, aerosolin tai niiden esiasteen ilmakehästä. Lähde taas tarkoittaa prosessia, toimintaa tai mekanismia, joka vapauttaa kasvihuonekaasun, aerosolin tai niiden esiasteen ilmakehään. Hiilivarasto taas kertoo yksinkertaisesti paljonko johonkin on varastoitunut hiiltä. Yksinkertaisesti voi ajatella, että puuliiterissä olevat klapit ovat hiilivarastossa, mutta muuttuvat päästöiksi saunan pesässä. Kun saunan vieressä oleva puu kasvaa (ja poistaa ilmakehästä hiiltä), niin se toimii nieluna.

Fakta 3. Hiilivaraston muutos ei ole hiilinielu. Tehdään ajatuskoe. Käyt lähimetsässä ja poimit metsästä kilogramman edestä hiiltä. Nyt metsän hiilivarasto on pienentynyt kilogramman verran, mutta ilmakehä ei tiedä tästä mitään eli et ole aiheuttanut päästöjä. Vastaavasti jos viet hiilen takaisin metsään, niin metsä ei ole ymmärrettävästi toiminut ilmakehän hiilinieluna. Jos veistät löytämästä puusta lusikoita, se toimii hiilivarastona (ei nieluna!) ja jos taas poltat löytämäsi puun, aiheutat päästöjä.

Bonus. Puut eivät tulevat maasta vaan ilmasta kertoo Richard Feynman.