甲烷：气候变化关键角色

本刊记者 岳尚华

科研人员点燃北极冰层中的甲烷气泡

甲烷作为一种温室气体的效力是二氧化碳的23至25倍。科学家们担心，随着北极冰架逐渐缩减，甲烷气体将以前所未有的规模释放，这将大幅增加全球气候变化的速度。

甲烷是大气中的重要微量气体，它既能产生温室效应，又能参与大气中的光化学反应，从而直接或间接引起全球气候变化。它是仅次于二氧化碳的全球第二大温室气体。目前，大气中甲烷浓度正以每年1%的浓度增加，引起世界各国的普遍关注，纷纷开展甲烷对气候各方面影响的研究。有研究表明甲烷可在短时间内使气候发生巨大变化，而全球变暖会使南北极的甲烷大量释放，这是一个恶性循环。更让人担心的是，如果控制甲烷的排放，其效果可能远远低于预期。

甲烷影响全球气候变化

甲烷作为一种温室气体的效力是二氧化碳的23至25倍。科学家们认为，长久以来它一直是推动气候变化的关键角色。地球上的甲烷水合物(俗称“可燃冰”)如果在几年中有10%释放到大气中,那么它对地球辐射的影响就相当于二氧化碳增加了10倍。

德克萨斯A&M大学的海洋学家约翰凯斯勒认为，几百万年前，曾出现巨大的海底火山喷发，和当前一样释放出甲烷气体，导致当时气候变化。有证据表明，5500万年前，佛罗里达州海岸发生过海底滑坡，北大西洋底曾有巨大的火山爆发。这反过来可能将封闭的甲烷释放出来，使全球气温急剧上升4至8摄氏度。当时，夏天的热浪灼烤着西班牙大地，使之成为了沙漠。向北远到英格兰和比利时，棕榈红树林繁茂兴盛，而北冰洋则出现大量地中海海藻。

美国加州大学滨河分校教授马丁·肯尼迪认为,6.35亿年前,由于甲烷的释放,地球迅速升温,炎热的气候取代了冰期。在他对远古气候的研究中,存在于较低纬度的甲烷水合物首先变得不稳定,释放出甲烷气体。这些甲烷气体所造成的升温使得甲烷水合物的去稳定化向着更高的纬度发展,最终成为一种失控的反馈效应传播到全球。

他担心同样的事件可能在今天再次发生,而且变化会来得异常迅速，因为只需一点点升温就能把禁锢的甲烷释放出来。他甚至认为,如果地球的气候能够在短短几十年里发生巨大的变化,那么甲烷的释放是唯一可能的引爆器。

一些科学家与肯尼迪等人持有不同的观点,他们认为甲烷的释放并不是灾难性的。美国芝加哥大学的地球科学教授大卫·阿彻指出,大部分甲烷水合物都深埋在地下和海洋里,那些地方人为造成的升温和甲烷的释放都会是在千年尺度里发生的事情。

空气中的甲烷从哪里来

甲烷是影响全球变暖的第二大凶手。空气中的甲烷是从哪里来的？

在热带地区，甲烷排放就是人类活动的直接后果，如饲养牲畜和其它农业活动。

甲烷排放也与石油和天然气工业相关。美国现在石油和天然气的作业占甲烷年排放量的大约23%，温室气体总排放量的2%。在天然气生产、加工、存储、传输和分销过程中，甲烷容易发生泄漏。此外，由于天然气常与石油混在一起，原油生产、提炼、运输和储存也是一个甲烷排放来源。虽然海底甲烷排放确实令人担忧，这仅仅是冰山的一角：石油工业每天仅其日常作业就对全球变暖造成极大影响。

在大气里,甲烷的含量已经是工业革命前的两倍。这种增加中有人类活动的作用,包括能源生产和使用、垃圾填埋、养牛、稻米农业和生物体燃烧,但也有大约40%来自于自然界。根据科学家的估计,湿地、永久冻土,包括北冰洋下的永久冻土里,以甲烷形式存在的碳的量是现在大气中以二氧化碳形式存在的碳的至少两倍。

北极升起甲烷气泡

天然气生产、加工等过程中容易泄露甲烷

2009年，英国国家海洋学中心的研究人员乘坐一艘英国皇家科考船考察了北极地区的西斯匹次卑尔根海域。他们使用声呐探测到，从海底升起的甲烷气泡串数量超过250个。他们收集了不同深度的气泡样本。

通过分析发现，这一海域的水温在过去30年里上升了1摄氏度，导致海底的甲烷水合物分解出甲烷，以气泡形式浮上水面。甲烷水合物又称可燃冰，仅在海底高压下稳定存在。在这一海域，30年前可以在海下360米处稳定存在，而现在要到400多米深处才能稳定存在。

2011年，俄罗斯科学家在北冰洋表面上发现数百个由甲烷气体形成的巨大团状物，有些直径甚至达到1000米。俄罗斯社会科学院专家伊格尔·塞米尔托夫说：“在检查了一些不稳定区域后，我们发现甲烷存在面积惊人。有的团状物宽度超过1公里，直接向空气中释放甲烷气体，浓度比正常情况下高百倍。”

甲烷比二氧化碳毒性强20倍。甲烷气团的出现令研究北极地区数十年的科学家感到震惊。科学家们担心，随着北极冰架逐渐缩减，甲烷气体将以前所未有的规模释放，这将大幅增加全球气候变化的速度。

南极蕴藏大量甲烷

在南极平静的冰盖下隐藏着众多的河流与湖泊,其中生活着大量的微生物。科学家推测,这些微生物可能在漫长的时间里制造出了大量的甲烷,通常情况下甲烷被冰封在那里,但是如果上升的气温使冰川和冰盖融化,甲烷则有可能外泄到大气之中。

