O metano é menos prevalente na atmosfera do que o gás de efeito estufa, o dióxido de carbono (CO2), mas apresenta desafios mais difíceis para os pesquisadores que tentam estudá-lo.

A maioria dos produtores de CO2 pode facilmente estimar sua pegada de carbono - eliminando a necessidade de rastreamento próximo. Por exemplo, usinas de energia que queimam combustíveis fósseis sabem, com um alto grau de precisão, quanto CO2 é produzido por suas operações. Além disso, as fontes de CO2 são fáceis de identificar. O CO2 produzido pela queima de carvão em uma fornalha é expelido pela chaminé anexa.

Emissões de metano, por contraste, são mais difíceis de quantificar, em parte porque vêm de fontes como dutos com vazamento de gás natural, fermentar matéria vegetal dentro do estômago do gado, e decomposição de lixo em aterros. Essas fontes são consideradas "confusas" pelos pesquisadores porque inúmeras variáveis ​​determinam a quantidade de metano que irão liberar, e onde. Por exemplo, a quantidade de metano produzida pela decomposição do lixo em um aterro depende do tipo de material no aterro e das condições ambientais locais. Avançar, a fonte das emissões pode ser difícil de determinar, dada a grande área que um aterro sanitário pode cobrir.

"O metano é particularmente problemático, "diz Paul Wennberg, o professor R. Stanton Avery de Química Atmosférica e Ciências Ambientais e Engenharia da Caltech.

Wennberg, que também é o diretor do Centro Ronald e Maxine Linde para Ciência Ambiental Global, está trabalhando com colegas de todo o Instituto - cientistas e engenheiros - para estudar o metano e seus efeitos no globo e para criar ferramentas e técnicas pioneiras necessárias para identificar, acompanhar, e caracterizar o gás e suas fontes.

Metano de impressão digital

Uma molécula de metano é composta por um átomo de carbono rodeado por quatro átomos de hidrogênio. Contudo, nem todo metano é criado igual. Os elementos normalmente têm várias formas isotópicas. Isótopos são átomos do mesmo elemento que diferem no número de nêutrons em seus núcleos. Carbono, por exemplo, tem três isótopos:carbono-12, carbono-13, e o carbono radioativo-14. Carbono-12, com seis nêutrons além de seis prótons, é responsável por quase 99% dos átomos de carbono. O muito menos prevalente C-13 tem sete nêutrons; C-14, oito. Da mesma forma, o hidrogênio vem em três formas isotópicas. De longe o mais comum, representando 99,98 por cento dos átomos de hidrogênio, é hidrogênio-1, ou protium, que tem apenas um único próton. Hidrogênio-2, ou deutério, tem um próton e um nêutron; hidrogênio radioativo-3, trítio, tem um próton e dois nêutrons. Porque nêutrons têm massa, cada um desses isótopos tem um peso diferente.

Uma determinada molécula de metano, então, pode ter qualquer um dos três isótopos de carbono e várias combinações de isótopos de hidrogênio - dando a várias moléculas de metano diferentes pesos. A determinação dessa composição isotópica cria uma descrição cada vez mais granular de uma determinada molécula de metano, diz John Eiler, Robert P. Sharp Professor de Geologia da Caltech e professor de geoquímica.

"Uma boa metáfora é uma impressão digital, "Eiler diz." Se eu fosse capaz de observar apenas uma ou duas formas de uma molécula, seria como se sua impressão digital tivesse apenas uma ou duas linhas. Se fosse esse o caso, nenhum tribunal do mundo iria condená-lo com base em ver uma ou duas linhas irregulares em algo que você roubou. "Com as centenas de linhas com padrões exclusivos de uma impressão digital completa, Contudo, um tribunal pode pensar de forma diferente.

O laboratório de Eiler usa um espectrômetro de massa para obter esta impressão digital completa, peneirar íons com base no peso e quantificar os diferentes isótopos que encontrarem. A equipe usa essa técnica para explorar uma variedade de tópicos, desde o ciclo do hidrogênio no interior da Terra até os ciclos geoquímicos da água em corpos planetários diferentes da Terra.

Com impressões digitais isotópicas de metano, Eiler pode determinar a origem de uma determinada amostra, por exemplo, comparando a proporção de carbono-13 para carbono-12 em partes por mil, uma figura conhecida como δ13C, pronunciado "delta treze C." Quanto menor o número, quanto mais carbono-12 - e, Portanto, mais clara a amostra. Por exemplo, o metano isotopicamente leve normalmente vem de matéria vegetal em decomposição, enquanto o metano liberado de fontes geológicas tende a ser mais pesado.

Compreender as fontes de metano ajuda os pesquisadores a desenvolver um conhecimento mais profundo dos processos que geram metano, além de ajudar a localizar fontes de metano na atmosfera e rastrear fontes subterrâneas de gás natural combustível.

