知识源于沉淀 编者按:看寒暑，思古往今来的气候变化，中国科学院之声与lasg联合开设“了解大气”，介绍大气中有趣的故事和一些与天气、气候、环境相关的知识。
在平坦开阔的冰面上，两个人“by 空”点燃了巨大的火焰。主导这场“魔术表演”的不是魔术师，而是一种广泛存在于自然界的气体——甲烷。
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“无法形容的”甲烷
甲烷这个名字你可能有点陌生，但你一定听说过——气体。甲烷由一个碳和四个氢原子组成，其化学式为CH4。虽然它的外表很简单，但它的能力一点也不简单。甲烷是天然气、沼气、油田气和煤矿巷道气的主要成分，也可用作燃料和制造氢气、一氧化碳、氢氰酸和甲醛的原料。因此，甲烷被广泛用作民用和工业领域的燃料和原料。
甲烷分子(图片来自网络)
大气甲烷的来源包括生态系统和人类活动，其中自然来源包括天然湿地、植被、海洋和甲烷水合物。人为来源包括能源活动(煤矿开采和油气系统)、农业活动(反刍动物、稻田排放和露天焚烧秸秆)、废物处理(固体废物、工业污水和生活污水)和人工湿地。北极的永久冻土和冰层下储存着大量的甲烷。这些甲烷气体隐藏在冰层下，就像等待引爆的“冰手榴弹”。如果甲烷气体刺破冰层向上溢出，可以用火柴点燃，形成巨大的冰“火焰”，甚至发生爆炸。藏在北极冰层下的沼气也被怀疑是全球变暖的一大威胁。一些研究人员认为，随着北极冰层变薄，北极冻土和海水沉积物中的甲烷逐渐变得活跃，容易泄漏到大气中。
美丽而危险的“冰炸弹”（图片来自网络）美丽而危险的“冰弹”(图片来自网络)
甲烷不仅可以作为燃料提供热量，也是仅次于二氧化碳的重要温室气体，可以为地球节约热量。IPCC第五次评估报告指出，在100年的时间内，甲烷的全球变暖潜势(GWP)是二氧化碳的28倍，在大气中的滞留时间约为9.1年。自工业时代以来，大气甲烷浓度从1750年的722ppb增加到2015年的1840ppb，超过工业化前水平的155%，并且仍在增加。IPCC报告指出，反刍动物数量的增加、化石燃料的开采和应用、农业水稻的扩张、垃圾填埋场的增加是大气甲烷浓度升高的主要原因。报告还认为，人为排放占全球总量的50% ~ 65%。
全球变暖是当前全人类面临的共同挑战。2月9日，巴西科学家在南极西摩岛记录到20.75℃的高温，比1982年记录的19.8℃高出近1℃。然后，新闻在地球的另一边爆发了。2月14日，美国宇航局的一项研究指出，北极30万平方公里内有200万个甲烷排放热点。为了减缓全球变暖的速度，控制温室气体排放是当务之急。作为一种同样重要的温室气体，如果不加以重视，未来人类将不得不面对甲烷大量释放导致的全球变暖问题。
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甲烷观测:千里，追你
随着科学技术的发展和进步，污染气体的检测方法越来越多，一般可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反应后各物质含量的变化来检测气体浓度。由于气体样品的预处理，检测过程复杂，耗时长，不具备气体分析的时效性。光学检测法的基本原理是根据不同物质对光的吸收、反射、折射等物理性质的差异来确定光的吸收特性，通过反演计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那么严格，可以在危险区域或不利地形实现非接触实时在线检测。因此，通过测量太阳吸收光谱，利用反演算法获取温室气体信息，索引卫星监测，结果的准确度和精确度可以更高，结果对温室气体浓度的变化也更加敏感。
不同波段甲烷的太阳吸收光谱