2010年，在美国地球物理联合会(AGU)召开的一个南极洲冰下水环境会议上,英国爱丁堡大学地球科学学院的安德鲁·怀特博士公布了最新的测量结果：目前已知的南极洲冰下湖的数量达到386个。这个数字大幅更新了2002年首次提出的77个。

英国布里斯托大学的地球化学家杰玛·沃德姆的研究小组分别在南极和北极的冰川采了样本,拿到实验室里进行研究。他们发现,冰里面存在高浓度的甲烷,以及大量的产烷生物。在南极的样本中,每克冰里有1000万个产烷生物,在格陵兰的样本中,每克里面有10万个。这些产烷生物被放在瓶子里培养后，南极洲样本经过200多天突然产生大量甲烷。在沃德姆等人得到的样本中,产烷生物的含量与深海沉积物中的含量不相上下,生物的种类也与北极地区泥炭和冻土中的产烷生物非常相似。

甲烷释放速度初探

一些科学家在近些年开展了艰苦的野外测量工作,以期查明自然界中的甲烷究竟在以多大的速度向外释放。

来自美国、俄罗斯和瑞典研究机构的一组科学家从2003年到2008年每年均乘坐俄罗斯的破冰船,到东西伯利亚北极大陆架(ESAS)探测甲烷。ESAS由西伯利亚的海岸线向北延伸1000千米,海床中包含了从上一次冰期遗留下来的永久冻土。这里海底的年平均温度为－1.8到1摄氏度,比地面上的永久冻土的年平均温度高出12到17摄氏度。他们还在2006年做了一次直升机考察,在2007年冬天做了一次冰面考察。在这些考察中,他们取得了至少5100个海水样本。然后他们在这个基础上分析ESAS甲烷释放的情况。

美国阿拉斯加大学国际北极研究中心的娜塔莉亚·沙克霍娃及其合作者经过数年的艰苦探测得出的结果是,ESAS每年以甲烷形式向大气中释放出的碳的量约为8×1012克(8TgC)。他们在直升机上测量到大气中四倍于北极其他地区的甲烷浓度。

“海底甲烷最后也影响大气甲烷的浓度,问题就是人们对甲烷,包括二氧化碳,在大气里面的收支还是了解得很不够,数字不准确。”北京大学物理学院大气科学系教授王绍武评论说,“现在这项研究加了一个甲烷的源,那么以后在计算甲烷的收支的时候它是可以纳入考虑的。”

英国爱丁堡大学地球科学学院安东尼·布鲁姆等人还从另一个角度考察了甲烷的释放情况。他们分析了2003年到2005年的卫星资料,从中寻找湿地释放甲烷的量级与分布。

南极蕴藏大量甲烷

他们的研究显示,赤道地区的湿地为全球的甲烷释放贡献52%到58%。他们还估计,在2003年到2007年期间,由于中纬度的北极地区的升温,湿地的甲烷排放增加了7%。用另一个数字来说,是每年增加大约6TgC。这些变化对于全球甲烷循环来说有多重要？黑曼评论道,“考虑到全球每年排放的甲烷有大约440TgC,西伯利亚的北冰洋海域和北半球湿地的甲烷排放变化是微不足道的。这是一个好消息,说明当下的气候变化并没有严重影响全球甲烷循环。”但是在持续的变暖之下,这种状况会持续多久没有人知道。

减少甲烷排放

与二氧化碳不同，甲烷并不能持续存在很长时间，通常只“逗留”12年左右。

为了减缓全球温度变暖，一些科学家提出，应该迅速控制排放到空气中的煤烟和甲烷。

从2010年开始，至少有两项已发表的研究认为大量减少煤烟和甲烷的排放，能够使由人类导致的全球变暖到2050年至少降低0.5摄氏度，相比之下，如果这些排放毫无变化，则全球温度将升高1摄氏度。

然而一项新的研究表明，在未来几十年里，把抑制煤烟和甲烷排放作为目标，对于减缓全球变暖所产生的影响将远远少于预期。研究者认为，先前的研究基于两种假设：改进技术以及改变人类行为从而大量削减甲烷和煤烟的排放是可行的，地球气候能够迅速对这种变化作出响应。然而，到2035年所有家庭燃烧木炭的炉灶不太可能都被替换为清洁版本的天然气或电力炉灶，已有其他研究表明这种转换远慢于预期。基于过去的研究，他们同样怀疑一些甲烷的排放源头——例如垃圾填埋场和泄漏的管道，能够安装捕获装置，从而防止甲烷逃逸到大气中。

研究者使用了他们认为更合理的减排量预期，甲烷捕获技术更保守的开放与部署时间表，以及地球气候将对甲烷和煤烟的减少作出多快响应的更现实的评估。他们还发现，削减具有全球变暖效应的煤烟排放往往同时降低了浅色的、具有全球冷却效应的气溶胶的排放。考虑到所有这些因素，研究者认为，与之前的预期相比，到2050年，减少甲烷和煤烟的排放仅能够使全球的平均温度下降0.16摄氏度。

也有专家并不赞同这项研究。纽约市美国宇航局戈达德空间研究所气候的科学家认为，“这个研究小组的预期肯定是太过悲观了。这是一个非常简单的模型，并没有考虑大气化学的变化，并且没有把排放从一个地方传送到地球上的另一个地方”。苏黎世瑞士联邦理工学院的气候科学家则认为，尽管提议的措施可能并不会像之前预想的那样对改变气候产生帮助，但并不会减少它们对人类健康的积极作用。