煤、石油和天然氣開采以及天然地質(zhì)源頭都會泄漏甲烷。一項新研究表明，大氣中來自化石燃料行業(yè)的甲烷比之前認為的要多。
攝影：KATIE ORLINSKY，NAT GEO IMAGE COLLECTION
2015年，在格陵蘭島酷夏的實地工作期間，Benjamin Hmiel和團隊鉆入遼闊冰原的冰凍內(nèi)部，定期取出一塊摩托車引擎大小的冰塊。這些冰塊中隱藏著多年來一直困擾著科學家們的一個問題的部分答案：作為全球變暖的最重要來源之一，大氣中的甲烷有多少來自石油和天然氣行業(yè)?
在此之前，科學家們認為諸如火山和泥溫泉等地質(zhì)源頭每年釋放的甲烷占大氣中甲烷的10%。不過，本周發(fā)表于《自然》雜志上的一項新研究表明，在如今的大氣中，來自自然地質(zhì)源頭的甲烷比例要小得多。實際上，研究人員說，大氣中的大多數(shù)甲烷最有可能來自工業(yè)?？偟膩碚f，研究結(jié)果表明我們低估了化石燃料開采所產(chǎn)生的甲烷的影響，低估幅度高達40%。
這對氣候變化來說既是壞消息，也是好消息，該研究的主要作者、羅切斯特大學的研究人員Hmiel說。之所以很糟糕，是因為這意味著石油和天然氣開采對溫室氣體的影響比科學家們知道的更大。不過，Hmiel發(fā)現(xiàn)，這個結(jié)果也幾乎因為相同的原因而令人鼓舞：可歸因為人類活動產(chǎn)生的甲烷排放越多，比如石油和天然氣開采，就意味著決策者、企業(yè)和監(jiān)管機構(gòu)為解決這個問題必須采取更多行動。
“如果我們把大氣中的甲烷總量看作是餡餅的各塊——一塊來自反芻動物，另一塊來自濕地。我們過去認為來自地質(zhì)甲烷的那塊太大了，”Hmiel說。“因此，我們要說的是，化石燃料這塊餡餅比我們想象的要大，我們可以對這塊餡餅的大小產(chǎn)生更大的影響，因為這是我們能控制的事情?！?/p>
甲烷是“過渡性”燃料——但是過渡到何處呢？
甲烷是一種溫室效應極強的氣體，其碳氫結(jié)構(gòu)使其非常善于吸收熱量。在20年的時間跨度內(nèi)，大氣中一個甲烷分子吸收熱量的效果比一個二氧化碳分子大約強90倍，長期來看后者是導致未來地球變暖的最主要溫室氣體。
自工業(yè)革命以來，甲烷的大氣濃度至少增加了150%。由于甲烷能產(chǎn)生極強的溫室效應，空氣中的甲烷越多，人類就越難以阻止地球氣溫飆升至超過全球氣候目標的水平。
甲烷也是一個全球性的、長達數(shù)十年的科學謎題的主角：今天使大氣升溫的所有額外甲烷究竟來自何處？是奶牛打嗝還是稻田？石油和天然氣開采導致的泄漏？還是不斷冒出氣體的泥火山？
在過去的幾十年里，隨著減少二氧化碳排放的呼聲越來越高，水力壓裂法等天然氣采集技術(shù)的成本越來越低，美國和其他國家的許多燃煤電廠都已經(jīng)關(guān)閉。自2010年至今，美國已經(jīng)關(guān)閉了500多家煤電廠。在許多情況下，煤電廠被天然氣（主要由甲烷氣體組成）發(fā)電廠所取代，目前美國近40%的能源需求由天然氣發(fā)電廠解決。
甲烷的燃燒效率比煤炭高，因此在碳成本和空氣污染方面，甲烷是比煤炭更好的選擇。此外，甲烷在大氣中滯留的時間也比二氧化碳少得多——前者平均為9年，而后者則多達數(shù)百年。
由于自身的特性，天然氣經(jīng)常被吹捧為一種“過渡性燃料”，可幫助人類平穩(wěn)過渡到碳中性能源的未來。如今，在可再生能源或負碳技術(shù)發(fā)展的同時，天然氣工廠不斷補充著人類的能源需求。
“問題是：天然氣究竟是一種過渡燃料，還是會存在很長一段時間？”德克薩斯大學奧斯汀分校的環(huán)境經(jīng)濟學者 Sheila Olmstead說。“市場告訴我們，天然氣可能會存在很長一段時間。”
然而，天然氣的氣候成本依賴于一個基本假設(shè)：天然氣的碳排放總量低于其他來源。不過，近年來，一系列科學研究對這一假設(shè)提出了質(zhì)疑，這些研究主要是通過研究天然氣開采過程中遺失了多少氣體。
如果在整個開采過程中只有很少天然氣泄漏或遺失——少于采集的天然氣總量的百分之幾——那么使用天然氣就和其它燃料效果差不多，甚至更好。不過，康奈爾大學的氣候科學家Robert Howarth說，如果“泄漏率”超過開采總量的1%，使用天然氣的效果可能就不如其他燃料。
最近的一項研究發(fā)現(xiàn)，美國天然氣開采過程中的“泄漏率”可能超過2%。另一些研究則調(diào)查了美國主要鉆探區(qū)域的特定“超級排放者”，發(fā)現(xiàn)泄漏率更大。
