Mapping ammonia emission plumes using shortwave infrared imaging spectroscopy

大気を、私たちが皆で共有している巨大で見えない空気の海だと想像してみてください。時として、この海は健康を害したり自然を傷つけたりする目に見えないガスによって汚染されることがあります。その一つがアンモニアです。掃除用具の鋭い臭いとして知っているかもしれませんが、空の上では、主に農場や工場から発生しています。アンモニアが大量に漂うと、それは私たちが吸い込む微細で有害な塵（粒子）になったり、森林や湖に降り注いで、自然の繊細なバランスを崩す毒性の強い肥料のような役割を果たしたりすることがあります。

長い間、科学者たちは特殊な「熱」を見るカメラを使って、これらの目に見えないアンモニアの雲を追跡しようとしてきました。コーヒーカップが冷たい部屋の中でどれくらい温かいかを見分けるようなものです。カメラは熱の差を見つけます。しかし、この方法には大きな問題があります。地面と空気の温度差がある場合にしかうまく機能せず、小さかったり隠れていたりする発生源を見つけるのが苦手であり、さらに人工衛星のカメラは、都市の街区ひとつよりも小さいものを捉えるにはあまりにもぼやけすぎています。それは、暗闇だけを見る望遠鏡を使って、1マイル先から新聞を読もうとするようなものです。

現在、研究チームが、これらのアンモニアの雲を見つけ出すための巧妙な新しい方法を見つけ出しました。熱を探す代わりに、彼らは太陽光がどのように遮られるかに注目することにしました。彼らはTanager-1という人工衛星を使用しました。これは、私たちの目には見えないスペクトルの光を見る超高性能カメラのようなものです。太陽光が地面に反射して跳ね返る際、アンモニア分子によってどのように「盗まれる（吸収される）」かを分析することで、彼らは驚くほど鮮明に汚染プルーム（煙の筋）をマッピングすることができました。彼らは単に推測したのではなく、パキスタンやウズベキスタンの特定の工場から出ているガスを測定し、この新しい「日光探偵」の手法が、これまで影に隠れていた汚染を見つけ出せることを証明したのです。

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日光探偵：目に見えない雲を捕らえろ

長年、アンモニア汚染の目に見えない雲を追跡することは、サーマルカメラを使って霧の立ち込める部屋の中で幽霊を探すようなものでした。もし幽霊（アンモニア）が部屋（空気）と異なる温度でない場合、カメラには見えません。さらに、従来の人工衛星のカメラは非常にぼやけているため、巨大で孤立した雲しか捉えることができず、工場や農場からの小さくてずる賢い漏れを見逃してしまいます。

しかし、今回の新しい研究で、研究者たちはゲームのルールを変えることにしました。熱を追いかける代わりに、彼らは「影」を追いかけることに決めたのです。彼らは、アンモニアが太陽光の短波赤外線部分において特別な「指紋」を持っていることに気づきました。太陽光が地面に当たり、跳ね返って上昇するとき、空気中のアンモニア分子は小さな目に見えないサングラスのように振る舞い、特定の色の光を遮ります。どれだけの光が失われているかを正確に測定することで、科学者はそこにどれだけのアンモニアが存在するかを知ることができるのです。

新しいツール：Tanager-1
このアイデアをテストするために、チームはTanager-1という名前の人工衛星のデータを使用しました。この人工衛星を、地球の表面を30メートル四方の小さな正方形でスキャンする高速スキャナーだと想像してください。これは、大きな家や小さな公園ほどのサイズです。これは、街区全体を一度にしか捉えられない古い人工衛星のカメラからの大きなアップグレードです。

科学者たちは、「マッチドフィルター」と呼ばれる数学的なトリックを使用しました。これは、アンモニアの指紋に対する特定の「指名手配ポスター」を持っているようなものです。コンピューターは人工衛星画像のすべてのピクセルをスキャンし、そこに見える光を「指名手配ポスター」と比較します。もし光がアンモニアによる太陽光の遮断パターンと一致すれば、コンピューターはそれをフラグ立てします。彼らはただ写真全体を見たのではなく、発生源から漂ってくる汚染プルームの正確な形を見つけるためにズームアップしたのです。

大きな発見：隠れた漏れを見つける
チームはこの新しい手法を、パキスタンとウズベキスタンの2カ所でテストしました。彼らは、アンモニアを放出することで知られる化学肥料工場を調査対象としました。

• パキスタンにて： 化学肥料工場から放出される巨大なプルームを発見しました。彼らは、この単一の工場が毎時 837 kg のアンモニアを放出していると計算しました。
• ウズベキスタンにて： 近くの2つの発生源を特定しました。一方は毎時 781 kg、もう一方は毎時 908 kg を放出しており、合計で毎時 1689 kg に達していました。

検証作業
ここで、「これは間違いではないか？人工衛星が水蒸気やメタンと勘違いしたのではないか？」と疑問に思うかもしれません。研究者たちは非常に慎重でした。彼らは、異なる光の窓（具体的には 1425–1575、1850–2100、2175–2300 nm）を確認することで、自分たちの作業をチェックしました。どのケースにおいても、アンモニアのプルームは依然として明確に現れており、他のガスを見ているわけではないことが証明されました。

従来の方法との比較
研究者たちは、新しい数値を、過去のぼやけた熱赤外線カメラが報告した数値と比較しました。

• パキスタンの現場では、熱カメラを用いた古い研究では、漏洩量は 3212–8035 kg h⁻¹ の間であると推定されていました。
• ウズベキスタンの現場では、古い研究では 2714 kg h⁻¹ と推定されていました。

新しい数値の方が低くなっています。著者らは、古い熱カメラがガスの滞留時間に関する仮定に敏感すぎたか、あるいは近くの発生源からのガスを一つの大きな塊として誤ってカウントしてしまった可能性があると示唆しています。30メートルの鮮明な視界を持つ新しい手法は、ガスが正確にどこから来ているのかを、より精密に見極めることを可能にします。

なぜこれが重要なのか
この研究は「概念実証（プルーフ・オブ・コンセプト）」、つまり、反射光を使用してアンモニアをマッピングできることを初めて成功させた研究であることを意味します。これは単なる理論ではありません。彼らは実際に、現実の工場からの現実の排出量を測定したのです。

最も素晴らしい点は、これは一度限りの手法ではないということです。すでに、これと同じ光の波長を見ることができるカメラを備えた他の人工衛星や飛行機（AVIRIS、EMIT、PRIMA、EnMAPなど）が空を飛んでいます。この発見は、アンモニア汚染を明確に見るために、新しい高価な人工衛星を待つ必要はないということを意味しています。私たちは、すでに持っているツールを使って、世界のアンモニア排出量をより鮮明に、より頻繁にマッピングする地図を作り上げることができ、それによって生態系や私たちの健康を守ることができるのです。