最近的一項研究表明，在過去的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間8月24日發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《美國科學(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？“我們認為大氣氫的重構(gòu)類似于著名的二氧化碳“基林曲線”（一條反映大氣二氧化碳含量變化的曲線）。自1950年代以來，人們繼續(xù)監(jiān)測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，氫沒有類似的記錄。”

“冰蓋的大氣重建顯示了人類在上個世紀如何破壞大氣中的氫氣循環(huán)，隨著氫氣成為一種常見的能源，預(yù)計人造氫氣排放量將急劇增加，了解人類如何破壞大氣中的生物地球化學(xué)循環(huán)氫是了解未來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入生物體，然后返回環(huán)境）

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

氫氣在大氣中的壽命為2年，它影響溫室氣體的壽命和對流層臭氧水平。例如，它將增加大氣中甲烷的壽命，對流層氫與羥基（OH）反應(yīng)會增加臭氧；平流層氫與羥基反應(yīng)會增加水蒸氣和超氧化氫，會破壞平流層臭氧，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)，水蒸氣也會通過增加紅外吸收產(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）氧化形成的。其他主要來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小來源。

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，并重建了過去 150 年來的大氣氫水平。

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 70 m 深的冰芯，以從冰蓋中收集空氣樣本，研究人員測量并模擬了 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

“在這項研究中，我們需要克服兩個主要障礙：首先，氫分子很小，它可以以非常快的速度擴散通過冰晶（與大多數(shù)其他氣體不同）。這是對氫通過冰柱運動的模擬，提出了獨特的挑戰(zhàn)。第二，氫測量的校準很困難，因為標準往往會發(fā)生漂移，這項工作所依賴的測量是在漂移被很好地量化之前進行的，校正測量校準漂移是我們的一個重要且具有挑戰(zhàn)性的部分工作。” Patterson說。

論文指出，Megadunes 的大氣重建驗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世紀中后期保持不變，約為330ppb，到2003年穩(wěn)步上升約70%，達到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。

汽車尾氣被認為是人為氫排放的主要來源（估計汽車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格，汽車尾氣催化轉(zhuǎn)化器的使用增加，汽車排放量減少，大氣中的一氧化碳水平下降。然而，在20世紀末，大氣中的氫含量繼續(xù)上升，對此論文指出，非汽車的人造氫排放量很可能被低估，需要額外的氫源來解釋這一上升趨勢。

20世紀全球氫源與大氣歷史

值得注意的是，閃爍瓶空氣測量顯示，整個20世紀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量結(jié)果相矛盾。

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