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北极的潘多拉魔盒被打开了?

2020 / 11 / 11环球科学

甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体,虽然在大气中的绝对浓度不足二氧化碳的1/200,但在100年间的增温效应却要强25倍。自工业化以来,二氧化碳的浓度增加不到50%,而甲烷的浓度则增加了约150%。最近,英国《卫报》的一篇报道称,在北冰洋海底发现了新的甲烷泄露点,甲烷释放机制已被触发。但这一说法却引发了争议。

全球约99%的甲烷水合物都形成于大陆坡的海洋沉积物中,剩下的1%则与北半球高纬度地区的多年冻土(permafrost,至少连续两年处于或低于0℃的地面)相关。15000年来,海平面约升高了100米,冻结着甲烷的陆地沉积物被暴露在较先前陆地上更暖的海水中。一般来说,目前在环北冰洋地区,位于陆地几百米厚多年冻土之下,以及深海大陆坡之下的甲烷水合物都会保持稳定,只有浅层大陆架多年冻土和大陆坡上部分中的甲烷水合物容易分解。

从陆地到海盆的剖面示意图。通常认为只有浅层大陆架和和大陆坡上部分中的甲烷水合物容易分解,但最近ISSS科考人员发现,在300米深处的海洋沉积物也有甲烷渗漏。
从陆地到海盆的剖面示意图。通常认为只有浅层大陆架和和大陆坡上部分中的甲烷水合物容易分解,但最近ISSS科考人员发现,在300米深处的海洋沉积物也有甲烷渗漏。

在过去几十年中,北极表面气温的升高幅度超过全球平均气温的2倍左右,这种北极增温明显快于地球其他地方的现象即“北极放大”效应(Arctic Amplification)。该效应的存在,使得科学家们尤为关心北极温室气体含量的变化,充满不确定性的甲烷水合物自然也吸引着越来越多的科研目光。

新的甲烷泄露点

由俄罗斯和瑞典合作开展的国际西伯利亚大陆架研究(ISSS)项目已有15年的历史,它的目标便是调查绵延数百公里的东西伯利亚北冰洋大陆架(East Siberian Arctic Ocean Shelf)处,冰冻圈-气候-碳这三者之间相互作用的情况。为了进行新一轮的考察,满载着60名队员的Akademik Keldysh科考船已于今年9月26日启程,于11月4日返航。

Akademik Keldysh科考船。图片来源:ISSS
Akademik Keldysh科考船。

在这次考察中,科考队员首次观测到,在东西伯利亚大陆坡的一大片区域(离岸约600千米),沉积物中冻结的甲烷已经开始释放。在150千米长,10千米宽的大陆坡区域内,6个监测站点的观测结果均显示,有团团气泡从海底冒出。

在拉普捷夫海(Laptev Sea)300米深某处,探测到的甲烷浓度高达每升1600纳摩尔,比海洋和大气处于平衡态时的情况高出400倍。此前,该团队就在这片区域的北极大陆架处发现了甲烷释放点,第二年又在拉普捷夫海和东西伯利亚海的浅层,发现有甲烷气泡流从海底凹坑里涌出。

科考团队表示,绝大多数释放出的气泡目前还溶解于水中,但海表甲烷浓度是通常情况下的4到8倍,而这些甲烷正在被排放进入大气中。虽然这些释放出的甲烷目前还不太可能对全球气候产生大的影响,但关键的是,大陆坡原本被认为是天然气水合物稳定区,而今其中的甲烷水合物已被扰动,甲烷释放过程已被触发,而且还将持续。他们认为,流入这片海域的温暖洋流,最有可能是造成甲烷水合物失衡的原因。

他们也强调,这些只是初步发现,他们科考结束返回后,还要仔细地分析所采集的数据。等到他们的研究成果在同行评议后正式发表,我们才能得知甲烷释放量的具体数字。

引发争议

在这篇报道发出后,瑞典隆德大学和挪威奥斯陆大学的副教授Frans-Jan W。 Parmentier、NASA的研究科学家Ben Poulter、德国阿尔弗雷德?魏格纳研究所的高级研究员Paul Overduin和芝加哥大学的教授David Archer都在专门鉴别媒体对气候变化报道真实性的评论网站“气候反馈”(Climate Feedback)上,对这篇文章所传达的观点表达了保留性态度。

首先,上述专家认为在缺乏长期观测记录的情况下,不能直接断言北冰洋中的甲烷羽流正在增加,因为海底的甲烷可能已经悄然释放了一段或长或短的时间,只不过我们刚刚才发现而已。在2014年《科学》上的一项研究中,研究者分析了挪威斯瓦尔巴特(Svalbard)海岸附近海洋沉积物中甲烷的渗漏记录,发现这里的甲烷已经释放了至少3000年,而这则是海底水温正常地季节性波动1~2℃的结果。

