P保罗·威尔扎克驾驶他的双座飞机飞越了西德克萨斯州一片平坦的工业用地。大约在下方 60 米处，我看到一道明亮的橙色闪光。那是一个“火炬”——商业油井和储罐旁边一根高高的垂直管道，正向多风的午后空气中喷射火焰。管道正在烧掉不需要的气体，主要是甲烷，这些气体与石油一起从地下升起。“让我们看看这个火炬是否在正常工作，”威尔扎克说，他的声音几乎被飞机巨大的单引擎声淹没。
威尔扎克是一位 23 岁的飞行员和科学航空公司的研究员，这是一家位于科罗拉多州博尔德市的公司，为联合国、政府机构、环保团体和私营公司等客户跟踪空气质量。我们当时在敖德萨以北约 48 公里处飞行，敖德萨是二叠纪盆地中心的一座城市，这是一个堪萨斯州大小的广阔区域，横跨西德克萨斯州和新墨西哥州东南部。数亿年前，这个地区被一片广阔的浅海覆盖，海中居住着微小的生物，它们建造了巨大的珊瑚礁。这些生物分解的遗骸积聚在成油沉积物中，现在深达 3000 米或更深。如今，二叠纪盆地是世界上最大的油田之一——美国最大且增长最快的油田，占美国石油产量的 38% 和天然气产量的 17%。在美国于 2015 年底解除石油出口禁令后，这里的石油和天然气产量激增。现在二叠纪盆地约有 15 万口活跃油井；石油产量是十年前的四倍多。
二叠纪盆地也是美国最大的甲烷排放源之一——甲烷是一种强效温室气体，正日益被认为是气候紧急情况的重要驱动因素。自 2019 年以来，随着科学家们试图掌握二叠纪油罐、加工厂和其他基础设施泄漏的温室气体量，科学航空公司的飞机需求量很大。
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威尔扎克放缓飞机速度，向火炬下降，并开始围绕火炬盘旋。在我们下方，电路板状的笔直土路和裸露土壤的平坦方块向地平线延伸。方块中的抽油机上下点头，从地下吸取石油。当我们围绕火炬上方的气柱盘旋时，安装在右翼下方的管道将空气吸入我们座位后面的光谱仪中。该仪器分析了空气样本，并在我们之间的笔记本电脑屏幕上显示绿色、红色和蓝色图表线。绿线——二氧化碳——飙升，但蓝线——甲烷——仍然很低。火炬燃烧得很干净，将甲烷转化为效力较低但仍有问题的二氧化碳。
许多运营商会燃烧他们的天然气，通常是因为他们只对石油感兴趣。当火炬正常工作时，它们会将甲烷转化为二氧化碳和水蒸气，同时减少排放到大气中的挥发性有机化合物的量，这些化合物会产生烟雾，并与呼吸系统和心血管问题有关。但火炬可能会发生故障，管道可能会泄漏，运营商可能会在不燃烧甲烷的情况下排放甲烷，以释放压力并防止爆炸。其他大型来源包括燃气控制器排放的废气，这些控制器用于打开和关闭井口、储罐和其他硬件上的阀门。去年九月，威尔扎克记录了一次泄漏，泄漏量之大以至于超过了光谱仪的极限。“这比我在 1000 多个小时的测量中见过的任何情况都高得多，”他后来告诉我。一个压缩机站的发动机发生故障，导致该工厂每小时排放超过 12,000 公斤的甲烷——相当于 65 辆汽车行驶一年的全球变暖当量。他确保通知了运营商，当他第二天调查该区域时，他发现泄漏已经修复。
