Le méthane est moins répandu dans l'atmosphère que le dioxyde de carbone (CO2), un autre gaz à effet de serre, mais il présente des défis plus difficiles pour les chercheurs qui tentent de l'étudier.

La plupart des producteurs de CO2 peuvent facilement estimer leur empreinte carbone, éliminant ainsi la nécessité d'un suivi étroit. Par exemple, les centrales électriques brûlant des combustibles fossiles savent, à un haut degré de précision, combien de CO2 est produit par leurs opérations. Par ailleurs, les sources de CO2 sont faciles à cerner. Le CO2 produit par la combustion du charbon dans un four est craché par la cheminée attenante.

Émissions de méthane, par contre, sont plus difficiles à quantifier, en partie parce qu'ils proviennent de sources comme des fuites de pipelines transportant du gaz naturel, fermentation de matières végétales à l'intérieur de l'estomac des bovins, et la décomposition des déchets dans les décharges. Ces sources sont considérées comme "désordonnées" par les chercheurs car de nombreuses variables déterminent la quantité de méthane qu'elles libèrent, et où. Par exemple, la quantité de méthane produite par la décomposition des déchets dans une décharge dépend du type de matériau dans la décharge et des conditions environnementales locales. Plus loin, la source des émissions peut être difficile à cerner étant donné la grande surface qu'une décharge peut couvrir.

« Le méthane est particulièrement problématique, " dit Paul Wennberg, le professeur R. Stanton Avery de chimie atmosphérique et de science et ingénierie de l'environnement à Caltech.

Wennberg, qui est également le directeur du Ronald and Maxine Linde Center for Global Environmental Science, travaille avec des collègues de l'Institut, des scientifiques comme des ingénieurs, pour étudier le méthane et ses effets sur le globe et pour mettre au point les outils et techniques nécessaires pour identifier, Piste, et caractériser le gaz et ses sources.

Empreinte digitale du méthane

Une molécule de méthane est constituée d'un atome de carbone entouré de quatre atomes d'hydrogène. Cependant, tout le méthane n'est pas créé égal. Les éléments ont généralement plusieurs formes isotopiques. Les isotopes sont des atomes d'un même élément qui diffèrent par le nombre de neutrons dans leur noyau. Carbone, par exemple, a trois isotopes :carbone-12, carbone-13, et le carbone 14 radioactif. Carbone-12, avec six neutrons en plus de six protons, représente près de 99% des atomes de carbone. Le C-13, beaucoup moins répandu, a sept neutrons; C-14, huit. De même, l'hydrogène se présente sous trois formes isotopiques. De loin le plus courant, représentant 99,98 pour cent des atomes d'hydrogène, est l'hydrogène-1, ou protium, qui n'a qu'un seul proton. Hydrogène-2, ou deutérium, a un proton et un neutron; hydrogène radioactif-3, tritium, a un proton et deux neutrons. Parce que les neutrons ont une masse, chacun de ces isotopes a un poids différent.

Une molécule donnée de méthane, alors, peut avoir l'un des trois isotopes du carbone et diverses combinaisons d'isotopes d'hydrogène, ce qui donne à diverses molécules de méthane des poids différents. La détermination de cette composition isotopique crée une description de plus en plus granulaire d'une molécule de méthane donnée, dit John Eiler, Robert P. Sharp de Caltech, professeur de géologie et professeur de géochimie.

"Une bonne métaphore est une empreinte digitale, " dit Eiler. " Si je ne pouvais observer qu'une ou deux formes d'une molécule, ce serait comme si votre empreinte digitale n'avait qu'une ou deux lignes dessus. Si tel était le cas, aucun tribunal au monde ne vous condamnerait pour avoir vu une ou deux lignes ondulées sur quelque chose que vous avez volé." Avec les centaines de lignes à motifs uniques d'une empreinte digitale complète, cependant, un tribunal pourrait penser différemment.

Le laboratoire d'Eiler utilise un spectromètre de masse pour obtenir cette empreinte digitale complète, trier les ions en fonction du poids, puis quantifier les différents isotopes qu'ils trouvent. L'équipe utilise cette technique pour explorer une variété de sujets allant du cycle de l'hydrogène à l'intérieur de la Terre aux cycles géochimiques de l'eau sur des corps planétaires autres que la Terre.

Avec les empreintes isotopiques du méthane, Eiler peut déterminer l'origine d'un échantillon donné, par exemple en comparant le rapport du carbone-13 au carbone-12 en parties pour mille, un chiffre connu sous le nom de δ13C, prononcé "delta treize C." Plus le nombre est bas, le plus de carbone-12—et, donc, plus l'échantillon est léger. Par exemple, le méthane isotopiquement léger provient généralement de matières végétales en décomposition, tandis que le méthane libéré par les sources géologiques a tendance à être plus lourd.

Comprendre les sources de méthane aide les chercheurs à approfondir leurs connaissances sur les processus qui génèrent du méthane, en plus d'aider à localiser les sources de méthane dans l'atmosphère et à suivre les sources souterraines de gaz naturel combustible.

