甲烷：氣候變化關鍵角色

本刊記者 岳尚華

科研人員點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。科學家們擔心，隨著北極冰架逐漸縮減，甲烷氣體將以前所未有的規模釋放，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，它既能產生溫室效應，又能參與大氣中的光化學反應，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使氣候發生巨大變化，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。更讓人擔心的是，如果控制甲烷的排放，其效果可能遠遠低于預期。

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。科學家們認為，長久以來它一直是推動氣候變化的關鍵角色。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于二氧化碳增加了10倍。

德克薩斯A&M大學的海洋學家約翰凱斯勒認為，幾百萬年前，曾出現巨大的海底火山噴發，和當前一樣釋放出甲烷氣體，導致當時氣候變化。有證據表明，5500萬年前，佛羅里達州海岸發生過海底滑坡，北大西洋底曾有巨大的火山爆發。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。當時，夏天的熱浪灼烤著西班牙大地，使之成為了沙漠。向北遠到英格蘭和比利時，棕櫚紅樹林繁茂興盛，而北冰洋則出現大量地中海海藻。

美國加州大學濱河分校教授馬丁·肯尼迪認為,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定化向著更高的緯度發展,最終成為一種失控的反饋效應傳播到全球。

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

一些科學家與肯尼迪等人持有不同的觀點,他們認為甲烷的釋放并不是災難性的。美國芝加哥大學的地球科學教授大衛·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，甲烷排放就是人類活動的直接后果，如飼養牲畜和其它農業活動。

甲烷排放也與石油和天然氣工業相關。美國現在石油和天然氣的作業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、加工、存儲、傳輸和分銷過程中，甲烷容易發生泄漏。此外，由于天然氣常與石油混在一起，原油生產、提煉、運輸和儲存也是一個甲烷排放來源。雖然海底甲烷排放確實令人擔憂，這僅僅是冰山的一角：石油工業每天僅其日常作業就對全球變暖造成極大影響。

在大氣里,甲烷的含量已經是工業革命前的兩倍。這種增加中有人類活動的作用,包括能源生產和使用、垃圾填埋、養牛、稻米農業和生物體燃燒,但也有大約40%來自于自然界。根據科學家的估計,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、加工等過程中容易泄露甲烷

2009年，英國國家海洋學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數量超過250個。他們收集了不同深度的氣泡樣本。

通過分析發現，這一海域的水溫在過去30年里上升了1攝氏度，導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，僅在海底高壓下穩定存在。在這一海域，30年前可以在海下360米處穩定存在，而現在要到400多米深處才能穩定存在。

2011年，俄羅斯科學家在北冰洋表面上發現數百個由甲烷氣體形成的巨大團狀物，有些直徑甚至達到1000米。俄羅斯社會科學院專家伊格爾·塞米爾托夫說：“在檢查了一些不穩定區域后，我們發現甲烷存在面積驚人。有的團狀物寬度超過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20倍。甲烷氣團的出現令研究北極地區數十年的科學家感到震驚。科學家們擔心，隨著北極冰架逐漸縮減，甲烷氣體將以前所未有的規模釋放，這將大幅增加全球氣候變化的速度。

南極蘊藏大量甲烷

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，在美國地球物理聯合會(AGU)召開的一個南極洲冰下水環境會議上,英國愛丁堡大學地球科學學院的安德魯·懷特博士公布了最新的測量結果：目前已知的南極洲冰下湖的數量達到386個。這個數字大幅更新了2002年首次提出的77個。

英國布里斯托大學的地球化學家杰瑪·沃德姆的研究小組分別在南極和北極的冰川采了樣本,拿到實驗室里進行研究。他們發現,冰里面存在高濃度的甲烷,以及大量的產烷生物。在南極的樣本中,每克冰里有1000萬個產烷生物,在格陵蘭的樣本中,每克里面有10萬個。這些產烷生物被放在瓶子里培養后，南極洲樣本經過200多天突然產生大量甲烷。在沃德姆等人得到的樣本中,產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泥炭和凍土中的產烷生物非常相似。

甲烷釋放速度初探

一些科學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構的一組科學家從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年做了一次直升機考察,在2007年冬天做了一次冰面考察。在這些考察中,他們取得了至少5100個海水樣本。然后他們在這個基礎上分析ESAS甲烷釋放的情況。

美國阿拉斯加大學國際北極研究中心的娜塔莉亞·沙克霍娃及其合作者經過數年的艱苦探測得出的結果是,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)。他們在直升機上測量到大氣中四倍于北極其他地區的甲烷濃度。

“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,數字不準確。”北京大學物理學院大氣科學系教授王紹武評論說,“現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。”

英國愛丁堡大學地球科學學院安東尼·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年的衛星資料,從中尋找濕地釋放甲烷的量級與分布。

南極蘊藏大量甲烷

他們的研究顯示,赤道地區的濕地為全球的甲烷釋放貢獻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的升溫,濕地的甲烷排放增加了7%。用另一個數字來說,是每年增加大約6TgC。這些變化對于全球甲烷循環來說有多重要？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,說明當下的氣候變化并沒有嚴重影響全球甲烷循環。”但是在持續的變暖之下,這種狀況會持續多久沒有人知道。

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，一些科學家提出，應該迅速控制排放到空氣中的煤煙和甲烷。

從2010年開始，至少有兩項已發表的研究認為大量減少煤煙和甲烷的排放，能夠使由人類導致的全球變暖到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，對于減緩全球變暖所產生的影響將遠遠少于預期。研究者認為，先前的研究基于兩種假設：改進技術以及改變人類行為從而大量削減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。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換遠慢于預期。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為更合理的減排量預期，甲烷捕獲技術更保守的開放與部署時間表，以及地球氣候將對甲烷和煤煙的減少作出多快響應的更現實的評估。他們還發現，削減具有全球變暖效應的煤煙排放往往同時降低了淺色的、具有全球冷卻效應的氣溶膠的排放。考慮到所有這些因素，研究者認為，與之前的預期相比，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德空間研究所氣候的科學家認為，“這個研究小組的預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”。蘇黎世瑞士聯邦理工學院的氣候科學家則認為，盡管提議的措施可能并不會像之前預想的那樣對改變氣候產生幫助，但并不會減少它們對人類健康的積極作用。