编者按：看寒来暑往云卷云舒，思古往今来气候变迁，中科院之声与中国科学院大气物理研究所联合开设“大气悟理”，为大家介绍大气里发生的有趣故事，介绍一些与天气、气候和环境相关的知识。
平坦开阔的冰面上，两位男子“凭空”点燃了巨大的火苗，主导这场“魔术秀”的并不是什么魔术大师，而是自然界中广泛存在的一种气体——甲烷。
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“不可貌相”的甲烷
甲烷这个名字你可能有点陌生，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组成，化学式为CH4，虽然它的外表非常“简约”，但它的能力可一点都不简单。甲烷是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分，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原料。因此，甲烷作为燃料和原料被广泛应用于民用和工业中。
甲烷分子（图片来自网络）
大气甲烷的源包括生态系统和人类活动，其中自然源包括自然湿地、植被、海洋和甲烷水合物等；人为源包括能源活动（煤炭开采和油气系统）、农业活动（反刍动物、稻田排放和秸秆露天燃烧）、废弃物处理（固体废弃物、工业污水和生活污水）和人工湿地等。北极地区的永久冻土带和冰面下封存着大量的甲烷。这些甲烷气体藏匿在冰面下，就像等待被引爆的“冰榴弹”，如果刺破冰面让甲烷气体向上溢出，即可用火柴点燃形成巨大的冰上“盛焰”甚至形成爆炸。潜藏在北极冰层下的沼气也一直被怀疑是地球变暖的极大威胁。有研究人员认为，随着北极冰层变薄，北极冻土和海水沉积物中的沼气逐渐变得活跃，极易泄漏到大气中。
美丽而危险的“冰炸弹”（图片来自网络）
甲烷不仅可以当燃料提供热量，还是仅次于二氧化碳的重要温室气体，可以为地球保存热量。IPCC第五次评估报告指出，在100年时间段内，甲烷的全球增温潜势（global warming potential，GWP，用于评价各种温室气体对气候变化影响的相对能力） 是二氧化碳的28倍，其在大气中的停留时间大约为9.1年。自工业时代以来，大气甲烷的浓度已经从1750年的722ppb增长到2015年的1840ppb，超过工业化前水平的155％，并且还在不断增长。IPCC报告指出，反刍动物数量的增加、化石燃料的提取和应用、农业水稻的扩张、垃圾填埋的增加等，是大气甲烷浓度增加的主要原因，报告同时认为人为源排放占全球总量的50% ~ 65%。
全球变暖是目前全人类共同面临的挑战。2月9日，巴西科学家在南极洲西摩岛记录下了20.75℃的高温天气，比该岛1982年记录的19.8℃高了近1℃。随后，地球另一端也有新闻爆出——2月14日，美国宇航局（NASA）的一项研究指出，在北极地区30万平方公里发现200万个甲烷排放热点。要想减缓全球变暖的速度，控制温室气体的排放是重中之重。甲烷作为同样重要的温室气体，如果不给予重视，那么将来人类将不得不面对甲烷的大量释放带来的全球变暖问题。
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甲烷观测：千万里，追寻着你
随着科学技术的发展与进步，污染物气体的检测方法越来越多，总体可以分为化学检测方法和光学检测方法。前者通过化学反应过程中和化学反应完成后各物质含量的变换情况来检测气体浓度，由于存在对气体样品进行前处理，而且检测过程复杂，耗费时间长，不具备对气体分析的时效性。光学检测方法的基本原理是基于不同物质对光的吸收、反射、折射等物理性质的差异，来确定其对光的吸收特征，反演推算出待测气体的浓度。与化学方法相比，光学方法对气体实验样品的要求不苛刻，而且可以在危险地区或不利地形下实现非接触式实时在线检测。因此，通过测量太阳吸收光谱，利用反演算法获取温室气体的信息，同时索引卫星监测，可以使结果的精度和准确度更高，对温室气体浓度的变化也更敏感。
不同波段下甲烷太阳吸收光谱
