다중위성 데이터, 유정 폭발로 인한 기록적인 메탄 누출 포착

 (pubs.acs.org)
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  • 2023년 카자흐스탄 Karaturun East 유전의 303번 유정 폭발은 205일간 이어진 대형 메탄 누출로 번졌고, 여러 위성 관측을 결합해 시간대별 배출 변화를 재구성함
  • Sentinel-5P/TROPOMI, GHGSat, PRISMA, EnMAP, EMIT, Sentinel-2, Landsat를 함께 사용해 일일 전 지구 감시와 고해상도 표적 관측의 빈틈을 서로 보완함
  • 2023년 6월 9일부터 12월 25일까지 메탄 플룸 115건이 감지됐으며, 품질 선별을 통과한 48건의 배출률은 3.6 ± 1.3~63 ± 42 t/h 범위였고 일반적으로 20~50 t/h 수준이었음
  • 총 메탄 배출량은 131 ± 34 kt로 추정돼, 2023년 카자흐스탄 에너지 부문 IEA 추정치 2,898 kt의 4.5%, 석유·가스 부문만 보면 7%에 해당함
  • Karaturun East 사건은 Aliso Canyon, Ohio, Louisiana 유정 폭발 추정치를 넘어섰고, 위성 기반 메탄 매핑이 장기간 누출을 정량화할 만큼 성숙했음을 보여줌

Karaturun East 누출의 규모

  • 카자흐스탄 Mangistau 지역의 Karaturun East 유전에서 2023년 6월 9일 아침 탐사 작업 중 303번 유정 폭발과 화재가 발생함
  • 화재로 여러 안전 장비가 파괴됐고, 유정 제어 상실과 약 10 m 높이 화염으로 이어짐
  • 며칠 뒤 유정 주변 암석이 붕괴하면서 15 m 폭의 크레이터가 생겨 조기 밀봉이 어려워짐
  • 2023년 10월 13일부터 11월 20일까지 두 개의 주입공에 수천 톤의 물을 넣어 가스 누출을 완화했지만, 완전히 해결되지는 않음
  • 2023년 12월 25일 약 1000 m 깊이에서 사고 유정의 유정공과 연결된 특수 목적 프로브를 통해 무거운 시추 머드를 주입하면서 가스 흐름과 화재가 멈춤

위성 관측이 필요했던 이유

  • 인위적 메탄 배출은 산업화 이전 이후 전 지구 온난화의 약 30%에 책임이 있음
  • 석유·가스 산업은 메탄 배출의 큰 비중을 차지하며, 이 부문의 배출 완화는 기술적으로 가능하고 비용 효율적인 편임
  • 유정 폭발은 굴착·완결·생산 과정의 예기치 못한 인프라 고장과 연결되며, 주로 메탄으로 구성된 탄화수소가 통제 없이 방출될 수 있음
  • 원격지 사고는 지상·항공 측정 확보가 제한돼, 유정 폭발로 인한 메탄 배출을 전 지구적으로 파악하기 어려움

결합된 위성 관측 체계

  • 분석팀은 205일 동안의 누출 변화를 재구성하기 위해 서로 다른 메탄 감지 위성의 관측 시계열을 만들었음
  • TROPOMI는 2018년부터 대형 메탄 배출에 대한 일일 전 지구 감시를 제공해 왔고, 이번 사건에서도 초기 몇 주를 샘플링하는 데 중요했음
  • 고해상도 초분광 위성은 TROPOMI보다 관측 빈도는 낮지만, 더 높은 공간 해상도로 작은 플룸을 감지하고 시설 수준의 배출원에 귀속할 수 있음
    • GHGSat는 25~50 m 해상도로 메탄과 이산화탄소 매핑을 위해 설계된 민간 위성군임
    • PRISMA, EnMAP, EMIT은 30~60 m 샘플링에서 메탄에 비교적 높은 민감도를 갖는 과학 임무임
  • Sentinel-2와 Landsat 다중분광 복사계는 초분광 위성보다 메탄 민감도는 낮지만, 20~30 m 공간 샘플링으로 며칠마다 체계적인 전 지구 관측을 제공함