Howarth說：“我想說的是，在過去幾年的研究中，科學家們已經(jīng)不再宣稱甲烷是一種過渡性燃料了。但如果我們退回來說，我們確實需要天然氣一段時間，這一計算方式取決于甲烷的損益平衡點。我們不確定我們是否接近這個目標?！?/p>
麻省理工學院的能源專家Jessika Trancik強調(diào)稱，逐步停止二氧化碳排放至關(guān)重要，因為二氧化碳將使地球長期處于變暖狀態(tài)。不過，為了達成世界各國現(xiàn)在都在努力實現(xiàn)的氣候目標，防止氣溫上升超過2015年《巴黎協(xié)定》設(shè)定的2℃目標，阻止任何額外的甲烷泄露到大氣中也至關(guān)重要。
奧地利國際應用系統(tǒng)分析研究所的溫室氣體專家Lena Hoglund Isaksson說：“在使用甲烷的情況下是不可能達成這些氣候目標的?！?/p>
答案藏在冰里
很難計算出大氣中的甲烷有多少來自于人類活動，比如石油和天然氣的鉆探或燃燒；有多少來自于其他受人類影響的活動，比如農(nóng)業(yè)；又有多少來自于火山噴發(fā)等自然源頭。
甲烷的來源決定了人類能采取什么行動。如果是來自石油和天然氣，我們可以修復這些系統(tǒng)來減少泄露量。如果是來自火山，我們控制其排放的可能性就會更小。
“這就像一個偵探故事?！?Hoglund Isaksson說。
過去，為了估算所謂的天然甲烷有多少來自地質(zhì)來源，科學家們會專程前往某座泥火山，非常仔細地測量甲烷排放量。之后，科學家們將擴大觀測范圍，對整個地球做出估測。根據(jù)這一策略，大多數(shù)估測數(shù)據(jù)認為每年天然地質(zhì)源頭產(chǎn)生的甲烷約為500萬噸，約占每年甲烷總排放量的10%。據(jù)最近的估計，人類每年從獲取和燃燒化石燃料中產(chǎn)生的甲烷總量略少于2000萬噸。
Hmiel的團隊認為甲烷的地質(zhì)來源實際上可能更小，而且他們有一個地方來驗證這一假設(shè)：寬闊平坦的格陵蘭冰原。那里的冰厚度超過100米，可以追溯到19世紀工業(yè)革命開始之前，因此那里的冰晶中的微小氣泡中蘊藏著工業(yè)時代之前的甲烷。
他們挖出了900多公斤的冰，之后把含甲烷的空氣從冰中蘊藏的氣泡中吸出來。
來自天然地質(zhì)源頭的甲烷與其他來源的甲烷（如濕地）的化學組成略有不同。研究者從250年前的冰層中吸出的甲烷只含有微量地質(zhì)甲烷。由于這些樣本采集自工業(yè)革命開始之前的冰層，早于煤和石油中的甲烷含量同時增加的時代，所以冰層中的甲烷無一來自化石燃料。
相比之下，工業(yè)革命開始后的樣品顯示出化石燃料的明顯特征。
不過，最關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是，冰層中來自地質(zhì)源頭的甲烷含量極其稀少：在人類尚未依賴化石燃料的年代，每年釋放到大氣中的甲烷不超過50萬噸。地質(zhì)情況不太可能在這么短的時間內(nèi)發(fā)生改變，因此Hmiel稱，這一估計數(shù)據(jù)同樣適用于今天的地質(zhì)情況。
至關(guān)重要的是，這一數(shù)據(jù)比其他用于做出科學評估和政策決定的估測數(shù)據(jù)要少10倍——包括美國環(huán)境保護署和政府間氣候變化專門委員會使用的數(shù)據(jù)。
總的來說，科學家們早就知道大氣中到底有多少甲烷。這一數(shù)據(jù)一直沒有改變：每年大氣中新增的甲烷仍多達5700萬噸。不過，如果來自自然地質(zhì)源頭的甲烷少的多，那么一定有其他來源彌補差額。該團隊還可以證明，最有可能的來源是石油和天然氣行業(yè)。
Hmiel認為，如果石油和天然氣行業(yè)的甲烷排放量比之前所知的要多得多，也就意味著他們可以清理這些排放量——減少天然氣使用量以及清除使用過程中產(chǎn)生的泄漏和其他浪費的天然氣。
Olmstead說：“電力公司目前正在選擇是將重點放在風能、太陽能還是天然氣上，如果他們選擇天然氣，那么我們就要認識到天然氣發(fā)電廠還將存在幾十年?！?/p>
“天然氣發(fā)電廠的實際使用時間遠遠超過了原本規(guī)定的有效期。知道了這一點，會改變我們今天所做的決定嗎？我們會對未來10年、20年、30年、40年的甲烷排放產(chǎn)生影響嗎？”
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