卻憂明月潛生禍，極地甲烷起風(fēng)波！

作者：陳可鑫（中國科學(xué)院大氣物理研究所）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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詩云：

靜臥深海悄無言，

一朝融化惹是非。

未料懸月缺又圓，

甲烷釋放為潮催。

如詩所言，地球上結(jié)構(gòu)最簡單的有機物——甲烷原本靜臥于大洋深處。始料未及的是，遙掛天邊的月亮“擾其清夢，助其飛天”，也給人們帶來了禍?zhǔn)隆?/p>

那么，月亮是如何“惹禍”，導(dǎo)致甲烷釋放的呢？作為重要燃料氣體（天然氣的主要成分），甲烷釋放又將給人類生活帶來什么影響？回答上述問題之前，還是先找找甲烷一般都藏在哪吧。

試問甲烷為何物？北冰洋里尋出處

被稱為“超級碳庫”的北極地區(qū)是目前已知的大氣甲烷的主要來源地之一。大量甲烷儲存在北極的永久凍土層中，而儲量更為巨大的甲烷則以水合物的形式埋藏在北冰洋海底，這些“碳循環(huán)沉睡巨人”就是我們俗稱的“可燃冰”。（點我了解關(guān)于“可燃冰”的更多知識 ）

在日本海發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物結(jié)節(jié) (白色)。(圖片來源：Frozen heat: a global outlook on methane gas hydrates - Volume 1；照片由韓國地球科學(xué)和礦產(chǎn)資源研究所提供)

在高壓和低溫條件下，甲烷水合物的冰晶體結(jié)構(gòu)能穩(wěn)定保持，此時的甲烷會被“禁錮”在“冰籠”里。但隨著全球氣候變暖進程加快，海水溫度會不斷升高，這將導(dǎo)致冰晶結(jié)構(gòu)的水合物融化，大量的甲烷會從“冰籠”逃出，最終排放到大氣里。

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告，若從100年的時間尺上考慮，甲烷造成全球變暖的潛力是二氧化碳的28倍。也就是說，大氣中甲烷含量的不斷上升，將給全人類帶來毀滅性的災(zāi)難。北極這塊對全球氣候變化最為敏感的“美麗而易碎的反射鏡”，會逐漸成為威脅到全人類生命安全的定時炸彈。如何控制北極地區(qū)的甲烷釋放，由此也成為亟待攻克的難題。

與其他有機碳源相比，天然氣水合物甲烷的碳質(zhì)量。(圖片來源：Frozen heat: a global outlook on methane gas hydrates - Volume 1)

1988年-2020年美國巴羅大氣基線觀測站（Barrow Atmospheric Baseline Observatory）對于北極地區(qū)的甲烷（CH4）濃度的觀測數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源：NOAA）

令人意想不到的是，天上那時而形如彎鉤、時而身似圓盤的月亮，不僅能勾起離人相思之情，竟也左右著北冰洋甲烷的釋放。神秘的月亮究竟又惹出了什么禍?zhǔn)履兀?/p>

海上明月共潮生，甲烷釋放不由身

2020年10月，一項發(fā)表在《自然通訊》雜志上的研究指出，月球引起的潮汐是影響北冰洋甲烷釋放的又一“幕后黑手”。

研究人員通過使用一種叫做測壓儀(piezometer)的儀器，測量了北冰洋斯瓦爾巴群島(Svalbard Islands)西海岸海底沉積物孔隙中海水的壓力和溫度。而在這之前，研究人員通過采樣發(fā)現(xiàn)該地區(qū)富含大量的甲烷水合物，因此，測壓儀測量所得每小時的壓力和溫度變化在一定程度上，能夠反映出沉積物所釋放甲烷氣體的上升和下沉運動。

北冰洋斯瓦爾巴群島上的月亮(圖片來源：MB Photography / Moment / Getty Images)

