甲烷：氣候變化關(guān)鍵角色

本刊記者 岳尚華

科研人員點(diǎn)燃北極冰層中的甲烷氣泡

甲烷作為一種溫室氣體的效力是二氧化碳的23至25倍。科學(xué)家們擔(dān)心，隨著北極冰架逐漸縮減，甲烷氣體將以前所未有的規(guī)模釋放，這將大幅增加全球氣候變化的速度。

甲烷是大氣中的重要微量氣體，它既能產(chǎn)生溫室效應(yīng)，又能參與大氣中的光化學(xué)反應(yīng)，從而直接或間接引起全球氣候變化。它是僅次于二氧化碳的全球第二大溫室氣體。目前，大氣中甲烷濃度正以每年1%的濃度增加，引起世界各國的普遍關(guān)注，紛紛開展甲烷對氣候各方面影響的研究。有研究表明甲烷可在短時間內(nèi)使氣候發(fā)生巨大變化，而全球變暖會使南北極的甲烷大量釋放，這是一個惡性循環(huán)。更讓人擔(dān)心的是，如果控制甲烷的排放，其效果可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。

甲烷影響全球氣候變化

甲烷作為一種溫室氣體的效力是二氧化碳的23至25倍。科學(xué)家們認(rèn)為，長久以來它一直是推動氣候變化的關(guān)鍵角色。地球上的甲烷水合物(俗稱“可燃冰”)如果在幾年中有10%釋放到大氣中,那么它對地球輻射的影響就相當(dāng)于二氧化碳增加了10倍。

德克薩斯A&M大學(xué)的海洋學(xué)家約翰凱斯勒認(rèn)為，幾百萬年前，曾出現(xiàn)巨大的海底火山噴發(fā)，和當(dāng)前一樣釋放出甲烷氣體，導(dǎo)致當(dāng)時氣候變化。有證據(jù)表明，5500萬年前，佛羅里達(dá)州海岸發(fā)生過海底滑坡，北大西洋底曾有巨大的火山爆發(fā)。這反過來可能將封閉的甲烷釋放出來，使全球氣溫急劇上升4至8攝氏度。當(dāng)時，夏天的熱浪灼烤著西班牙大地，使之成為了沙漠。向北遠(yuǎn)到英格蘭和比利時，棕櫚紅樹林繁茂興盛，而北冰洋則出現(xiàn)大量地中海海藻。

美國加州大學(xué)濱河分校教授馬丁·肯尼迪認(rèn)為,6.35億年前,由于甲烷的釋放,地球迅速升溫,炎熱的氣候取代了冰期。在他對遠(yuǎn)古氣候的研究中,存在于較低緯度的甲烷水合物首先變得不穩(wěn)定,釋放出甲烷氣體。這些甲烷氣體所造成的升溫使得甲烷水合物的去穩(wěn)定化向著更高的緯度發(fā)展,最終成為一種失控的反饋效應(yīng)傳播到全球。

他擔(dān)心同樣的事件可能在今天再次發(fā)生,而且變化會來得異常迅速，因為只需一點(diǎn)點(diǎn)升溫就能把禁錮的甲烷釋放出來。他甚至認(rèn)為,如果地球的氣候能夠在短短幾十年里發(fā)生巨大的變化,那么甲烷的釋放是唯一可能的引爆器。

一些科學(xué)家與肯尼迪等人持有不同的觀點(diǎn),他們認(rèn)為甲烷的釋放并不是災(zāi)難性的。美國芝加哥大學(xué)的地球科學(xué)教授大衛(wèi)·阿徹指出,大部分甲烷水合物都深埋在地下和海洋里,那些地方人為造成的升溫和甲烷的釋放都會是在千年尺度里發(fā)生的事情。

空氣中的甲烷從哪里來

甲烷是影響全球變暖的第二大兇手。空氣中的甲烷是從哪里來的？

在熱帶地區(qū)，甲烷排放就是人類活動的直接后果，如飼養(yǎng)牲畜和其它農(nóng)業(yè)活動。

甲烷排放也與石油和天然氣工業(yè)相關(guān)。美國現(xiàn)在石油和天然氣的作業(yè)占甲烷年排放量的大約23%，溫室氣體總排放量的2%。在天然氣生產(chǎn)、加工、存儲、傳輸和分銷過程中，甲烷容易發(fā)生泄漏。此外，由于天然氣常與石油混在一起，原油生產(chǎn)、提煉、運(yùn)輸和儲存也是一個甲烷排放來源。雖然海底甲烷排放確實(shí)令人擔(dān)憂，這僅僅是冰山的一角：石油工業(yè)每天僅其日常作業(yè)就對全球變暖造成極大影響。