老化的基础设施加剧了这个问题。二叠纪盆地的第一次繁荣可以追溯到 20 世纪 20 年代初期，当时一小群投资者在一口名为圣丽塔 1 号的油井上押下了令人难以置信的赌注。当它喷出石油时，引发了一场土地抢夺潮，这有助于建立德克萨斯州传奇的化石燃料产业。咨询公司 Rystad Energy 的页岩研究主管阿特姆·阿布拉莫夫表示，许多油井已有数十年的历史——远比北达科他州的巴肯和德克萨斯州的鹰福特等类似油田或油区的老旧得多，这些油田的基础设施更加可靠。数十万口油井和管道段已被简单地废弃，它们腐烂的密封件和配件泄漏出从地下升起的甲烷。
至少自 2010 年以来，大学科学家、能源公司和其他专家（其中许多人由环境保护基金 (EDF) 召集在一起）一直致力于了解现代水力压裂法（或称“压裂法”）和水平钻井等新技术对甲烷排放的影响。该项目的一个主要障碍是难以找到单独的排放源。甲烷是无色无味的；肉眼无法发现。在任何人修复泄漏之前，他们都必须找到泄漏点。
最近，二叠纪盆地已成为科学家们试验识别排放物新方法的实验室。大部分动力来自新的环境保护署和州法规，这些法规从 2015 年开始实施，规定了对石油和天然气公司更严格的空气排放和监测要求。研究人员正在驾驶飞机、无人机，指挥卫星并安装复杂的地面传感器网络。计划很快发射的新卫星将跟踪全球和地方范围内的甲烷，使任何人都可以免费获得数据。
然而，在测量某物和控制某物之间存在很大差距。新技术必须与更强有力的法规以及强大石油和天然气行业的合作相匹配，而该行业更倾向于自我监管。埃克森美孚、英国石油公司和其他几家主要生产商已承诺在未来二十年内削减其在二叠纪盆地的排放量，但并非所有公司都做出此类承诺，而且无论如何这些承诺都不具有约束力。达拉斯联邦储备银行 2020 年 12 月的一项调查发现，在二叠纪盆地运营的公司中，只有约三分之一的公司制定了减少排放或火炬燃烧的计划。所有这一切都是康奈尔大学生物地球化学家和生态系统科学家罗伯特·霍沃思等人认为，测量单个来源的甲烷排放量并公开这些信息可能是追究污染者责任的最佳方式的原因。
西德克萨斯州和新墨西哥州东南部拥有巨大的石油和天然气矿藏，在数万个地点（土方）开采。图片来源：尼克·西蒙尼特
泄漏之地
甲烷来自各种各样的自然和人为来源：湿地、浅湖和河流、畜牧业、垃圾填埋场、农业、废水处理厂。哈佛大学大气化学教授丹尼尔·J·雅各布估计，人为甲烷来源均匀分布在石油和天然气基础设施、煤炭作业、垃圾填埋场、畜牧业和农业之间。
控制牲畜排放比控制泄漏的油井要困难得多。将这一事实与化石燃料行业的快速增长结合起来，很明显，它们成为控制温室气体运动的主要目标。霍沃思说，石油和天然气可能是最大和增长最快的贡献者；2006 年后甲烷的增加与美国压裂法的兴起相吻合。
甲烷仅占美国温室气体排放量的约 10%，但它在 10 年内捕获热量的能力远强于二氧化碳。自 2007 年以来，大气甲烷水平持续上升。今年 4 月，美国国家海洋和大气管理局报告称，尽管冠状病毒大流行导致经济放缓，但 2020 年甲烷浓度的年度增幅仍创下历史新高，达到十亿分之 14.7。
二叠纪盆地在数亿年前是一个拥有广阔珊瑚礁的浅海。图片来源：Mapping Specialists
然而，一旦找到甲烷排放源，阻止油田甲烷排放就相对简单。雅各布和其他专家表示，修复成本低廉，甚至可以赚钱：公司可以出售甲烷，而不是将其火炬燃烧或使其泄漏。减少污染的好处是巨大而迅速的。“如果我们现在减少甲烷排放，我们几乎可以立即减缓全球变暖的速度，”霍沃思说。联合国今年 5 月发布的一份报告得出结论，到 2030 年将人为造成的甲烷排放量减少 45% 将有助于将本世纪的升温幅度控制在 1.5 摄氏度以内，这符合《巴黎气候协定》的目标。这种减少可以限制致命热浪、干旱、洪水和蚊媒疾病的影响，可能挽救数千人的生命。