데이터 처리와 정량화 방식

  • 공개 고해상도 임무에는 바로 사용할 수 있는 플룸 배출률 제품이 없어, 메탄 농도 증가량(ΔXCH4) 지도와 플룸 감지를 직접 생성함
  • 농도 증가량을 배출률로 변환할 때 IME 모델을 사용했고, 바람 정보는 GEOS-FP 데이터 제품에서 가져옴
  • PRISMA, EnMAP, EMIT 처리는 Karaturun East에서 관측된 크고 고농도인 플룸에 맞춰 matched-filter 검색 방식을 최적화함
    • 로그 버전 matched-filter 검색을 구현함
    • matched-filter 통계 계산 시 플룸 픽셀을 제거함
    • 각 초분광 기기에 대한 IME-Q 모델을 만들어 일관된 시계열을 확보함
  • GHGSat는 공식 사용자 제품의 플룸 지도와 배출률 추정치를 사용함
  • TROPOMI에는 이번 사건 조건에 맞춘 별도 처리 구성을 적용함
    • 여러 행성경계층 매개변수화와 기상장을 사용한 대규모 모델 시뮬레이션으로 각 플룸을 재현함
    • 불확실성 추정에는 전체 앙상블 접근을 사용함
    • 해안 하류 아티팩트 가능성에 대응하도록 필터링을 조정함
  • 총배출량은 품질 선별을 통과한 배출률 시계열에 3차 다항식을 적합한 뒤 적분해 계산했고, 불확실성은 Monte Carlo 시뮬레이션으로 추정함

관측 결과

  • 2023년 6월 9일부터 12월 25일까지 현장에서 메탄 플룸 115건이 감지됨
  • 구름이 없는 관측, 검색 아티팩트 없음, 플룸의 상당 부분이 영상 영역 밖에 있지 않음 등을 기준으로 선별한 결과, 48건이 배출률 정량화에 사용됨
  • 추정 배출률은 3.6 ± 1.3~63 ± 42 t/h 범위였으며, 일반적인 값은 20~50 t/h 수준임
  • 가장 큰 배출률은 폭발 직후 몇 주 동안 나타났고, 12월 25일 누출이 통제될 때까지 플룸 강도는 점진적으로 감소함
  • 12월 25일에도 GHGSat가 12 ± 3 t/h의 비교적 큰 플룸을 감지했으며, 위성이 최종 복구 조치 직전에 현장을 통과했을 가능성과 맞음
  • 2024년 1월 1일, 12일, 14일의 세 관측에서는 메탄 신호가 나타나지 않아, 배출이 위성 감지 한계 아래로 줄었거나 완전히 복구됐을 가능성이 있음

화재 활동과 연소의 한계

  • VIIRS 기반 FIRMS 화재 복사력 데이터에 따르면 가장 강한 화재는 유정 폭발 직후 발생했고 약 20일 동안 비교적 높은 강도를 유지함
  • 이후에도 고해상도 위성의 화재 감지로 현장 화재가 계속 활성 상태였음이 확인됐지만, 강도는 낮아짐
  • 이번 사건의 화재 강도는 석유·가스 시설의 강한 플레어보다 상당히 낮았고, 2019년 Louisiana 유정 폭발 화재 강도보다도 낮았음
  • 현장 사진과 언론 보도를 바탕으로, 폭발 혼합물에 상당한 양의 물이 포함됐을 가능성이 높음
  • 물이 포함된 혼합물은 복사 열 손실로 유정 온도를 낮추고 가스 유출의 점화를 막았을 수 있지만, 낮은 연소가 메탄 배출 감소를 뜻하지는 않음

기존 대형 누출과의 비교

  • Karaturun East 사건의 총 메탄 배출량은 131 ± 34 kt로 추정됨
  • 이 값은 IEA가 2023년 카자흐스탄 에너지 부문에 대해 추정한 2,898 kt의 4.5%에 해당하며, 석유·가스 부문만 기준으로는 7%임
  • 2015년 Aliso Canyon 사건은 97 kt로, 정규 석유·가스 운영에서 지금까지 문서화된 최대 메탄 누출로 간주돼 왔음
  • Karaturun East 배출량은 2018년 Ohio 유정 폭발의 60 ± 15 kt, 2019년 Louisiana 유정 폭발의 21~63 kt 추정치도 넘어섬
  • 2022년 9월 26일 Baltic Sea의 Nord Stream 1·2 해저 쌍둥이 파이프라인 사보타주는 420~490 kt로 추정돼 Karaturun 2023 폭발보다 더 큰 배출을 일으켰을 수 있음