Localizando Metano

Claro, para caracterizar o metano, primeiro você tem que ser capaz de encontrá-lo. Em um estudo de prova de conceito conduzido no verão passado, Christian Frankenberg, que tem uma nomeação conjunta como professor associado de ciência ambiental e engenharia na Caltech e um cientista pesquisador no JPL, liderou um esforço para localizar plumas de metano na região de Four Corners dos Estados Unidos usando aeronaves de vôo baixo.

O ponto quente de metano na região dos Quatro Cantos foi detectado inicialmente por Eric Adam Kort, da Universidade de Michigan, junto com Frankenberg e colegas, usando observações feitas por um satélite europeu, CIAMACHY. Seguindo essa observação, uma colaboração de pesquisadores do JPL / NASA juntou-se à campanha Twin Otter Projects Defining Oil / Gas Well (TOPDOWN) para sondar a região com duas aeronaves voando de um a três quilômetros acima do solo. As aeronaves foram equipadas com espectrômetros térmicos e de ondas curtas ao infravermelho próximo. Esses instrumentos são usados ​​para identificar e quantificar o metano e outras moléculas.

Os espectrômetros foram originalmente desenvolvidos para estudar as propriedades químicas e físicas da superfície da Terra (rochas, solo, e vegetação) remotamente. Contudo, eles provaram ser sensíveis o suficiente para localizar fontes de metano em até três metros.

"Basicamente, usamos indevidamente os espectrômetros para o que eles nunca foram feitos para fazer, "diz Frankenberg." É realmente uma coincidência de sorte que eles funcionem. "

Mais de 250 fontes individuais de metano foram detectadas no estudo Four Corners. Dez por cento dessas fontes - que acabaram sendo principalmente dutos com vazamento de gás natural - foram responsáveis ​​por metade das emissões. Identificar e rastrear esses vazamentos, Frankenberg diz, é uma vantagem para o meio ambiente e para a indústria de energia, já que conter vazamentos diminuirá a emissão de gases de efeito estufa e reduzirá os drenos nos lucros dos fornecedores de energia.

O estudo de Frankenberg mostrou que plumas de metano podem ser detectadas por meio de varreduras aéreas. O trabalho dele, publicado no Proceedings of the National Academy of Science em 15 de agosto, abre a porta para futuras pesquisas aéreas de metano.

"O que queremos no futuro é uma resolução melhor. Linhas de absorção mais estreitas e foco geográfico mais estreito, "o que ajudaria a identificar a localização e a impressão digital isotópica do metano, ele diz.

A próxima geração

Na vanguarda da tecnologia espectroscópica está a espectroscopia de pente duplo.

A espectroscopia se baseia no fato de que os átomos absorvem e emitem luz em diferentes comprimentos de onda.

A espectroscopia de pente duplo substitui as ferramentas convencionais usadas para medir essas diferenças, como interferômetros, com dois fluxos de pulsos ópticos - oferecendo aos usuários informações mais detalhadas do que a espectroscopia tradicional.

O principal componente dos sistemas dual-comb é o dispositivo necessário para gerar esses fluxos de pulso óptico, que atualmente é volumoso e caro e, portanto, não é o tipo de ferramenta que pode ser usada em aeronaves para pesquisas como o TOPDOWN.

Digite Kerry Vahala, o professor Ted e Ginger Jenkins de Ciência e Tecnologia da Informação e professor de física aplicada, que abriu o caminho para a miniaturização de espectrômetros de alta resolução.

Vahala já havia desenvolvido um ressonador óptico circular capaz de gerar e armazenar pulsos de luz chamados solitons - ondas localizadas que agem como partículas. À medida que os solitons viajam pelo espaço, eles mantêm sua forma em vez de se dispersar como outras ondas. Os solitons correm em torno do ressonador circular, disparando um pulso de luz emitido toda vez que passam por um determinado local do circuito.

Como tal, Vahala tinha os meios para criar vários geradores de pulso óptico, cada um do tamanho de um microchip.

"Idealmente, um sistema de espectroscopia de pente duplo portátil poderia ser implantado em campo. Contudo, os sistemas atuais são muito grandes e volumosos. Então, substituímos o gerador de pulso óptico tradicional por um sistema baseado em soliton que pode ser miniaturizado, " ele diz.

O novo sistema baseado em soliton de Vahala foi revelado no jornal Ciência em 9 de outubro - e é a base para uma nova colaboração com a Frankenberg para aplicar o espectrômetro de pente duplo para rastreamento e análise de metano.

"Isso é o que fazemos na Caltech, "diz Wennberg sobre o novo projeto." Unimos pesquisadores da engenharia e das ciências e usamos seus conhecimentos díspares para resolver grandes problemas de novos ângulos. "