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2015年,在格陵兰岛最炎热的夏天,本杰明·希米兰德(Benjamin Hmieland)和他的团队深入冰原内部,定期将一块摩托车发动机大小的结晶冰拖上来。多年来一直困扰着科学家们的一个问题:作为全球变暖最有力的来源之一,大气中的甲烷有多少来自石油和天然气行业?

煤、石油和天然气在大气中产生的甲烷比我们以前所知道的要多得多。

该研究的主要作者、罗切斯特大学的研究人员Hmiel说:“这对气候变化来说既是坏消息,也是好消息。”这很糟糕,因为这意味着石油和天然气生产对温室气体预算的影响比科学家们所知道的更混乱、更大。但Hmiel发现,这个结果令人鼓舞的原因几乎是相同的:更多的甲烷排放可以确定为人类活动,如石油和天然气开采,这意味着需要更多的控制,意味着决策者、企业和监管机构必须解决这个问题。

Hmiel说:“如果我们把大气中的甲烷总量看作是一块馅饼,一块来自反刍动物,另一块来自湿地。我们过去认为这块非常大的部分是来自地质甲烷。所以我们说的是,化石燃料的这块比我们想象的要大,但我们可以对这部分的大小产生很大的影响,因为这是我们可以控制的。”

甲烷是“桥梁”燃料,但通往何处?

甲烷是一种强效的温室气体,其碳芯和氢臂的排列方式使其在吸收热量方面非常出色。从20年的时间跨度来看,一个甲烷分子在吸收大气热量方面的效率大约是一个二氧化碳分子的90倍。二氧化碳是长期以来对地球未来变暖起最大控制作用的温室气体。

自工业革命以来,大气中的甲烷浓度至少增加了150%。由于它的能力,空气中的甲烷越多,就越难以阻止地球气温飙升至超过全球气候目标的水平。

甲烷也是一个全球性的、长达数十年的科学谜题的主角:今天所有使大气升温的额外甲烷究竟来自何方?是奶牛打嗝还是稻田?石油和天然气生产的泄漏?汩汩作响的泥火山或沿地球移动的煤层渗出?

在过去的几十年里,随着减少二氧化碳排放的呼声越来越高,水力压裂法等天然气收集技术的成本越来越低,美国和其他国家的许多燃煤电厂已经关闭。自2010年以来,美国已有500多家燃煤电厂关闭。在许多情况下,它们被天然气(主要由甲烷气体组成)工厂所取代,这些工厂现在生产了美国近40%的能源需求。

甲烷的燃烧效率比煤炭高,因此在碳成本和空气污染方面,甲烷是比煤炭更好的选择。它在大气中停留的时间也比二氧化碳少得多,平均为9年,而二氧化碳为数百年。

由于天然气的特性,它常被吹捧为帮助平稳过渡到碳中性能源未来的“桥梁燃料”。如今,随着可再生能源或负碳技术的发展,天然气工厂满足了能源需求。

问题是:这是一种过渡燃料,还是会存在很长一段时间?德克萨斯大学奥斯汀分校的环境经济学家希拉·奥姆斯特德说。市场告诉我们,这种情况可能会持续很长一段时间。

然而,天然气的气候成本依赖于一个基本假设:天然气的碳排放总量低于其他来源。但近年来,一系列科学研究对这一假设提出了质疑,认为气候成本应该主要通过观察在生产过程中损失了多少气体来确定。

如果在整个过程中只有很少的泄漏或损失——不到气体总量的百分之几——则气候成本将达到收支平衡。但是,康奈尔大学的气候科学家罗伯特·豪沃思(Robert Howarth)说,如果“泄漏率”超过总量的1%,气候成本就会变得模糊。

最近的一项研究发现,美国天然气生产过程中“泄漏率”可能超过2%。其他人则针对美国主要钻探地区的特定“超级发射器”进行考察,发现泄漏量更大。

豪沃思说:“在过去几年的研究中,我敢说,把甲烷作为桥梁燃料的整个论点已经不成立了。但如果我们回头说,我们确实需要天然气一段时间,这一计算取决于甲烷的盈亏平衡点。我们不确定我们是否接近这个目标。