위성 조합의 역할과 한계

  • GHGSat 없이도 다른 임무의 많은 관측 덕분에 유사한 총 메탄 배출량 추정치를 얻을 수 있었음
  • 다만 GHGSat 관측은 다른 위성의 유용한 관측이 없었던 누출 마지막 몇 주를 재구성하는 데 중요했음
  • GHGSat를 포함한 민감한 초분광 데이터만 사용했다면, 배출률이 가장 높았던 초기 몇 주를 놓쳐 총배출량을 과소평가했을 것임
  • 현재 공개 초분광 데이터는 특정 현장을 관측하도록 tasking이 필요하고, 일반적으로 빠른 재방문을 제공하지 못함
  • TROPOMI와 다중분광 위성은 체계적이고 빈번한 전 지구 관측을 제공해 누출의 초기 탐지와 변화 파악에 중요함
  • Karaturun East처럼 배출이 상대적으로 높은 감지 임계값, 보통 약 10 t/h, 아래로 내려가면 TROPOMI와 다중분광 위성 활용이 어려워짐
  • 서로 다른 기기, 메탄 검색 방식, 플룸 정량화 방법을 결합한 시계열에서도 개별 배출률 추정치와 관련된 위성별 편향은 관측되지 않음
  • UNEP의 Methane Alert and Response System(MARS), MethaneSAT, Carbon Mapper 같은 새 메탄 감시 체계와 위성 임무는 대형 메탄 누출의 탐지와 정량화에서 더 중요해질 것으로 보임

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 더 나은 위성과 항공 측량 데이터로 보니, 석유·가스 관련 메탄 배출량이 업계 보고보다 훨씬 높게 나옴
    생산, 송전, 배급, 최종 사용까지 모든 단계에서 독립 연구자들이 살펴볼 때마다 기존 가정보다 누출이 더 많았고, 그 가정의 근거가 오랫동안 업계 제공 수치였다는 게 핵심임
    특히 누출이 심한 생산 경로에서는 100년 기준 영향이 석탄보다 커질 정도임. 예를 들어 New Mexico Permian 일부 지역은 9% 누출률까지 나옴. 메탄을 태우면 석탄 대비 CO2가 절반 정도 나오지만, 메탄의 온실효과 잠재력은 100년 기준 CO2의 20배라 총 온실효과에 180%를 더해야 하고, 파이프라인의 다른 누출을 고려하지 않아도 석탄보다 40% 나빠짐
    https://sustainability.stanford.edu/news/methane-leaks-are-f...

    • Massachusetts에서는 Lost and Unaccounted for Gas(LAUG) 를 규제기관이나 업계가 실제 평가하는 게 아니라 배관 1마일당 추정함
      현실과 거의 상관없는 단순 곱셈이고, 소비자가 LAUG 비용을 부담하는 동안 유틸리티는 인프라 비용에 대해 10% 이익을 보장받음. 누출이 잦은 배관 교체 보조금까지 합쳐져, 누출 수리보다 낡은 화석연료 인프라 교체 같은 불필요한 투자가 우선됨
    • 측정 결과가 훨씬 낮은 배출량을 가정한 상태였다면, 단위당 메탄 영향은 오히려 더 작다는 뜻 아닌가 싶음
      배출을 원래 생각하던 수준까지 줄일 수 있다면 좋은 소식일 수도 있음
    • 그래서 석유·가스 업계가 지원한 미국 대법원이 규제기관의 힘을 빼버린 것임
    • 100년 기준 수치는 영향이 초반에 몰려 있어서 오해를 부를 수 있음
      긴 기간 동안 배출이 일정하다고 가정할 때나 의미가 있음

  • 추정치가 메탄 131kt라니 꽤 큼
    100년 기준 지구온난화 영향으로는 CO2 약 3.93메가톤에 해당하고, Iceland나 Malta 같은 작은 나라의 연간 배출량과 비슷한 수준임

    • CO2 3.93메가톤은 대략 단거리 항공편 149,714회 또는 장거리 항공편 37,429회에 해당함
    • 이게 전 지구 평균기온으로는 몇 °C 변화에 해당하는지 궁금함

