最近的一項(xiàng)研究表明，在過(guò)去的150年中，大氣中的氫氣含量增加了 70% 以上。

該研究成果于北京時(shí)間8月24日發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)科學(xué)院院刊》上。論文題目是《H2 in Antarctic firn air: Atmospheric reconstructions and implications for anthropogenic emissions》（南極冰蓋中的氫氣：大氣重建及人為排放的影響），通訊作者是加州大學(xué)博士John D. Patterson。

為什么要了解氫含量的歷史變化？“我們認(rèn)為大氣氫的重構(gòu)類(lèi)似于著名的二氧化碳“基林曲線(xiàn)”（一條反映大氣二氧化碳含量變化的曲線(xiàn)）。自1950年代以來(lái)，人們繼續(xù)監(jiān)測(cè)大氣中的二氧化碳含量，并記錄化石燃料的燃燒如何增加了二氧化碳的含量，然而，氫沒(méi)有類(lèi)似的記錄。”

“冰蓋的大氣重建顯示了人類(lèi)在上個(gè)世紀(jì)如何破壞大氣中的氫氣循環(huán)，隨著氫氣成為一種常見(jiàn)的能源，預(yù)計(jì)人造氫氣排放量將急劇增加，了解人類(lèi)如何破壞大氣中的生物地球化學(xué)循環(huán)氫是了解未來(lái)排放增加后果的重要一步。”（生物地球化學(xué)循環(huán)：每種元素從環(huán)境沿著特定的路徑進(jìn)入生物體，然后返回環(huán)境）

因此，通過(guò)建立基準(zhǔn)，重建過(guò)去的大氣氫水平可以幫助量化自工業(yè)革命以來(lái)人為排放對(duì)全球氫的影響。

氫氣在大氣中的壽命為2年，它影響溫室氣體的壽命和對(duì)流層臭氧水平。例如，它將增加大氣中甲烷的壽命，對(duì)流層氫與羥基（OH）反應(yīng)會(huì)增加臭氧；平流層氫與羥基反應(yīng)會(huì)增加水蒸氣和超氧化氫，會(huì)破壞平流層臭氧，臭氧損失和極地平流層云分布變化產(chǎn)生間接輻射效應(yīng)，水蒸氣也會(huì)通過(guò)增加紅外吸收產(chǎn)生直接輻射效應(yīng)。

目前，大氣中氫氣的豐度平均為 530 ppb（即十億分之530）。事實(shí)上，大氣中氫氣的“平衡”是由自然因素和人為因素共同決定的。

在全球范圍內(nèi)，最大的氫氣來(lái)源是甲醛的光解，它是由大氣中甲烷和非甲烷總烴（NMHC，除甲烷以外的所有烴的總稱(chēng)）氧化形成的。其他主要來(lái)源是化石燃料燃燒和生物質(zhì)燃燒（如秸稈、鋸末等）的直接排放。此外，在陸地和海洋上固定氮也是氫的一個(gè)小來(lái)源。

在消耗方面，大氣中的氫主要被土壤微生物吸收，其余被羥基氧化，由于南半球陸地較少，其氫含量比北半球高約3%。

在這項(xiàng)研究中，研究人員分析了南極冰層中的空氣，檢查了大氣中的氫濃度，并重建了過(guò)去 150 年來(lái)的大氣氫水平。

研究人員在南極洲中部的 Megadunes（80.78°S，124.49°E，海拔 2,283m）鉆了一個(gè) 70 m 深的冰芯，以從冰蓋中收集空氣樣本，研究人員測(cè)量并模擬了 Megadunes 冰芯空氣，并重建了 1852 年至 2003 年南半球大氣中的氫含量。

大氣中氫的重建和 Megadunes 冰蓋空氣深度剖面

“在這項(xiàng)研究中，我們需要克服兩個(gè)主要障礙：首先，氫分子很小，它可以以非常快的速度擴(kuò)散通過(guò)冰晶（與大多數(shù)其他氣體不同）。這是對(duì)氫通過(guò)冰柱運(yùn)動(dòng)的模擬，提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。第二，氫測(cè)量的校準(zhǔn)很困難，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)往往會(huì)發(fā)生漂移，這項(xiàng)工作所依賴(lài)的測(cè)量是在漂移被很好地量化之前進(jìn)行的，校正測(cè)量校準(zhǔn)漂移是我們的一個(gè)重要且具有挑戰(zhàn)性的部分工作。” Patterson說(shuō)。

論文指出，Megadunes 的大氣重建驗(yàn)證了南極冰蓋的空氣記錄，為氫的歷史和冰蓋中高滲透氣體傳輸?shù)慕Ｌ峁┝诵判摹?/span>

分析表明，大氣中的氫含量在19世紀(jì)中后期保持不變，約為330ppb，到2003年穩(wěn)步上升約70%，達(dá)到550ppb，大氣氫的增加與甲烷氧化的增加和人為排放的增加是一致的。

汽車(chē)尾氣被認(rèn)為是人為氫排放的主要來(lái)源（估計(jì)汽車(chē)尾氣占人為氫排放量80%以上）。 1970年代以后，由于空氣污染控制更嚴(yán)格，汽車(chē)尾氣催化轉(zhuǎn)化器的使用增加，汽車(chē)排放量減少，大氣中的一氧化碳水平下降。然而，在20世紀(jì)末，大氣中的氫含量繼續(xù)上升，對(duì)此論文指出，非汽車(chē)的人造氫排放量很可能被低估，需要額外的氫源來(lái)解釋這一上升趨勢(shì)。

20世紀(jì)全球氫源與大氣歷史

值得注意的是，閃爍瓶空氣測(cè)量顯示，整個(gè)20世紀(jì)后期南半球大氣氫含量單調(diào)上升，而北半球氫含量穩(wěn)定——這種差異有點(diǎn)令人驚訝。

“正如論文中提到的，人為氫氣排放集中在北半球，因此北半球氫的可靠記錄將有助于更好地了解人為排放的變化。然而，現(xiàn)有的冰蓋空氣記錄與大氣測(cè)量結(jié)果相矛盾。

Megadunes 說(shuō)，“下一步，我們將使用格陵蘭多個(gè)地點(diǎn)的冰蓋空氣測(cè)量結(jié)果來(lái)重建北半球的氫含量，以解決這一差異。”