如果油田甲烷排放是唾手可得的成果，那么二叠纪盆地就是一个肥沃的果园。哈佛大学研究人员领导的一项 2020 年 4 月的研究发现，该盆地排放的甲烷足以供 700 万个家庭使用。该研究得出结论，二叠纪盆地的甲烷泄漏率比全国石油和天然气生产基地的平均水平高出约 60%。根据各种估计，二叠纪盆地有多达十分之一的火炬发生故障。EDF 最近的一项研究发现，二叠纪盆地的火炬平均运行效率仅为 93% 左右。EDF 科学家大卫·里昂说，即使是看似很小的不足也会对气候产生重大影响。
根据 2021 年 6 月发表在《环境科学与技术快报》上的一项研究，二叠纪盆地的排放量平均也远高于其他盆地。该研究的合著者、亚利桑那大学和 NASA 喷气推进实验室的研究科学家莱利·杜伦说，该盆地“与我们在美国各地调查的其他主要甲烷排放区域在性质上有所不同”。增长率是一个因素；在 2019 年的生产高峰期，各公司每月钻探 600 口新井。“供应链上存在更多的压力点，”杜伦说。
供应链中的几乎每个组件都可能泄漏甲烷。油井钻探和压裂后，涌上来的液体和气体通过分离器，分离器将石油、天然气和水分离。石油进入储罐，在那里等待卡车或管道运输。水流向其他储罐或管道进行处理。天然气要么在井场火炬燃烧，要么通过管道输送到收集站、压缩机和加工厂网络，这些网络将其提炼成用于家庭供暖的天然气，以及丁烷、乙烷和丙烷。
化学工程师、德克萨斯大学奥斯汀分校能源与环境资源中心主任大卫·T·艾伦说，小型火炬可以在储罐和油井旁边找到；大型火炬可以在加工厂找到。几乎每个设备上的燃气控制器和阀门都遍布错综复杂的基础设施。“每个控制器排放的甲烷量都相对较小，”艾伦说。“但有数十万个。”
图片来源：Pitch Interactive
精准探测
这种难以想象的大量潜在甲烷泄漏是科学家、环保团体和一些大型化石燃料公司正在推动对二叠纪盆地进行更严格监测的原因。到目前为止，像科学航空公司这样的空中测量员只能将排放物追溯到大致区域，而不是特定的设备，除非它是像我看到的那样明显的孤立火炬管道。“我们可以圈出半径为一公里的土地，并告诉你那里肯定发生了什么事，”科学航空公司高级科学家麦肯齐·史密斯说，“但二叠纪盆地的一切都非常密集，那个圈子里可能就有 20 个地点。”
紧凑型设备的普遍存在使得拥有高分辨率监测器变得更加重要。在最近的一次 Zoom 通话演示中，杜伦向我展示了一段从大约 5200 米高空拍摄的二叠纪盆地的视频，这些飞机配备了 NASA 制造的成像光谱仪，该光谱仪根据甲烷和其他气体与光相互作用的方式来检测甲烷和其他气体。熟悉的电路板状景观出现了，但上面覆盖着明亮的红色羽状物，那里正在泄漏甲烷。“看起来到处都是野火，”他说。
分辨率约为 3 到 8 米，远高于目前大多数卫星和低空飞行飞机。但即使是如此高的精度也不足以隔离点源。“如果没有额外的高分辨率数据，就很难确定根本原因，”杜伦说。此外，基础设施不断增加，这可能会使几个月前的图像过时。一些飞机现在配备了高分辨率相机，当光谱仪检测到气体时，这些相机可以绘制设备地图。
