人類對溫室氣體控制能力比預想更大

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人類對溫室氣體控制能力比預想更大

北極星大氣網訊:甲烷是一種強大的溫室氣體,也是導致全球變暖的罪魁禍首之一。在100年的時間跨度裡,這種溫室氣體的吸熱能力是二氧化碳的28倍。在過去的3個世紀裡,排放到大氣中的甲烷增加瞭大約150%,但是研究人員很難確定這些排放的源頭。

而且隨著全球變暖,科學傢擔心大量甲烷將從北極永久凍土層和深海釋放出來,使地球進一步變暖。

但兩項新研究似乎給人們帶來瞭希望:首先,遠古時代的大量甲烷被快速釋放是不太可能的。第二,人類似乎是現代甲烷排放的一個更大的來源,這意味著人們對大氣中有多少溫室氣體有更大控制權。

“這是一個振奮人心的消息。”古甲烷研究負責人、美國羅徹斯特大學地球化學傢Michael Dyonisius說。

“釋放多少甲烷、以什麼速度釋放、釋放多長時間,這些都是懸而未決的問題。在冰芯形成之前的地質年代,甲烷對全球氣候波動的重要性是一個謎。”英國利物浦大學環境學傢Joshua F. Dean在《科學》同期發表的觀點文章中寫道。該新研究顯示,甲烷水合物和永久凍土帶的甲烷排放量或許不如現代來源。

沉睡的“魔咒”

甲烷有兩種主要來源:生物和地質。生物甲烷可以從腐爛的植物和打嗝的牛身上釋放出來,而地質來源包括化石燃料的自然滲漏,以及天然氣和煤礦作業的泄漏。土壤中的永久凍土層和海洋深處的甲烷水合物是古代碳的大型儲藏庫。隨著土壤和海洋溫度的升高,這些倉庫有可能被破壞,從而釋放出大量的溫室氣體甲烷。但是這些甲烷真的會進入大氣層嗎?

當植物死亡時,它們在土壤中分解成碳基有機物。在極端寒冷的條件下,有機物中的碳會凍結並被捕獲,而不是釋放到大氣中。這就形成瞭永久凍土層,這些土壤即使在夏天也會持續凍結。永久凍土層主要分佈在西伯利亞、阿拉斯加和加拿大北部。

除瞭有機碳外,永凍層中還有大量的冰。當永凍層在不斷上升的溫度下融化時,底層的土壤被浸滿瞭水,這有助於創造低氧條件,這是土壤中的微生物消耗碳和產生甲烷的完美環境。

另一方面,甲烷水合物主要存在於大陸邊緣的海洋沉積物中。在甲烷水合物中,水分子籠把甲烷分子困在裡面。甲烷水合物隻能在高壓和低溫下形成,所以它們主要存在於海洋深處。如果海洋溫度升高,那麼甲烷水合物所在的海洋沉積物的溫度也會升高。水合物會不穩定,進而分解並釋放出甲烷氣體。

“即便其中的一小部分迅速不穩定,在甲烷被轉移到大氣中後,就會產生巨大的溫室效應,因為甲烷是一種威力巨大的溫室氣體。”羅徹斯特大學地球和環境科學教授Vasilii Petrenko說,“人們真正擔心的是,隨著氣候持續變暖,大量的碳從這些儲存地釋放到大氣中。”

《中國科學報》從羅徹斯特大學獲悉,Dyonisius和同事研究瞭上一個時期的甲烷排放,該時期部分類似於今天的地球變暖。結果表明,即使這些巨大的天然儲存庫釋放出甲烷造成瞭氣候變暖,但實際上隻有很少的甲烷進入瞭大氣中。相關論文近日刊登於《科學》。

古老的時間膠囊

為瞭確定在變暖的條件下,從古代碳沉積物中釋放瞭多少甲烷到大氣中,Dyonisius和同事從南極洲泰勒冰川鉆取冰芯。這些冰芯樣本就像一個時間膠囊:它們含有微小的氣泡,氣泡中含有少量的古代空氣。研究人員從氣泡中提取出古代空氣,然後研究其化學成分。