Localiser le méthane

Bien sûr, caractériser le méthane, il faut d'abord pouvoir le trouver. Dans une étude de validation de principe menée l'été dernier, Christian Frankenberg, qui a une nomination conjointe en tant que professeur agrégé de sciences et d'ingénierie de l'environnement à Caltech et chercheur scientifique au JPL, a mené un effort pour localiser les panaches de méthane dans la région des quatre coins des États-Unis à l'aide d'avions volant à basse altitude.

Le point chaud de méthane dans la région de Four Corners a été initialement détecté par Eric Adam Kort de l'Université du Michigan, avec Frankenberg et ses collègues, à l'aide d'observations faites par un satellite européen, SCIAMACHY. Faisant suite à cette observation, une collaboration de chercheurs du JPL/NASA a rejoint la campagne TOPDOWN (Twin Otter Projects Defining Oil/gas Well emissioNs) pour sonder la région avec deux avions volant à un à trois kilomètres au-dessus du sol. Les avions étaient équipés de spectromètres thermiques et à ondes courtes à proche infrarouge. Ces instruments sont utilisés pour identifier et quantifier le méthane et d'autres molécules.

Les spectromètres ont été développés à l'origine pour étudier les propriétés chimiques et physiques de la surface terrestre (roches, sol, et végétation) à distance. Cependant, ils se sont avérés suffisamment sensibles pour localiser les sources de méthane à moins de trois mètres.

"Nous utilisons essentiellement les spectromètres à mauvais escient pour ce qu'ils n'ont jamais été censés faire, " dit Frankenberg. " C'est une coïncidence vraiment chanceuse qu'ils travaillent. "

Plus de 250 sources individuelles de méthane ont été détectées dans l'étude Four Corners. Dix pour cent de ces sources, qui se sont avérées être principalement des pipelines fuyant du gaz naturel, étaient responsables de la moitié des émissions. Identifier et traquer ces fuites, Frankenberg dit, est un gagnant-gagnant pour l'environnement et l'industrie de l'énergie, car la réduction des fuites réduira à la fois les émissions de gaz à effet de serre et réduira les pertes sur les bénéfices des fournisseurs d'énergie.

L'étude de Frankenberg a montré que les panaches de méthane pouvaient être repérés via des scans aériens. Son travail, publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences le 15 août, ouvre la porte à de futurs relevés aériens du méthane.

"Ce que nous voulons à l'avenir, c'est une résolution améliorée. Des lignes d'absorption plus étroites et une focalisation géographique plus étroite, " qui aiderait à cerner l'emplacement et l'empreinte isotopique du méthane, il dit.

La prochaine génération

À la pointe de la technologie spectroscopique se trouve la spectroscopie à double peigne.

La spectroscopie repose sur le fait que les atomes absorbent et émettent de la lumière à différentes longueurs d'onde.

La spectroscopie à double peigne remplace les outils conventionnels utilisés pour mesurer ces différences, comme les interféromètres, avec deux flux d'impulsions optiques, offrant aux utilisateurs des informations plus finement détaillées que la spectroscopie traditionnelle.

Le composant clé des systèmes à double peigne est le dispositif requis pour générer ces flux d'impulsions optiques, qui est actuellement encombrant et coûteux et n'est donc pas le genre d'outil qui peut être embarqué à un prix abordable sur des avions pour des enquêtes comme TOPDOWN.

Entre Kerry Vahala, le professeur Ted et Ginger Jenkins de sciences et technologies de l'information et professeur de physique appliquée, qui a ouvert la voie à la miniaturisation des spectromètres à haute résolution.

Vahala avait précédemment développé un résonateur optique circulaire capable de générer et de stocker des impulsions lumineuses appelées solitons, des ondes localisées qui agissent comme des particules. Alors que les solitons voyagent dans l'espace, elles conservent leur forme plutôt que de se disperser comme les autres vagues. Les solitons courent autour du résonateur circulaire, déclenchant une impulsion lumineuse émise à chaque fois qu'ils passent à un certain endroit sur le circuit.

En tant que tel, Vahala avait les moyens de créer plusieurs générateurs d'impulsions optiques, chacun de la taille d'une puce électronique.

"Idéalement, un système de spectroscopie portable à double peigne pourrait être déployé sur le terrain. Cependant, les systèmes actuels sont trop grands et encombrants. Nous avons donc remplacé le générateur d'impulsions optiques traditionnel par un système à base de solitons qui peut être miniaturisé, " il dit.

Le nouveau système à base de soliton de Vahala a été dévoilé dans le journal Science le 9 octobre et constitue la base d'une nouvelle collaboration avec Frankenberg pour appliquer le spectromètre à double peigne au suivi et à l'analyse du méthane.

"C'est ce que nous faisons chez Caltech, " dit Wennberg à propos du nouveau projet. " Nous unissons des chercheurs de l'ingénierie et des sciences et utilisons leur expertise disparate pour aborder de gros problèmes sous de nouveaux angles. "