对甲烷的系统观测开始于19世纪80年代，由世界气象组织的全球大气观察站进行。目前，地基傅里叶变换红外太阳吸收光谱仪在甲烷气体监测中发挥着重要作用（天基监测系统为搭载了太阳短波红外甲烷传感器的卫星）。目前，全球共有两个甲烷观测网络：一个是总碳柱观测网络（TCCON，其站点接近70个，国内仅有合肥站一个）；另一个是探测大气成分变化网络（NDACC），全球站点约25个左右。两个观测网所使用的设备均是高分辨傅里叶变换光谱仪，该设备体积庞大，价格昂贵，需要大量的基础设备支持和定期维护，不能随意移动。
总碳柱观测网络（TCCON）（ 图片来源：TCCON官网）
2014年国际对地观测卫星委员会（CEOS）发布《天基碳观测战略》时，全球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该卫星与地球失去联系）和日本的GOSAT卫星（2009年至今）。自那时起，美国国家航空航天局（NASA）的OCO-2卫星、ESA的Sentinel-5P卫星以及其他一些在研或者规划阶段的太阳短波红外二氧化碳和甲烷卫星相继加入这两个开创性任务的行列。卫星可以迅速定位大型污染源，可以监测甲烷泄漏事故和含量异常的区域，帮助人们了解全球甲烷排放水平，估算不同地理区域的甲烷浓度。
欧洲环境卫星（ENVISAT）、日本GOSAT-1和美国OCO-2（图片来自网络）
甲烷监测，任重道远
我国在应对气候变化，履行《巴黎协定》控制温室气体排放方面付出了极大的努力。目前我国已经初步形成天、空、地一体化的温室气体立体观测能力，但观测的“主角”大多是二氧化碳，关于甲烷的观测依然比较缺失。
中科院大气物理研究所香河观测站（39.75°N, 116.96°E，海拔30 m ），始建于1973年，是中国科学院日地空间环境观测网络站之一，可以进行大气物理、化学、动力学多要素的综合观测。因重要观测项目多、观测设备昂贵，香河观测站结果被广泛地用于国际合作。香河地区夏季盛行的东南风和冬季盛行的西北风导致该测站全年受到周边地区人类活动的影响，可以观测人类活动造成的污染排放。香河站也位于甲烷排放源地区，因此该测站部署了地基高分辨率傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)等仪器用于温室气体监测。香河站FTIR观测数据自2018年6月开始正式记录。
香河测站
大气所硕士生吉登辉及其合作者利用FTIR地基遥感和地面采样测量数据，同时利用全球碳柱总量观测网（TCCON）反演算法（GGG2014）和大气成分变化探测网（NDACC）反演算法（SFIT4）来计算甲烷的摩尔比浓度XCH4。观测表明，甲烷柱总量最高的是8月(约1.95 ppm)和12月(约1.92 ppm)；近地面的日变化中，甲烷夜间浓度高于白天。此外，他们从FTIR观测的太阳直射光谱分离了甲烷的对流层、平流层信号，从而反演了对流层和平流层的甲烷浓度，发现平流层甲烷浓度远低于对流层。研究指出，平流层甲烷摩尔比浓度随季节变化与平流层和对流层物质交换过程有密切关系。该研究结果发表在Advances in Atmospheric Sciences 期刊。
甲烷在不同层的季节变化：对流层（蓝线），平流层（红线）
甲烷不同季节一天内浓度变化
新的国际气候谈判更加注重全球范围内的温室气体减排，温室气体排放清单也已经成为联合国气候变化框架公约下各国国家信息通报的主要内容。因此，想要在可持续发展背景下实施减排行动，首先要制作更为准确的包括甲烷在内的温室气体排放清单。目前，中国区域的多家观测站点非常稀少，空间分布不均，观测资料有限。仍然需要利用多时空尺度观测来研究甲烷的源和汇的特征，并为观测模式提供检验，从而对甲烷的全球分布及其变化规律进行更好的评估。
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计及空间分布[J].环境科学学报,39(５):1371-1380
3. 刘丽娟.差分傅里叶变换红外光声光谱大气污染气体检测研究
4. 岳桢干.2019:国外天基二氧化碳和甲烷监测能力及近期计划(上).[J].红外
来源：中国科学院大气物理研究所