來自測壓儀的觀測數(shù)據(jù)表明，海底沉積物中的溫度和壓力隨著潮汐周期的變化而變化：當(dāng)漲潮時，海表面高度上升，沉積物所受水體壓力增大，甲烷釋放強度降低；而低潮時，海表面高度下降，水體壓力減小，甲烷釋放強度增大。觀測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果意味著潮汐在影響著沉積物中甲烷的釋放，可這與月亮又有什么關(guān)系呢？

北冰洋海底沉積物孔隙中a溫度，b壓力隨時間的變化曲線。不同的顏色表示測壓儀插入海底的不同深度。

在我國古代，稱白晝?yōu)椤俺?，夜晚為“夕”，故“潮汐”就是指分別發(fā)生在白晝和夜晚的海水漲落現(xiàn)象。早在東漢時期，王充所著《論衡》一書中已明確指出潮汐與月球的密切關(guān)系：“濤之起也，隨月升衰”。直至牛頓的萬有引力定律問世，才從物理上解釋了“海上明月共潮生”這一自然現(xiàn)象。

萬有引力定律表明，宇宙間的一切物體都是互相吸引的。發(fā)生在地球上的潮汐現(xiàn)象起因于太陽和月球?qū)Φ厍虻囊Γ嬲鸪彼兓摹耙绷Α?，則是潮水所受引力與地心所受引力之差。引潮力與引潮天體的質(zhì)量成正比，與引潮天體到地球距離的立方成反比，雖然太陽的質(zhì)量是月球的質(zhì)量的2710萬倍，但由于月地間平均距離只有日地間平均距離的389分之一，所以月球的引潮力是太陽的2.17倍，因而，地球上的潮汐主要是由月球引起的。

月球的引潮力使地球海洋隆起示意圖(圖片來源：星球研究所)

萬有引力，萬物皆有聯(lián)系。從這個層面上考慮，月球引力這股強大的自然力量，通過潮汐引起北冰洋海底的甲烷釋放其實也就不足為奇了。那么月球引起的潮汐又是如何影響甲烷的釋放呢？

進退升沉惟所遭，試借裂隙遠遁逃

研究人員表示，發(fā)生在低潮循環(huán)里的北冰洋甲烷排放可能與逸出氣體經(jīng)過的裂隙開度的增大有關(guān)。水體中的氣體排放通常是流體上升過程中氣體出溶、或由于熱力學(xué)條件發(fā)生變化天然氣水合物分解的結(jié)果，以上情況通常是海底地質(zhì)活動引起的。例如，海底的斷層、裂縫、泥火山等就都是地質(zhì)活動后留下的“痕跡”。因此，氣體經(jīng)過的裂縫大小便能夠影響氣體的排放。

研究人員設(shè)想，在漲潮時，整個系統(tǒng)處于一個壓力平衡狀態(tài)；而低潮時，水體壓力隨著海平面降低而減小，裂隙中自由氣體的體積膨脹、壓強增強，增加的氣體壓力使得裂隙開度增大，系統(tǒng)的壓力平衡狀態(tài)因此被打破，氣體也就能從裂隙中“出逃”。

水合物裂隙張開過程中潮汐對氣體排放影響的示意圖模型。在a漲潮時，系統(tǒng)處于壓力平衡；在b低潮時，微小的裂隙擴張使壓力場向有利于氣體釋放的情形轉(zhuǎn)化。

這項研究是在海平面以下幾百米的深海區(qū)域展開的。盡管在深海區(qū)域，但即便是非常小的壓力變化，也能影響到離海底一米以內(nèi)的沉積物中的甲烷釋放。有意思的是，研究結(jié)果同時表明，適度的海平面上升（小于1m）能有效地減少水體中甲烷氣體的釋放，也在一定程度上能夠抵消全球變暖帶來的影響。不過，對于“升高的海平面，能在多大程度上‘囚禁’北冰洋海底的甲烷”這一問題的答案，我們?nèi)圆坏枚?/p>

古有文人詠月賞潮，感其壯闊；今有學(xué)者望月觀海，將理言說。北冰洋的甲烷釋放令我們擔(dān)憂，但同時值得人們深思和探索的是——神秘的自然與宇宙中，還有多少令我們意想不到的聯(lián)結(jié)？

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