甲烷观察：万万里，跟随着你丨大气悟理
编者按：看寒来暑往云卷云舒，思从古到今天气变迁，中科院之声与中国封建院大气物理研讨所团结开设“大气悟理”，为各位先容大气里产生的幽默故事，先容一些与天气、天气和情况干系的知识。
平展开阔的冰面上，两位男人“凭空”扑灭了宏大的火苗，主导这场“把戏秀”的并不是什么把戏大师，而是天然界中广泛存在的一种气体——甲烷。
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“不成貌相”的甲烷
甲烷这个名字你约莫有点生疏，但它的“江湖名号”你一定听过——瓦斯。甲烷由一个碳和四个氢原子构成，化学式为CH4，固然它的外表十分“繁复”，但它的才能可一点都不简便。甲烷是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要因素，也可用来作为燃料及制造氢气、一氧化碳、氢氰酸及甲醛等物质的质料。因此，甲烷作为燃料和质料被广泛使用于民用和产业中。
甲烷分子（图片来自网络）
大气甲烷的源包含生态体系和人类活动，此中天然源包含天然湿地、植被、大海和甲烷水合物等；报答源包含动力活动（煤炭开采和油气体系）、农业活动（反刍生物、稻田排放和秸秆露天熄灭）、废弃物处理（固体废弃物、产业污水和生存污水）和人工湿地等。北极地区的永世冻土带和冰面下封存着多量的甲烷。这些甲烷气体潜藏在冰面下，就像等候被引爆的“冰榴弹”，假如刺破冰面让甲烷气体向上溢出，即可用洋火扑灭构成宏大的冰上“盛焰”乃至构成爆炸。潜藏在北极冰层下的沼气也不休被猜疑是地球变暖的极大要挟。有研讨职员以为，随着北极冰层变薄，北极冻土和海水堆积物中的沼气逐徐徐得活泼，极易泄漏到大气中。
斑斓而伤害的“冰炸弹”（图片来自网络）
甲烷不仅可以当燃料提供热量，照旧仅次于二氧化碳的紧张温室气体，可以为地球保存热量。IPCC第五次评价报告指出，在100年时间段内，甲烷的举世增温潜势（global warming potential，GWP，用于评价种种温室气体对天气厘革影响的相对才能） 是二氧化碳的28倍，其在大气中的停留时间约莫为9.1年。自产业年代以来，大气甲烷的浓度以前从1750年的722ppb增长到2015年的1840ppb，凌驾产业化前水平的155％，并且还在不休增长。IPCC报告指出，反刍生物数目标增长、化石燃料的提取和使用、农业水稻的扩张、渣滓填埋的增长等，是大气甲烷浓度增长的主要缘故，报告同时以为报答源排放占举世总量的50% ~ 65%。
举世变暖是现在全人类协同面临的挑唆。2月9日，巴西封建家在南极洲西摩岛纪录下了20.75℃的低温天气，比该岛1982年纪录的19.8℃高了近1℃。随后，地球另一端也有讯息爆出——2月14日，美国宇航局（NASA）的一项研讨指出，在北极地区30万平方公里发觉200万个甲烷排放抢手。要想减缓举世变暖的速率，控制温室气体的排放是重中之重。甲烷作为相反紧张的温室气体，假如不给予器重，那么将来人类将不得不面临甲烷的多量开释带来的举世变暖成绩。
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甲烷观察：万万里，跟随着你
随着封建武艺的提高与提高，沾染物气体的检测办法越来越多，总体可以分为化学检测办法和光学检测办法。前者经过化学反响历程中和化学反响完成后各物质含量的变动情况来检测气体浓度，由于存在对气体样品举行前处理，并且检测历程繁复，泯灭时间长，不具有对气体分析的时效性。光学检测办法的基本原理是基于不同物质对光的吸取、反射、折射等物理实质的差别，来确定其对光的吸取特性，反演推算出待测气体的浓度。与化学办法比拟，光学办法对气体实行样品的要求不苛刻，并且可以在伤害地区或拦阻地形下完成非交往式及时在线检测。因此，经过丈量太阳吸取光谱，使用反演算法获取温室气体的信息，同时索引卫星监测，可以使后果的精度和准确度更高，对温室气体浓度的厘革也更敏感。
不同波段下甲烷太阳吸取光谱
对甲烷的体系观察开头于19世纪80年代，由天下景象构造的举世大气察看站举行。现在，地基傅里叶变动红外太阳吸取光谱仪在甲烷气体监测中发扬偏紧张作用（天基监测体系为搭载了太阳短波红外甲烷传感器的卫星）。现在，举世共有两个甲烷观察网络：一个是总碳柱观察网络（TCCON，其站点接近70个，国内仅有合肥站一个）；另一个是探测大气因素厘革网络（NDACC），举世站点约25个支配。两个观察网所使用的装备均是高区分傅里叶变动光谱仪，该装备体积巨大，价格昂贵，必要多量的基本装备支持和定期维护，不克不及随意挪动。
