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气候变化

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却忧明月潜生祸,极地甲烷起风波

来源:科学大院 作者:陈可鑫 人气: 发布时间:2021-02-26 09:02:07

诗云:

静卧深海悄无言,

一朝融化惹是非。

未料悬月缺又圆,

甲烷释放为潮催。

如诗所言,地球上结构最简单的有机物——甲烷原本静卧于大洋深处。始料未及的是,遥挂天边的月亮“扰其清梦,助其飞天”,也给人们带来了祸事。

那么,月亮是如何“惹祸”,导致甲烷释放的呢?作为重要燃料气体(天然气的主要成分),甲烷释放又将给人类生活带来什么影响?回答上述问题之前,还是先找找甲烷一般都藏在哪吧。

试问甲烷为何物?北冰洋里寻出处

被称为“超级碳库”的北极地区是目前已知的大气甲烷的主要来源地之一。大量甲烷储存在北极的永久冻土层中,而储量更为巨大的甲烷则以水合物的形式埋藏在北冰洋海底,这些“碳循环沉睡巨人”就是我们俗称的“可燃冰”。

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在日本海发现的天然气水合物结节 (白色)。

(图片来源:Frozen heat: a global outlook on methane gas hydrates - Volume 1;照片由韩国地球科学和矿产资源研究所提供)

在高压和低温条件下,甲烷水合物的冰晶体结构能稳定保持,此时的甲烷会被“禁锢”在“冰笼”里。但随着全球气候变暖进程加快,海水温度会不断升高,这将导致冰晶结构的水合物融化,大量的甲烷会从“冰笼”逃出,最终排放到大气里。

根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告,若从100年的时间尺上考虑,甲烷造成全球变暖的潜力是二氧化碳的28倍。也就是说,大气中甲烷含量的不断上升,将给全人类带来毁灭性的灾难。北极这块对全球气候变化最为敏感的“美丽而易碎的反射镜”,会逐渐成为威胁到全人类生命安全的定时炸弹。如何控制北极地区的甲烷释放,由此也成为亟待攻克的难题。

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与其他有机碳源相比,天然气水合物甲烷的碳质量。

(图片来源:Frozen heat: a global outlook on methane gas hydrates - Volume 1)

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1988年-2020年美国巴罗大气基线观测站(Barrow Atmospheric Baseline Observatory)对于北极地区的甲烷(CH4)浓度的观测数据(数据来源:NOAA)

令人意想不到的是,天上那时而形如弯钩、时而身似圆盘的月亮,不仅能勾起离人相思之情,竟也左右着北冰洋甲烷的释放。神秘的月亮究竟又惹出了什么祸事呢?

海上明月共潮生,甲烷释放不由身

2020年10月,一项发表在《自然通讯》杂志上的研究指出,月球引起的潮汐是影响北冰洋甲烷释放的又一“幕后黑手”。

研究人员通过使用一种叫做测压仪(piezometer)的仪器,测量了北冰洋斯瓦尔巴群岛(Svalbard Islands)西海岸海底沉积物孔隙中海水的压力和温度。而在这之前,研究人员通过采样发现该地区富含大量的甲烷水合物,因此,测压仪测量所得每小时的压力和温度变化在一定程度上,能够反映出沉积物所释放甲烷气体的上升和下沉运动。

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北冰洋斯瓦尔巴群岛上的月亮

(图片来源:MB Photography / Moment / Getty Images)

来自测压仪的观测数据表明,海底沉积物中的温度和压力随着潮汐周期的变化而变化:当涨潮时,海表面高度上升,沉积物所受水体压力增大,甲烷释放强度降低;而低潮时,海表面高度下降,水体压力减小,甲烷释放强度增大。观测数据的分析结果意味着潮汐在影响着沉积物中甲烷的释放,可这与月亮又有什么关系呢?