在大氣里,甲烷的含量已經(jīng)是工業(yè)革命前的兩倍。這種增加中有人類活動的作用,包括能源生產(chǎn)和使用、垃圾填埋、養(yǎng)牛、稻米農(nóng)業(yè)和生物體燃燒,但也有大約40%來自于自然界。根據(jù)科學(xué)家的估計,濕地、永久凍土,包括北冰洋下的永久凍土里,以甲烷形式存在的碳的量是現(xiàn)在大氣中以二氧化碳形式存在的碳的至少兩倍。

北極升起甲烷氣泡

天然氣生產(chǎn)、加工等過程中容易泄露甲烷

2009年，英國國家海洋學(xué)中心的研究人員乘坐一艘英國皇家科考船考察了北極地區(qū)的西斯匹次卑爾根海域。他們使用聲吶探測到，從海底升起的甲烷氣泡串?dāng)?shù)量超過250個。他們收集了不同深度的氣泡樣本。

通過分析發(fā)現(xiàn)，這一海域的水溫在過去30年里上升了1攝氏度，導(dǎo)致海底的甲烷水合物分解出甲烷，以氣泡形式浮上水面。甲烷水合物又稱可燃冰，僅在海底高壓下穩(wěn)定存在。在這一海域，30年前可以在海下360米處穩(wěn)定存在，而現(xiàn)在要到400多米深處才能穩(wěn)定存在。

2011年，俄羅斯科學(xué)家在北冰洋表面上發(fā)現(xiàn)數(shù)百個由甲烷氣體形成的巨大團(tuán)狀物，有些直徑甚至達(dá)到1000米。俄羅斯社會科學(xué)院專家伊格爾·塞米爾托夫說：“在檢查了一些不穩(wěn)定區(qū)域后，我們發(fā)現(xiàn)甲烷存在面積驚人。有的團(tuán)狀物寬度超過1公里，直接向空氣中釋放甲烷氣體，濃度比正常情況下高百倍。”

甲烷比二氧化碳毒性強(qiáng)20倍。甲烷氣團(tuán)的出現(xiàn)令研究北極地區(qū)數(shù)十年的科學(xué)家感到震驚。科學(xué)家們擔(dān)心，隨著北極冰架逐漸縮減，甲烷氣體將以前所未有的規(guī)模釋放，這將大幅增加全球氣候變化的速度。

南極蘊(yùn)藏大量甲烷

在南極平靜的冰蓋下隱藏著眾多的河流與湖泊,其中生活著大量的微生物。科學(xué)家推測,這些微生物可能在漫長的時間里制造出了大量的甲烷,通常情況下甲烷被冰封在那里,但是如果上升的氣溫使冰川和冰蓋融化,甲烷則有可能外泄到大氣之中。

2010年，在美國地球物理聯(lián)合會(AGU)召開的一個南極洲冰下水環(huán)境會議上,英國愛丁堡大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院的安德魯·懷特博士公布了最新的測量結(jié)果：目前已知的南極洲冰下湖的數(shù)量達(dá)到386個。這個數(shù)字大幅更新了2002年首次提出的77個。

英國布里斯托大學(xué)的地球化學(xué)家杰瑪·沃德姆的研究小組分別在南極和北極的冰川采了樣本,拿到實(shí)驗室里進(jìn)行研究。他們發(fā)現(xiàn),冰里面存在高濃度的甲烷,以及大量的產(chǎn)烷生物。在南極的樣本中,每克冰里有1000萬個產(chǎn)烷生物,在格陵蘭的樣本中,每克里面有10萬個。這些產(chǎn)烷生物被放在瓶子里培養(yǎng)后，南極洲樣本經(jīng)過200多天突然產(chǎn)生大量甲烷。在沃德姆等人得到的樣本中,產(chǎn)烷生物的含量與深海沉積物中的含量不相上下,生物的種類也與北極地區(qū)泥炭和凍土中的產(chǎn)烷生物非常相似。

甲烷釋放速度初探

一些科學(xué)家在近些年開展了艱苦的野外測量工作,以期查明自然界中的甲烷究竟在以多大的速度向外釋放。

來自美國、俄羅斯和瑞典研究機(jī)構(gòu)的一組科學(xué)家從2003年到2008年每年均乘坐俄羅斯的破冰船,到東西伯利亞北極大陸架(ESAS)探測甲烷。ESAS由西伯利亞的海岸線向北延伸1000千米,海床中包含了從上一次冰期遺留下來的永久凍土。這里海底的年平均溫度為－1.8到1攝氏度,比地面上的永久凍土的年平均溫度高出12到17攝氏度。他們還在2006年做了一次直升機(jī)考察,在2007年冬天做了一次冰面考察。在這些考察中,他們?nèi)〉昧酥辽?100個海水樣本。然后他們在這個基礎(chǔ)上分析ESAS甲烷釋放的情況。

