Methane detection in the lower troposphere related to the burning of biomass and leakage in a petrochemical pole, using raman lidar technique

Authors

  • Fernanda de Mendonça Macedo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN
  • Thaís Correa Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN
  • Elaine Cristina Araújo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN
  • Izabel da Silva Andrade Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN
  • Roberto Guardani Departamento de Engenharia Química da Universidade de São Paulo
  • Igor Veselovskii A.M. Prokhorov General Physics Institute, Moscow
  • Eduardo Landulfo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN

DOI:

https://doi.org/10.14295/holos.v21i1.12425

Keywords:

Lidar. Raman. Methane. Remote Sensing. Greenhouse gases.

Abstract

Fugitive emissions, defined as unintended or irregular leaks of gases and vapors, are an important source of pollutants to the atmosphere, which is difficult to monitor and control. These sources are present in different sites, especially in regions that are growing in size and economic activity. In this study, we present the results of the capability to detect methane profiles at low troposphere combining data retrieval correlations between a rotacional/vibracional Raman lidar (RVRL) and a cavity ring-down spectrometer (CRDS). The measurements were made at two different sites, metropolitan area of São Paulo (MSP) and industrial area of Cubatão (IC). The lidar is based on a tripled Nd:YAG laser with a 20 Hz repetition rate, operating on the 355 nm wavelength elastic channel, the 353 nm and 396 nm wavelength inelastic channels. A measurement protocol was established, considering acquisition time for signal accumulation, climatic conditions and data above and below the planetary boundary layer. The idea was to establish specific measurement procedures for situations related to product leakage in the oil process and natural events, such as biomass burning. With over 150 hours of data acquisition, the results pointed the possibility of analyzing data from distances up to 1500 m with an initial resolution of 7.5 m which was extended to 100 - 300 m after data smoothing for obtaining final results. The concentration was calculated from the ratio between the methane Raman backscatter signal and the nitrogen signal, at 396 nm and 353 nm, respectively. The temporal variation of methane concentrations was correlated with CRDS data, in order to obtain a first degree calibration.

Author Biographies

Fernanda de Mendonça Macedo, Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN

Doutoranda em sensoriamento remoto da atmosfera, com lasers, pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN). Mestre (2003) em aplicação da tecnologia nuclear, em Biotecnologia, pela Universidade de São Paulo. Graduada (1994) em Bacharelado em Química pela Universidade Santa Cecília dos Bandeirantes. Coordenou o curso de Tecnologia em Processos Químicos da Faculdade de Tecnologia do Estado de São Paulo (FATEC - unidade Praia Grande). Ministra as disciplinas Química Geral, Química e Meio Ambiente e Tratamento de Efluentes Industriais. Atuou como pesquisadora na Blau Indústria Farmacêutica onde também foi presidente da comissão interna de biossegurança. Atuou como química na estação de tratamento de esgotos da Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP). Possui dois depósitos de patente no INPI. 

Thaís Correa, Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN

Doutoranda em Sensoriamento Remoto da Atmosfera, com lasers, pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN). Mestre (2018) em aplicação da tecnologia nuclear, em Sensoriamento Remoto da Atmosfera, pela Universidade de São Paulo. Graduada (2014) em Tecnologia de Processos Químicos na Faculdade de Tecnologia do Estado de São Paulo (FATEC - unidade Praia Grande). Ministra aulas nas disciplinas Química Geral, Química Orgânica e Processamento de Petróleo e Gás.

Elaine Cristina Araújo, Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN

Tecnóloga em Processos Químicos pela Faculdade de Tecnologia da Praia Grande, ano 2015. Mestra pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN/CNEN-SP),2019, na área de Aplicações de Laser em Meio Ambiente. Atualmente cursando doutorado pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN/CNEN-SP) tendo como base a pesquisa de Fontes de Gases do Efeito Estufa no Oceano.

Izabel da Silva Andrade, Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN

Graduada em Tecnologia em Processos Químicos pela Faculdade de Tecnologia da Praia Grande (2015) e mestra em ciências pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (2019). Atualmente realiza o doutorado no Centro de Lasers e Aplicações (IPEN), com foco no sensoriamento remoto de gases do efeito estufa por meio de satélites.

Roberto Guardani, Departamento de Engenharia Química da Universidade de São Paulo

Professor Titular da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Engenheiro Químico, atua na área de Engenharia de Processos, principalmente nos seguintes temas: modelagem matemática, simulação e otimização; aplicações de técnicas de inteligência artificial; qualidade do ar; processos de tratamento de efluentes industriais; processos envolvendo partículas, com ênfase em fluidização, cristalização, escoamento multifásico; desenvolvimento de técnicas de medição de partículas em processos.

Eduardo Landulfo, Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN

Possui graduação em Bacharelado Em Física pela Universidade de São Paulo (1989), mestrado em Tecnologia Nuclear pela Universidade de São Paulo (1992) e doutorado em Tecnologia Nuclear pela Universidade de São Paulo (1997). Atualmente, épesquisador titular do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Comissão Nacional de Energia Nuclear), e ministrante de disciplina de pos-graduaçao oferecida a Universidade de São Paulo . Tem experiência anterior na área d e Fisica Nulcear, com enfase a Espectroscopia Gama, e , desde 1997 atua na area de Geociências, com ênfase em Sensoriamento Remoto com Lasers, atuando principalmente nos seguintes temas: lidar, aerossóis, sensoriamento remotocom lasers e poluição do ar.

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Published

2021-01-24

How to Cite

Macedo, F. de M., Correa, T., Araújo, E. C., Andrade, I. da S., Guardani, R., Veselovskii, I., & Landulfo, E. (2021). Methane detection in the lower troposphere related to the burning of biomass and leakage in a petrochemical pole, using raman lidar technique. Holos Environment, 21(1), 128–142. https://doi.org/10.14295/holos.v21i1.12425

Issue

Section

Artigos