  • 메탄 누출이 정말 무섭게 느껴지려면, 지구온난화로 영구동토층이 녹으면서 툰드라 전역에 싱크홀이 생기는 현상을 보면 됨
    이전에 얼어 있던 유기물이 썩으면서 거대한 메탄 거품이 만들어지고, 충분히 커지면 폭발해 큰 구멍을 남긴 뒤 물이 고임
    여기서 새는 메탄량은 엄청날 것으로 추정되지만, 전면적인 관측이 없으면 정확히 알 수 없음

  • 메탄은 가치 있는 자원인데도 메탄 누출 문제를 해결하지 못했다면, CO2를 동굴 같은 곳에 주입하는 탄소 포집은 성공 가능성이 거의 없다고 봄
    그런 기술을 홍보하는 사람은 사기꾼에 가깝다고 생각함

  • 설명을 보면 이 일은 2023년 6월부터 11월쯤까지 Kazakhstan에서 발생한 것으로 보임
    Turkmenistan의 Darvaza gas crater의 작은 버전처럼 들림: https://en.wikipedia.org/wiki/Darvaza_gas_crater

  • 우리 결국 못 버티는 거 아닌가?

    • China와 India가 자발적으로 Western Europe과 US 수준의 기준을 비용 없이 받아들이지 않는 한, 재앙적 지구온난화는 피하기 어려움
      그래도 기후변화를 막지 못하더라도 무력한 건 아님
      Dutch는 해수면 상승과 싸우는 법을 알고, Middle Eastern 건축은 50°C가 넘는 공기 속에서도 사람을 시원하게 유지하는 법을 알고, Canadians는 전력망을 겨울에 견디게 만드는 법을 앎
      산불처럼 지금 당장 최적 전략이 없는 위협도 있지만, 우리는 혼자가 아니고 완전히 무력하지도 않음. 함께 일하려는 의지만 있다면 수많은 생명을 구할 수 있음
    • 거의 불가능에 가까움
      https://jonathanfranzen.com/what-if-we-stopped-pretending/
    • 시간이 지나봐야 알겠지만, 다가오는 재난을 피하려고 해야 할 일은 위기가 없을 때 더 나은 사람이 되기 위해 해야 할 일과 같음
      친절하고 사랑하며, 연민을 키우는 것 정도가 전부임
      핵심은 살아남느냐 아니냐가 아님. 엔트로피가 적이고 결국 이기겠지만, 어차피 누구도 살아서 나가지는 못함. 중요한 건 더 나은 사람이 되고, 남을 돕고, 상황을 낫게 만드는 것임
      우리가 버틴다면 사랑과 연민을 통해 버틸 것이고, 못 버틴다 해도 주어진 시간을 낭비하지는 않은 셈임
    • 버티긴 하겠지만 지금의 인구 규모로는 아닐 것임
      부유한 국가들이 가장 크게 고통받게 될 듯함

  • 메탄 플룸이 분출 위치에서 2km 떨어져 있음
    https://satellites.pro/Kazakhstan_map#A45.338220,52.376976,1...
    아마 파이프라인 누출일 가능성이 큼

  • 기후변화가 어느 지점에 이르면, 가장 큰 오염원을 상대로 어느 나라 뒤에 숨어 있든 공격적인 조치를 취해야 할 때가 올 것 같음
    특히 이런 기후 목표를 약화하려는 세력도 있을 가능성이 큼. US가 군사 예산 일부를 써서 SEAL 폭파조로 오염 산업시설을 무력화할 수도 있지 않을까 싶음
    이 생각에 경계심이 들기 전에, US는 이미 그런 작전으로 실제 사람을 죽이고 있음. 인프라만 무력화하는 건 선례도 있고, 훨씬 온건해 보임

    • 총격전보다는 무역전쟁이 더 가능성이 크지만, 전자가 후자를 촉발하지 말라는 법도 없음

  • 시간이 많다면, 대기 중 메탄 제거를 최대한 많이 하려면 어떻게 해야 할까?

    • 메탄은 대기에서 꽤 빨리 분해되고, 반감기가 10년 미만임
      제거가 필요하다기보다 새는 것을 멈추는 게 더 중요함

  • 탄소가 대여과기일까?

    • Venus에서는 그럴지도 모름
      Venus는 탄소가 너무 많아서 절대 테라포밍할 수 없다는 꽤 설득력 있는 글을 읽은 적이 있음
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