其次,这些沉积物释放的甲烷不足以对大气产生影响,以“沉睡的巨兽”为标题夸大了事实。

在先前的一项研究中,研究人员利用简单的气泡模型描述了甲烷气泡从沉积物中冒出后,垂直向上输送的过程,结合观测数据,估计了气泡究竟能将多少甲烷从海洋输送至大气中。结果表明,只有在非常浅(如小于100米)的水层中,才会明显有甲烷被释放到大气中。

最终会有多少甲烷因气泡输送而进入大气,取决于气泡的初始大小、释放深度,以及气泡释放规模是否足够大而引发了气泡羽流。

当海水超过100米深时,向上浮升的甲烷气泡很快就会溶解于海水之中,最终被好氧的甲烷氧化菌消耗掉。不论是在斯瓦尔巴特附近,还是拉普捷夫海,甲烷水合物所在深度都超过了300米,因此这些甲烷水合物即使不再稳定,也不太可能穿过层层阻碍而影响到大气中的甲烷浓度。

2017年发表于《自然》的一项报告指出,在斯瓦尔巴特附近发现的甲烷泄露点多达1000多个,覆盖了从北纬74°延伸至北纬79°的一大片区域。斯瓦尔巴特附近已布控了大规模的陆基、海基和空基监测手段,尽管这里存在着大面积的沉积甲烷释放,目前却仍未发现它对大气有任何显著的影响。如此说来,我们暂时无需为拉普捷夫海新近发现的6个泄漏点而担心。

通过研究全球甲烷排放量,以及估算其各种排放源,我们可以评估这些甲烷释放的趋势。一项针对2000~2017年全球甲烷收支的数据研究显示,过去近20年内北极甲烷排放量并未增加,这说明沉积物释放的甲烷目前未对气候产生明显影响。大气中的甲烷主要还是来自农业、废弃物处理、化石燃料和自然湿地。

就在文章发表一周后,《卫报》修订了报道的部分内容,并强调这项调查只给出了一个初步性结果。但撇开争议,我们也要明白,北极是遭受气候变化影响最严重的地区,但也是一个未被充分研究的地方,这里的每一项新发现都具有价值。

真正的危机

因为天然气水合物对温度和压力敏感,长期的气候变化过程可能会触发其分解,释放出的大量甲烷会增强温室效应,而增温加剧又会使更多多年冻土融化,释放出更多的甲烷。这种一旦启动,就很难停下来的正反馈过程,被称为可燃冰喷射假说(clathrate gun hypothesis),原本是为了解释第四纪(Quaternary,约260万年前至今)时期地球的迅速增温现象而提出的。

然而,这种将气候变暖和水合物失稳联系在一起的古气候解释目前仍然存在争议,而且不管是过去还是未来,要使全球大量甲烷从水合物中释放出来,都至少需要几百年的时间。因此,我们既要担心遥远的未来,也同时应该关注如何解决一些燃眉之急。

不同情景下全球温室气体排放量及到2030年的排放差距。图片来源:联合国环境规划署《2019年排放差距报告》
不同情景下全球温室气体排放量及到2030年的排放差距。图片来源:联合国环境规划署《2019年排放差距报告》

今年9月,《自然·气候变化》上的一项研究警示,迅速变暖的北极已开始从冰冻态转至完全不同的气候态,其气候的年际变动已超出历史时期的波动范围。科学家发现,近几十年来北极最冷时期的海冰,较20世纪中叶夏季的海冰还要少。而由于秋、冬季气温显著升高,到本世纪中叶,北极可能会有数月出现降雨,而不是降雪。

事实上,另一些类似可燃冰假说的正反馈过程的确正在发生。例如气温升高时,北极海冰和陆地冰盖融化会加剧,导致地表反照率降低,更多的太阳辐射被吸收,从而进一步拉动气温升高。此外,较高的温度会缩短碳在土壤中停留的时间,使大量碳被释放出,增强温室效应。要知道,全球土壤中的碳含量是大气中的2至3倍。

近期,《自然·通讯》的一项研究表明,全球较工业化前升温2℃(即《巴黎协定》确立的增温限制)将导致全球土壤释放约2300亿吨的碳,约为过去100年中我国碳排放量总和的4倍。如果包含多年冻土中的碳损失,估算的数值还会更大。

《科学报告》上的一项研究指出,如果自然甲烷源持续扩增,那么2100年时大气中的甲烷浓度将升高42%。先比之下,人为减排产生的积极影响则要大得多,可能使80年后大气中的甲烷含量减半。所以,与其臆想一头海洋怪物,不如通过现代科技来减少人类活动产生的温室气体,这才是我们应该做且能够做的。