另一个挑战是许多来源是间歇性和不可预测的。杜伦说，一半的排放源仅在四分之一的时间内处于活动状态。EDF 资助了雅各布、艾伦和其他人的研究，也发现了一定数量的超级排放源，它们排放大量的气体。为了有效，甲烷监测确实需要在至少每天的基础上，在广阔的区域内持续运行。
这就是卫星的用武之地。今天的卫星只能捕获广阔区域的排放物。例如，在 2018 年和 2019 年，雅各布使用了欧洲航天局的 TROPOMI 卫星，对二叠纪盆地的泄漏进行了有史以来最好的一些大规模测量。但 TROPOMI 的分辨率仅约为 5.5 公里 x 7 公里，这个区域可能容纳数十个石油和天然气基地。
科学家们很快将发射新一代传感器，这些传感器可以精确定位单个设施。Carbon Mapper 是 NASA、卫星公司 Planet、亚利桑那大学、亚利桑那州立大学、加利福尼亚州和其他机构的合作项目，将于 2023 年发射两颗卫星。更多卫星将在 2025 年及以后陆续发射，直到 Carbon Mapper 至少有 18 颗航天器在太空中飞行。最终，该星座将对全球已知最大的甲烷和二氧化碳排放区域（占地球人口稠密陆地面积的 7% 到 10%）进行每日采样。
每个图像像素将覆盖边长为 30 米的正方形。该联盟将公开数据，以便监管机构、公司、环保团体和公众可以搜索网站并跟踪排放者。NASA 和 Planet 正在采购组件，组装和测试将于明年开始。与此同时，该联盟继续进行航空调查。
由电机或内燃机驱动的抽油机通常每分钟上下点头约 20 次，每次冲程抽取 1 到 10 加仑的流体。图片来源：尼克·西蒙尼特
EDF 还计划在 2023 年发射自己的卫星 MethaneSAT，部分资金来自亚马逊创始人杰夫·贝佐斯的地球基金提供的 1 亿美元。目前正在生产中的硬件将精确量化全球范围内区域的排放量。EDF 将在网上公开数据。
一旦两组卫星都开始运行，它们将相互补充。“想象一下，你从太空向下看，用两台相机拍摄二叠纪盆地的照片：一台配备中广角镜头的相机和一台配备长焦镜头的相机，”杜伦说。
一些石油和天然气公司正在自行测试新技术。总部位于休斯顿的 TRP Energy 正在试验飞机、无人机和地面传感器来监测其排放物。联合创始人兰迪·多兰表示，预防和修复泄漏是当务之急，因为“通过降低甲烷强度，天然气在我们经历全球能源转型时仍将是最具吸引力的桥梁燃料。”
近年来，环保倡导者质疑天然气仅对气候产生适度影响的观点。清理业务也可能是对投资者的回应，这些投资者要求公司关注绿色能源；2021 年 5 月，埃克森美孚股东选举了三名董事会成员，他们承诺引导公司摆脱石油和天然气。
多兰预测，公司最终将使用自己的技术组合来掌握泄漏情况。总部位于达拉斯的先锋自然资源公司每年都会对其最大的二叠纪盆地设施进行空中巡视，如果光谱仪显示读数偏高，该公司就会派出地面工作人员携带特殊相机来精确定位故障点。
埃克森美孚、先锋、雪佛龙和其他公司正在与艾伦合作测试一种名为 Astra 项目的地面连续监测系统。艾伦说，目标是“找到超级排放源——快速找到它们，然后你就可以快速修复它们”。今年秋天，该小组将在二叠纪盆地多达 50 平方公里的范围内部署约 50 到 100 个地面传感器，其中包含约 100 个石油和天然气基地。重点是无人值守的装置，例如发生意外排放的井场。艾伦解释说，加工厂有员工可以发现此类故障，但“一个井场可能很少见到人。”