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北冰洋海底沉积物孔隙中a温度,b压力随时间的变化曲线。不同的颜色表示测压仪插入海底的不同深度。

在我国古代,称白昼为“朝”,夜晚为“夕”,故“潮汐”就是指分别发生在白昼和夜晚的海水涨落现象。早在东汉时期,王充所著《论衡》一书中已明确指出潮汐与月球的密切关系:“涛之起也,随月升衰”。直至牛顿的万有引力定律问世,才从物理上解释了“海上明月共潮生”这一自然现象。

万有引力定律表明,宇宙间的一切物体都是互相吸引的。发生在地球上的潮汐现象起因于太阳和月球对地球的引力,但真正引起潮水变化的“引潮力”,则是潮水所受引力与地心所受引力之差。引潮力与引潮天体的质量成正比,与引潮天体到地球距离的立方成反比,虽然太阳的质量是月球的质量的2710万倍,但由于月地间平均距离只有日地间平均距离的389分之一,所以月球的引潮力是太阳的2.17倍,因而,地球上的潮汐主要是由月球引起的。

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月球的引潮力使地球海洋隆起示意图

(图片来源:星球研究所)

万有引力,万物皆有联系。从这个层面上考虑,月球引力这股强大的自然力量,通过潮汐引起北冰洋海底的甲烷释放其实也就不足为奇了。那么月球引起的潮汐又是如何影响甲烷的释放呢?

进退升沉惟所遭,试借裂隙远遁逃

研究人员表示,发生在低潮循环里的北冰洋甲烷排放可能与逸出气体经过的裂隙开度的增大有关。水体中的气体排放通常是流体上升过程中气体出溶、或由于热力学条件发生变化天然气水合物分解的结果,以上情况通常是海底地质活动引起的。例如,海底的断层、裂缝、泥火山等就都是地质活动后留下的“痕迹”。因此,气体经过的裂缝大小便能够影响气体的排放。

研究人员设想,在涨潮时,整个系统处于一个压力平衡状态;而低潮时,水体压力随着海平面降低而减小,裂隙中自由气体的体积膨胀、压强增强,增加的气体压力使得裂隙开度增大,系统的压力平衡状态因此被打破,气体也就能从裂隙中“出逃”。

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水合物裂隙张开过程中潮汐对气体排放影响的示意图模型。在a涨潮时,系统处于压力平衡;在b低潮时,微小的裂隙扩张使压力场向有利于气体释放的情形转化。

这项研究是在海平面以下几百米的深海区域展开的。尽管在深海区域,但即便是非常小的压力变化,也能影响到离海底一米以内的沉积物中的甲烷释放。有意思的是,研究结果同时表明,适度的海平面上升(小于1m)能有效地减少水体中甲烷气体的释放,也在一定程度上能够抵消全球变暖带来的影响。不过,对于“升高的海平面,能在多大程度上‘囚禁’北冰洋海底的甲烷”这一问题的答案,我们仍不得而知。

古有文人咏月赏潮,感其壮阔;今有学者望月观海,将理言说。北冰洋的甲烷释放令我们担忧,但同时值得人们深思和探索的是——神秘的自然与宇宙中,还有多少令我们意想不到的联结?

参考文献:

[1] 中文维基百科网 https://bk.tw.lvfukeji.com/wiki/%E7%94%B2%E7%83%B7

[2] 中文维基百科网 https://bk.tw.lvfukeji.com/baike-%E6%BD%AE%E6%B1%90 

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[5] Beaudoin, Yannick & Waite, W. & R., Boswell & Dallimore, Scott. (2015). Frozen Heat: A UNEP Global Outlook on Methane Gas Hydrates. Volume 1.

[6] Sultan, Nabil & Plaza, Andreia & Vadakkepuliyambatta, Sunil & Bünz, Stefan & Knies, Jochen. (2020). Impact of tides and sea-level on deep-sea Arctic methane emissions. Nature Communications.

[7] Plaza-Faverola A, Keiding M. (2019). Correlation between tectonic stress regimes and methane seepage on the western Svalbard margin. Solid Earth.

作者单位:中国科学院大气物理研究所

(编辑:逍遥客)

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