总碳柱观察网络（TCCON）（ 图片泉源：TCCON官网）
2014年国际对地观察卫星委员会（CEOS）公布《天基碳观察战略》时，举世只发射了两颗搭载太阳短波红外二氧化碳和甲烷传感器的卫星，即欧洲空间局（ESA）2002年发射的ENVISAT卫星（2012年4该卫星与地球丢失接洽）和日本的GOSAT卫星（2009年至今）。自当时起，美国国度航空航天局（NASA）的OCO-2卫星、ESA的Sentinel-5P卫星以及其他一些在研大概方案阶段的太阳短波红外二氧化碳和甲烷卫星相继到场这两个创始性职责的行列。卫星可以敏捷定位大型沾染源，可以监测甲烷泄漏事故和含量特别的地区，协助人们了解举世甲烷排放水平，预算不同地域地区的甲烷浓度。
欧洲情况卫星（ENVISAT）、日本GOSAT-1和美国OCO-2（图片来自网络）
甲烷监测，任重道远
我国在应对天气厘革，实行《巴黎协议》控制温室气体排放方面奉献了极大的积极。现在我国以前开头构整天、空、地一体化的温室气体平面观察才能，但观察的“主演”大多是二氧化碳，关于甲烷的观察仍然比力缺失。
中科院大气物理研讨所香河观察站（39.75°N, 116.96°E，海拔30 m ），始建于1973年，是中国封建院日地空间情况观察网络站之一，可以举行大气物理、化学、动力学多要素的综合观察。因紧张观察项目多、观察装备昂贵，香河观察站后果被广泛地用于国际互助。香河地区炎天盛行的东南方风和冬天盛行的东南风招致该测站整年遭到周边地区人类活动的影响，可以观察人类活动形成的沾染排放。香河站也位于甲烷排放源地区，因此该测站摆设了地基高区分率傅里叶变动红外光谱仪(FTIR)等仪器用于温室气体监测。香河站FTIR观察数据自2018年6月开头正式纪录。
香河测站
大气所硕士生吉登辉及其互助者使用FTIR地基遥感和地表采样丈量数据，同时使用举世碳柱总量观察网（TCCON）反演算法（GGG2014）和大气因素厘革探测网（NDACC）反演算法（SFIT4）来盘算甲烷的摩尔比浓度XCH4。观察标明，甲烷柱总量最高的是8月(约1.95 ppm)和12月(约1.92 ppm)；近地表的日厘革中，甲烷夜间浓度高于白天。别的，他们从FTIR观察的太阳直射光谱分散了甲烷的对流层、平流层信号，从而反演了对流层安静流层的甲烷浓度，发觉平流层甲烷浓度远低于对流层。研讨指出，平流层甲烷摩尔比浓度随季候厘革与平流层和对流层物质互换历程有亲密干系。该研讨后果公布在Advances in Atmospheric Sciences 期刊。
甲烷在不同层的季候厘革：对流层（蓝线），平流层（红线）
甲烷不同季候一天内浓度厘革
新的国际天气会商愈加注意举世范围内的温室气体减排，温室气体排放清单也以前成为团结国天气厘革框架条约下各国国度信息转达的主要内容。因此，想要在可持续提高背景下实行减排举动，起主要制造更为准确的包含甲烷在内的温室气体排放清单。现在，中国地区的多家观察站点十分希罕，空间分布不均，观察材料仅限。仍旧必要使用多时空标准观察来研讨甲烷的源和汇的特性，并为观察形式提供查验，从而对甲烷的举世分布及其厘革纪律举行更好的评价。
参考文献：
1. Ji, D., and Coauthors, 2020: Deriving temporal and vertical distributions of methane in Xianghe using ground-based Fourier transform infrared and gas-analyzer measurements. Adv. Atmos. Sci., 37(6),https://doi.org/10.1007/s00376-020-9233-4, in press.
2. 黄满堂,王体健,赵雄飞,等.2019:2015年中国地区大气甲烷排放估测及空间分布[J].情况封建学报,39(５):1371-1380
3. 刘丽娟.差分傅里叶变动红外光声光谱大气沾染气体检测研讨
4. 岳桢干.2019:外洋天基二氧化碳和甲烷监测才能及近期方案(上).[J].红外
泉源：中国封建院大气物理研讨所