典型的传感器将很小，由太阳能供电，并安装在杆子上，通过蜂窝网络发送实时测量数据。运营商每天都会看到一个站点是否运行正常、可能发生故障或异常排放甲烷。研究人员将测试几种类型的传感器，包括科学航空公司开发的一种廉价的金属氧化物传感器，该公司也在测试自己的名为 Falcon 项目的连续监测系统。“我们真的很高兴看到这项技术是否能够起飞，”先锋公司企业运营执行副总裁马克·S·伯格说。“它将比空中调查和一些公司现在使用的私人卫星数据更有效，而且成本效益更高，”他说。
保持排放者的诚信
公司是否会坚持下去还有待观察。并非所有化石燃料公司都有动力减少排放。仅运营少量油井的小公司可能没有资源。环保组织地球之友的高级组织者莎伦·威尔逊亲身体验了这种变化莫测。每隔几个月，她都会将租来的 SUV 装满摄像设备，然后从她在达拉斯的家开车六个小时前往二叠纪盆地。多年来，她一直致力于证明排放量高于官方政府测量的指标。
去年三月，我加入了威尔逊和她的两位同事，在德克萨斯州佩科斯附近进行了为期数天的实地考察，佩科斯是敖德萨西南约 120 公里处的一座城市，声称是世界首届牛仔竞技表演的举办地。“你闻到那气味了吗？”在我们到达的第一个晚上，威尔逊将她的白色车辆驶离一条尘土飞扬的土路时问道。我们正在黄昏时分沿着离我们酒店不远的石油和天然气基地缓慢行驶。风吹来一股强烈的硫磺气味，很快就让我们眼泪汪汪。甲烷是无味的，但它通常伴有硫化氢等难闻的化合物。
60 多岁的威尔逊，一头飘逸的灰发，拿起她的气体成像摄像机，它看起来像一台摄像机。她下了车，将摄像机对准大约 200 米外的一个火炬。从那个距离看，管道就像一根竖立着的超大号火柴，顶部喷出橙色火焰。它像一架低空飞行的 747 飞机一样咆哮和呼啸。威尔逊透过她的摄像机观察，该摄像机记录人类看不到的红外波长，她评估火炬燃烧得很干净，附近的储罐没有泄漏。我们回到 SUV 中，沿着空旷的道路缓缓行驶，同时她一直打开摄像机，寻找发出臭味的罪魁祸首。很快，她发现一根在我们看来没有点燃的管道，但摄像机显示一股幽灵般的云雾从顶部涌入空气：本不应该存在的排放物。
图片来源：Pitch Interactive；来源：“闲置和废弃油气井：州和省级监管策略”。州际石油和天然气契约委员会，2019 年（2018 年数据）和 2020 年（2019 年数据）；“美国历史石油和天然气勘探与生产区域”，劳拉·R·H·比维克，美国地质调查局（主要历史参考）
我们第二天又回来了。管道再次显得不活跃，但摄像机捕捉到了滚滚气云。威尔逊在数字地图上标记了它。
威尔逊搜寻并跟踪定期排放大量甲烷的地点。她向公司报告这些地点，通常包括视频作为证据。她还将她的调查结果发送给负责监管德克萨斯州居民呼吸空气质量的德克萨斯州环境质量委员会和成立于 1891 年负责监管铁路的德克萨斯州铁路委员会，该委员会目前负责监管石油、天然气和采矿业。她说，井场繁殖速度如此之快，以至于监管机构无法跟上。有时当她打电话时，“他们无法在他们的记录中找到该地点，”她说。“这是一个问题。他们不知道发生了什么。他们甚至无法开始监管这里的混乱局面。”她通常不得不多次投诉并通知当地新闻媒体，公司才会采取行动。
运营商总是很不高兴看到她。一天下午，我开车，我们把车停在路边，以便威尔逊拍摄一些储罐。一辆红色皮卡车停在我们后面，一个人从驾驶室跳出来，开始疯狂地挥舞手臂，示意我们离开。“滚开，地球之友，”他说，走到威尔逊的车窗前，用手挡住她的摄像机镜头。