美國阿拉斯加大學(xué)國際北極研究中心的娜塔莉亞·沙克霍娃及其合作者經(jīng)過數(shù)年的艱苦探測得出的結(jié)果是,ESAS每年以甲烷形式向大氣中釋放出的碳的量約為8×1012克(8TgC)。他們在直升機(jī)上測量到大氣中四倍于北極其他地區(qū)的甲烷濃度。

“海底甲烷最后也影響大氣甲烷的濃度,問題就是人們對甲烷,包括二氧化碳,在大氣里面的收支還是了解得很不夠,數(shù)字不準(zhǔn)確。”北京大學(xué)物理學(xué)院大氣科學(xué)系教授王紹武評論說,“現(xiàn)在這項研究加了一個甲烷的源,那么以后在計算甲烷的收支的時候它是可以納入考慮的。”

英國愛丁堡大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院安東尼·布魯姆等人還從另一個角度考察了甲烷的釋放情況。他們分析了2003年到2005年的衛(wèi)星資料,從中尋找濕地釋放甲烷的量級與分布。

南極蘊(yùn)藏大量甲烷

他們的研究顯示,赤道地區(qū)的濕地為全球的甲烷釋放貢獻(xiàn)52%到58%。他們還估計,在2003年到2007年期間,由于中緯度的北極地區(qū)的升溫,濕地的甲烷排放增加了7%。用另一個數(shù)字來說,是每年增加大約6TgC。這些變化對于全球甲烷循環(huán)來說有多重要？黑曼評論道,“考慮到全球每年排放的甲烷有大約440TgC,西伯利亞的北冰洋海域和北半球濕地的甲烷排放變化是微不足道的。這是一個好消息,說明當(dāng)下的氣候變化并沒有嚴(yán)重影響全球甲烷循環(huán)。”但是在持續(xù)的變暖之下,這種狀況會持續(xù)多久沒有人知道。

減少甲烷排放

與二氧化碳不同，甲烷并不能持續(xù)存在很長時間，通常只“逗留”12年左右。

為了減緩全球溫度變暖，一些科學(xué)家提出，應(yīng)該迅速控制排放到空氣中的煤煙和甲烷。

從2010年開始，至少有兩項已發(fā)表的研究認(rèn)為大量減少煤煙和甲烷的排放，能夠使由人類導(dǎo)致的全球變暖到2050年至少降低0.5攝氏度，相比之下，如果這些排放毫無變化，則全球溫度將升高1攝氏度。

然而一項新的研究表明，在未來幾十年里，把抑制煤煙和甲烷排放作為目標(biāo)，對于減緩全球變暖所產(chǎn)生的影響將遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于預(yù)期。研究者認(rèn)為，先前的研究基于兩種假設(shè)：改進(jìn)技術(shù)以及改變?nèi)祟愋袨閺亩罅肯鳒p甲烷和煤煙的排放是可行的，地球氣候能夠迅速對這種變化作出響應(yīng)。然而，到2035年所有家庭燃燒木炭的爐灶不太可能都被替換為清潔版本的天然氣或電力爐灶，已有其他研究表明這種轉(zhuǎn)換遠(yuǎn)慢于預(yù)期。基于過去的研究，他們同樣懷疑一些甲烷的排放源頭——例如垃圾填埋場和泄漏的管道，能夠安裝捕獲裝置，從而防止甲烷逃逸到大氣中。

研究者使用了他們認(rèn)為更合理的減排量預(yù)期，甲烷捕獲技術(shù)更保守的開放與部署時間表，以及地球氣候?qū)淄楹兔簾煹臏p少作出多快響應(yīng)的更現(xiàn)實(shí)的評估。他們還發(fā)現(xiàn)，削減具有全球變暖效應(yīng)的煤煙排放往往同時降低了淺色的、具有全球冷卻效應(yīng)的氣溶膠的排放。考慮到所有這些因素，研究者認(rèn)為，與之前的預(yù)期相比，到2050年，減少甲烷和煤煙的排放僅能夠使全球的平均溫度下降0.16攝氏度。

也有專家并不贊同這項研究。紐約市美國宇航局戈達(dá)德空間研究所氣候的科學(xué)家認(rèn)為，“這個研究小組的預(yù)期肯定是太過悲觀了。這是一個非常簡單的模型，并沒有考慮大氣化學(xué)的變化，并且沒有把排放從一個地方傳送到地球上的另一個地方”。蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的氣候科學(xué)家則認(rèn)為，盡管提議的措施可能并不會像之前預(yù)想的那樣對改變氣候產(chǎn)生幫助，但并不會減少它們對人類健康的積極作用。