对甲烷的系统观测始于20世纪80年代，由世界气象组织全球大气观测站进行。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(天基监测系统是搭载太阳短波红外甲烷传感器的卫星)。目前国际上有两个甲烷观测网:一个是总碳柱观测网(TCCON，有近70个站，国内只有合肥一个站)；另一个是探测大气成分变化的网络(NDACC)，在全世界大约有25个站点。两个观测网使用的设备都是高分辨率傅里叶变换光谱仪，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)(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，全球仅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，分别是2002年欧洲空跨机构(欧空局)发射的ENVISAT卫星(该卫星于2012年4月与地球失去联系)和日本的GOSAT卫星(2009年至今)。此后，美国国家航空航天局(NASA)的OCO-2卫星、欧空局的Sentinel-5P卫星以及其他处于研究或规划阶段的太阳短波红外CO2和CH4卫星相继加入了这两项开创性任务的行列。卫星可以快速定位大型污染源，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。
日本的环境卫星、GOSAT 1号和美国的OCO-2号(图片来自互联网)。
甲烷监测还有很长的路要走。
中国在应对气候变化和执行控制温室气体排放的《巴黎协定》方面做出了巨大努力。目前，我国已初步形成了集天空、空和地球为一体的温室气体立体观测能力，但观测的“主角”多为二氧化碳，对甲烷的观测还比较欠缺。
中国科学院大气物理研究所香河天文台(北纬39.75度，东经116.96度，海拔30米)，始建于1973年。是中国科学院日地空环境观测网络站之一，可开展大气物理、化学、动力学综合观测。由于重要的观测项目多，观测设备昂贵，香河天文台的成果在国际合作中被广泛使用。香河地区夏季盛行东南风，冬季盛行西北风，导致周边地区常年受到人类活动的影响，可以观测到人类活动造成的污染排放。香河站也位于甲烷排放源区，因此部署了地基高分辨率傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)等仪器进行温室气体监测。香河站的FTIR观测数据从2018年6月开始正式记录。
香河站
大气科学研究所硕士生季及其合作者利用FTIR地基遥感和地面采样测量数据，还利用全球碳柱总量观测网络(TCCON)反演算法(GGG2014)和大气成分变化探测网络(NDACC)反演算法(SFIT4)计算了甲烷XCH4的摩尔比浓度。观测表明，甲烷柱总量在8月(约1.95 ppm)和12月(约1.92 ppm)最高。在近地面的日变化中，夜间甲烷浓度高于白天。此外，他们从FTIR观测到的太阳直射光谱中分离出甲烷的对流层和平流层信号，从而反演了对流层和平流层的甲烷浓度，发现平流层的甲烷浓度远低于对流层。指出平流层甲烷摩尔比的季节变化与平流层和对流层的物质交换过程密切相关。这项研究成果发表在《大气科学进展》杂志上。
甲烷在不同层的季节变化:对流层(蓝线)和平流层(红线)
不同季节甲烷浓度的日变化
新的国际气候谈判更加关注全球温室气体减排，温室气体排放清单也成为《联合国气候变化框架公约》下国家信息通报的主要内容。因此，要想在可持续发展的背景下实施减排行动，首先必须对包括甲烷在内的温室气体排放进行更准确的盘点。目前我国地区观测站较少，分布不均匀空，观测数据有限。仍然需要利用多时空尺度观测来研究甲烷源和汇的特征，为观测模式提供检验，以便更好地评价甲烷的全球分布及其变化规律。
参考资料:
1.Ji，d .和合著者，2020:使用地基傅里叶变换红外和气体分析仪测量导出香河甲烷的时间和垂直分布。大气。Sci。，37(6)，https://doi . org/10.1007/s 00376-020-9233-4，正在印刷中。
2.黄满堂，王体健，赵，等. 2019:2015年中国大气甲烷排放量及其分布估算[J].环境科学杂志，39 (5): 1371-1380。
3.刘丽娟。差分傅里叶变换红外光声光谱检测大气污染气体的研究。
4.岳正安。2019:国外天基二氧化碳和甲烷监测能力及近期计划(一)。[J]。红外线的
资料来源:lasg。