“这非常成熟，”威尔逊告诉他。她拿起她的 iPhone，开始录制他。“你想隐瞒什么？”她问道。
这个人 20 多岁，留着胡须，有着淡蓝色的眼睛，他退后一步，但警告她，她是在私人财产上。威尔逊提醒他，我们停在德克萨斯州的一条公共道路上，而且她是一名德克萨斯州人。“德克萨斯州人相信石油和天然气，”那人训斥道，然后爬回他的卡车，开车离开了。
尽管威尔逊付出了努力，但她已经放弃了希望，认为该行业会清洁运营。在她看来，即将到来的监测技术是对资源的浪费，只会延缓世界向可再生能源的转型。她说，到新卫星升空时，甲烷排放量将会更大。威尔逊认为，应该完全停止压裂法、新的钻探许可证和其他化石燃料开发。她说，乔·拜登总统应该宣布气候变化是一项国家紧急状态，以便他可以使用扩大的权力来恢复 1975 年美国第一次石油危机后实施的原油出口禁令。“当 2015 年解除禁令时，它推动了二叠纪盆地的压裂繁荣，”她说。
更严格的管控
新的监测方法及其可以生成的数据可能会推动公司和监管机构采取行动。例如，埃克森美孚和雪佛龙已承诺分别在 2025 年和 2028 年之前将排放量减半，并在 2030 年之前结束常规火炬燃烧。但两家非营利性可持续能源组织 Ceres 和清洁空气任务部队最近的一项分析揭示了一个令人惊讶的模式：一些大型石油和天然气公司正在将其污染最严重的资产出售给规模较小、名气较小的公司，这些公司继续运营。Ceres 和任务部队发现，195 家最小的生产商占美国排放量的 22%，但仅占产量的 9%。
去年 11 月，铁路委员会开始要求运营商提交更具体的信息，以证明火炬燃烧或排放的合理性。它还在疫情期间启动了自己的无人机计划，以跟踪油井井喷和其他紧急情况造成的排放。
新墨西哥州是二叠纪盆地的大部分所在地，于 2021 年 5 月发布了新规，要求石油和天然气公司捕获 98% 的天然气排放量，并禁止这些公司排放或火炬燃烧，除非在紧急情况下。然而，目前尚不清楚该州是否有足够的检查员来监管不良行为者。
联邦法规正在变化之中。在巴拉克·奥巴马总统执政期间，美国环保署通过了一项法规，要求石油和天然气运营商对 2015 年之后安装的设备每年进行两次泄漏检测和维修。唐纳德·特朗普总统在他的任期结束时撤销了这些规则，但在 6 月下旬，拜登签署了一项来自国会的法案，恢复了这些规则。政策观察人士认为，拜登政府可能会将这些规则也扩展到旧设备。
科学家们希望，卫星和开放数据不仅能清理二叠纪盆地，还能向世界其他地区展示如何更好地维护其化石燃料基础设施。甲烷排放是一个全球性问题，需要全球性的解决方案。例如，2020 年，欧洲航天局的卫星发现大量甲烷从俄罗斯的亚马尔管道中泄漏出来，该管道为欧洲供应来自西伯利亚的天然气。Carbon Mapper 和 MethaneSAT 技术最终将定期测量全球主要油田的温室气体排放量。
霍沃思说，奥巴马时代的法规存在的一个大问题是没有内置的核查机制。政府让公司自己报告他们正在进行的火炬燃烧和排放量。“很快，任何拥有[卫星]信息的人都可以去确定该行业的自我报告是否准确。我认为这是一个巨大的游戏规则改变者，”他宣称。“当 X 公司说它从不排放时，你可以说，‘好吧，这不是真的。这是卫星数据。’而这大概会导致行动。”