該研究測量瞭地球末冰期(15000至8000年前)以來的空氣成分。Dyonisius告訴《中國科學報》:“這段時間與今天地球從寒冷狀態進入溫暖狀態的時間類似。但在最後一次冰川消退期間,這種變化是自然的。現在,這種變化是由人類活動造成的,我們正從一個溫暖的狀態走向一個更溫暖的狀態。”

通過分析樣本中甲烷的碳—14同位素,研究小組發現,古代碳庫的甲烷排放量很小。因此,研究人員認為,在今天,這些舊的碳儲藏庫不穩定並讓氣候迅速變暖的可能性也很低。而且,由於自然“緩沖”,釋放的甲烷不會大量進入大氣。

以甲烷水合物為例,如果被釋放到深海中,大部分甲烷在到達大氣之前就被海洋微生物溶解和氧化。如果永久凍土中的甲烷在土壤中足夠深的地方形成,它可能被以甲烷為食的細菌氧化,而永久凍土中的碳可能永遠不會變成甲烷,而是以二氧化碳的形式釋放出來。

不過,數據還顯示,在末次冰川消退期間,濕地的甲烷排放隨著氣候變化而增加,而且隨著全球氣候持續變暖,濕地的甲烷排放很可能會繼續增加。

即便如此,Petrenko表示,“目前人為排放的甲烷比濕地排放的多出兩倍,我們的數據顯示,為瞭應對未來的氣候變暖,不需要擔心古老碳庫會釋放大量甲烷,而應更加關註人類活動釋放的甲烷。”

“我們的結論之一是,需要更多地關註人為甲烷排放,而不是自然的‘饋贈’。” Dyonisius說。

人類甲烷排放被低估

Petrenko實驗室博士後研究員Benjamin Hmiel及同事,通過測量古代空氣樣本中的甲烷含量發現,科學傢大大低估瞭人類通過化石燃料排放到大氣中的甲烷含量。在《自然》發表的一篇論文中,研究人員指出,減少化石燃料的使用是控制氣候變化的一個關鍵目標。

“對化石燃料行業實施更嚴格的甲烷排放法規,將有可能在更大程度上減輕未來的全球變暖,其程度超出此前的預期。”Hmiel說。

甲烷是造成全球變暖的第二大人為因素,僅次於二氧化碳。但是,與二氧化碳以及其他吸熱氣體相比,甲烷的“壽命”相對較短——平均隻有9年,而二氧化碳在大氣中的平均壽命約為一個世紀。

“如果我們今天停止排放所有的二氧化碳,大氣中的高二氧化碳水平仍將持續很長一段時間,但如果我們改變目前的甲烷排放,效果將更快反映出來。”Hmiel說。

研究人員從格陵蘭島收集瞭冰,以估計現代大氣中的甲烷有多少來自於開采作業和管道泄漏,又有多少來自於地球的自然地質滲漏。由於這兩種類型的甲烷都不含碳—14,科學傢將19世紀70年代的甲烷含量與化石燃料時代的甲烷含量進行瞭比較。

數據顯示,19世紀70年代,不含碳—14的甲烷水平要低得多。研究人員表示,這意味著現代甲烷的地質來源比以前估計的要小得多,而且甲烷的大量增加來自人類。他們估計每年地質甲烷排放量約為160萬噸,大大低於最近估計的每年3000萬至6000萬噸。

“從長遠來看,甲烷水合物和永久凍土帶是向大氣排放甲烷的巨大潛在來源,不受限制的氣候變化可能會導致它們不穩定。這可能會在接下來的幾個世紀裡,推動古老甲烷持續排放到大氣中,導致進一步的變暖。”Dean告訴《中國科學報》。

無論如何,Hmiel認為這是個好消息。“數據確實有積極的含義:大部分甲烷排放是人為的,所以如果我們能夠減少排放,就會產生更大的影響。”

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