麻省理工学院的能源专家杰西卡·特兰西克(Jessika Trancik)强调,逐步消除二氧化碳排放至关重要,因为这将使地球长期处于变暖状态。但是,为了实现气候目标,世界各国现在都在争先恐后地努力,防止气温飙升至2015年《巴黎协定》设定的3.6华氏度(2摄氏度)的目标——防止任何多余的甲烷泄露到大气中也至关重要。

奥地利国际应用系统分析研究所的温室气体专家莉娜·霍格隆德·伊萨克森(Lena Hoglund Isaksson)说,混合使用甲烷是不可能达到这些气候目标的。

冰有答案

很难计算出大气中的甲烷有多少来自于人类活动,比如石油和天然气的钻探或燃烧,有多少来自于其他受人类影响的活动,比如农业,又有多少来自于火山喷发等自然活动。

它的来源决定了人类能做什么。如果是石油和天然气,我们可以修复这些系统来减少产量。如果是火山爆发,我们可能无法控制排放。

霍格隆·伊萨克森(Hoglund Isaksson)说,这就像一个侦探故事。

过去,科学家们通过长途跋涉到一个特定的渗出物或泥火山,并非常仔细地测量它的排放,来估算所谓的天然甲烷有多少来自地质来源。然后,科学家们将扩大观测范围,对整个地球做出估计。利用这一策略,大多数人估计每年天然地质产生的甲烷的贡献约为50太克,约占每年甲烷总排放量的10%。最近的估算表明,每年获取和燃烧化石燃料所产生的甲烷总量约为200太克。

赫米尔(Hmiel)的小组怀疑地质来源实际上可能更小,他们有一个可以检验这种怀疑的地方:宽而平坦的格陵兰冰盖。那里的冰埋在地表下100多米,可以追溯到19世纪工业革命开始之前,所以在那里的冰晶里有前工业时代的甲烷。

他们挖出了两千多磅的冰。然后他们把含甲烷的空气从困在冰里的气泡中吸出来。

天然地质来源的甲烷与其他来源的甲烷(如湿地)的化学组成略有不同。从250年前的冰层中吸出的甲烷只含有少量的地质甲烷。由于这些样本是在工业革命开始之前采集的,同时煤和石油中甲烷的含量也在增加,所以化石燃料中没有甲烷的踪迹。

相比之下,工业革命开始后的样品显示出化石燃料的明显特征。

但关键的发现是,来自地质来源的甲烷在冰层中的含量是多么的少:在那些依赖化石燃料之前的年代,每年释放到大气中的甲烷不超过5太克。地质情况不太可能在这么短的时间内发生变化,因此,赫米尔说,这种估计对于今天的地质情况也是一个很好的假设。

至关重要的是,这一贡献是其他估计的10倍,包括美国环境保护署(U.S. Environmental Protection Agency)和政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,简称ipcc)用于科学评估和决策的估计。

总的来说,科学家们早就知道大气中到底有多少甲烷。这个数字没有改变:每年仍在大气中收集约570太克的甲烷。但是,如果自然地质来源造成的污染少得多,那么其他一些来源肯定能弥补差额。该团队还可以证明,最有可能的来源是石油和天然气业务。

Hmiel认为,如果石油和天然气公司的甲烷排放量比之前所知的要大得多,这也意味着他们可以通过减少天然气使用量和清理过程中产生的泄漏、火焰和其他废气来清除这些排放。

Olmstead说,电力公司目前正在选择是专注于风能、太阳能还是天然气,如果他们选择了天然气,那么至关重要的是要了解这个工厂将会存在几十年

它们的实际使用寿命远远超过铭牌有效期。知道了这一点,我们今天所做的决定会改变吗?我们会对未来10年、20年、30年、40年的甲烷排放产生影响吗?

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