从南极冰盖重建大气历史：过去150年氢气含量增加七成
澎湃新闻2021/08/24 13:09
一项最新研究显示，大气中的氢气含量在过去150年增加幅度超过70%。

该研究于北京时间8月24日发布在国际知名学术期刊《美国科学院院报》上，论文标题为《H2 in Antarctic firn air： Atmospheric reconstructions and implications for anthropogenic emissions》（南极冰盖中的氢气：大气重建及人为排放的影响），通讯作者为加州大学博士John D. Patterson。

为什么要了解氢气含量的历史变化？Patterson对澎湃新闻记者介绍道，“我们认为对大气氢气的重建类似于著名的二氧化碳“基林曲线”（反映大气二氧化碳含量变化的曲线）。自20世纪50年代以来，人们持续监测大气中二氧化碳含量，记录化石燃料燃烧如何增加了二氧化碳水平。但是，对氢气没有类似的记录。”

“冰盖的大气重建展示了上个世纪人类如何扰乱大气中的氢气循环。随着氢气成为一种常见能源，预计人为排放氢气会急剧增加。了解人类如何扰乱氢气的生物地球化学循环，是了解未来排放增加的后果的重要一步。”（生物地球化学循环：各元素沿着特定的路线从环境进入生物体，又回到环境中）

因此，重建过去大气层的氢气水平有助于通过建立基准，量化自工业革命以来的人为排放对全球氢气的影响程度。

氢气在大气中寿命为2年，它会影响温室气体寿命以及对流层的臭氧水平。比如，它会增加甲烷在大气中的寿命。对流层的氢气和羟基（OH）反应会增加臭氧；平流层氢气和羟基的反应会增加水蒸气和超氧化氢，超氧化氢又会破坏平流层的臭氧，臭氧的损失和极地平流层云分布的改变产生间接辐射效应，水蒸气也会通过增加红外吸收产生直接辐射效应。

目前，大气中的氢气丰度平均为 530 ppb（即，十亿分之530）。实际上，大气中的氢气“收支”由自然和人为因素共同决定。

全球范围内，氢气的最大来源是甲醛的光解，由甲烷和非甲烷总烃（NMHC，是除甲烷以外所有碳氢化合物的总称） 在大气中氧化形成。其他主要来源为化石燃料燃烧和生物质燃烧（如秸秆、锯末等）的直接排放。此外，陆地和海洋中的氮气固定也是氢气一个小来源。

从消耗来看，大气中的氢气主要被土壤微生物吸收，其余被羟基氧化。由于南半球陆地较少，其氢气水平比北半球高约 3%。

此项研究中，研究人员分析了南极冰层中的空气，检查了大气中的氢气浓度，重建了过去150年的大气氢气水平。


大气中氢气的重建以及Megadunes冰盖空气深度剖面

研究人员在南极洲中部的Megadunes（80.78°S，124.49°E，海拔2，283m）钻取了一个70 m深的冰芯，以收集冰盖空气样本。研究人员对Megadunes冰芯空气进行测量和建模，重建了1852年至2003年南半球大气的氢气水平。

“这项研究中，我们需要克服两个主要障碍：第一，氢分子很小，它能以很快的速度通过冰晶扩散（与大多数其他气体不同）。这对氢气通过冰柱的运动模拟提出了独特的挑战。第二，氢气测量的校准很困难，因为标准容易发生漂移（the standards tend to drift）。这项工作所依赖的测量是在漂移被很好地量化之前进行的。校正测量的校准漂移是我们工作中一个重要且具有挑战性的部分。”Patterson表示。

论文指出，Megadunes 的大气重建验证了南极冰盖的空气记录，提供了对氢气历史和冰盖中高渗透性气体传输建模的信心。

分析表明，大气中的氢含量在19世纪中后期保持不变，约为330 ppb，到2003年稳步上升了约70%，至550 ppb。大气氢气的增加幅度与甲烷氧化导致增加和人为排放增加来一致。


20 世纪全球氢气来源和大气历史

汽车尾气被认为是人为排放氢气的主要来源（估计汽车尾气占人为排放氢气的80%以上）。20世纪70年代后，由于空气污染管制更加严格、汽车尾气催化转化器的使用增加等，汽车排放量减少，大气中的一氧化碳水平下降。然而，20 世纪末，大气的氢气水平继续上升。对此，论文指出，非汽车的人为氢气排放很可能被低估了，而且需要额外的氢气来源来解释这种上升趋势。

值得注意的是，闪烁瓶空气测量显示整个 20 世纪后期南半球的大气氢气单调上升，而北半球的氢气水平平稳——这种差异有点令人惊讶。

“正如论文所提的，氢气的人为排放集中在北半球，因此对北半球氢气的可靠记录将有助于更好地了解人为排放的变化。然而，现有冰盖空气记录与大气测量结果相矛盾。” Megadunes表示，“下一步，我们将使用来自格陵兰多个地点的冰盖空气测量值来重建北半球氢气水平，以解决这种差异。”
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