過去30年以來不斷上升的全球氫氣排放正在間接推升地球變暖，加劇甲烷這一強(qiáng)效溫室氣體的增溫效應(yīng)。這項(xiàng)由美國(guó)斯坦福/奧本大學(xué)助理教授歐陽祖濤與斯坦福大學(xué)Robert Jackson教授，英、法、澳、中、日、荷、加、瑞、奧、德等11國(guó)大學(xué)以及美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局，Aerodyne Research Inc，Spark Climate Solutions等研究機(jī)構(gòu)支持，攜由國(guó)際科學(xué)家組成的 Global Carbon Project，提供了首份關(guān)于全球氫氣源與匯的全面核算。這項(xiàng)于2025年12月發(fā)表在Nature的研究The Global Hydrogen Budget通過結(jié)合觀測(cè)、排放清單和排放指數(shù)、以及自下而上的模型推演發(fā)現(xiàn)：長(zhǎng)期被視為替代燃料的氫氣（H2），在排放后的前 20 年里對(duì)大氣的間接增溫效應(yīng)約是二氧化碳（CO2）的 37 倍。自 1990 年以來，盡管土壤吸收了約 70% 的氫氣排放，但大氣中氫氣濃度上升所造成的氣候影響已接近法國(guó)等工業(yè)化國(guó)家的累積排放。

全球氫氣的源匯及分布差異

自 1990 年以來，地球上氫氣的主要來源包括前體化合物在大氣中的光氧化和分解，工業(yè)氫氣生產(chǎn)過程中的泄漏和燃燒，以及農(nóng)業(yè)種植豆科作物（如大豆、花生等）固氮過程的副產(chǎn)物。而通過光氧化和分解產(chǎn)生氫氣的化合物中就包括甲烷。由于化石燃料、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和垃圾填埋場(chǎng)排放的增加，甲烷在大氣中的濃度迅速上升，形成了一個(gè)惡性循環(huán)：甲烷在大氣中氧化分解出氫氣，因此甲烷越多，產(chǎn)生的氫氣也越多。而氫氣增多又會(huì)延長(zhǎng)甲烷在大氣中的存在時(shí)間，從而造成更大破壞。該研究表明，近30年大氣中氫氣增加的最大驅(qū)動(dòng)因素是甲烷在大氣中的氧化分解：這一來源的氫氣年排放量約增加了400萬噸，于2020年達(dá)到每年2700萬噸。其他自然來源，如野火、火山活動(dòng)等則隨年份波動(dòng)，在 1990 至 2020 年間沒有出現(xiàn)明顯、持續(xù)的趨勢(shì)。而地球上主要?dú)鋮R包括被羥基自由基（OH）氧化以及土壤微生物對(duì)氫氣的吸收。在近十年，全球氫源據(jù)計(jì)算約為每年69.9 ± 9.4 萬億克，而氫匯則為每年68.4 ± 18.1 萬億克。

在空間分布上，全球尺度的氫源相較氫匯而言分布的更不均衡。最高的氫氣排放密度位于東南亞和東亞，而熱帶地區(qū)則在氫源總量上占據(jù)約60%。這與更高的溫度和更強(qiáng)的光照加速前體化合物的產(chǎn)生與氧化分解等有關(guān)。全球尺度的氫匯則相對(duì)分布更均衡，熱帶地區(qū)同時(shí)也是最大的氫匯地區(qū)，占據(jù)總量約50%。

氫氣加劇甲烷的溫室效應(yīng)

與包括二氧化碳和甲烷在內(nèi)的溫室氣體不同，氫氣本身不會(huì)在地球的大氣層中吸收熱量。然而通過與其他分子的相互作用，氫氣在釋放后的前 100 年中間接加熱大氣層的速度可以達(dá)到二氧化碳的 11 倍，在前 20 年內(nèi)則約為 37 倍。其中，氫氣最主要的作用方式是消耗大氣中的天然“清潔劑”，比如羥基自由基（OH）。這些OH本可消耗大氣中的甲烷。因此，氫氣排放越多，大氣中的清潔劑就越少，甲烷的存留時(shí)間就會(huì)更長(zhǎng)，從而加劇了溫室效應(yīng)。除了延長(zhǎng)甲烷的存留時(shí)間外，氫氣與OH的反應(yīng)還會(huì)產(chǎn)生臭氧、平流層水汽等溫室氣體，并影響云和顆粒物的形成。自工業(yè)化前至 2003 年，大氣中氫氣濃度增加了約 70%，隨后短暫穩(wěn)定，但在約2010 年后再次上升。其中，1990至2020年間氫氣排放的增加主要源于人類活動(dòng)。

在該研究中，根據(jù)地球系統(tǒng)模型OSCAR演算得出的全球地表空氣溫度（GSAT）表明：在2010-2020年間，大氣中氫氣的增加提升了約0.02攝氏度的全球地表空氣溫度。而對(duì)未來的氣候影響則取決于人類對(duì)氫氣作為一種新型能源的使用規(guī)模、泄露情況、以及對(duì)其前提化合物特別是甲烷的排放監(jiān)管等。

局限和展望

關(guān)于氫氣源與匯的全面核算，該研究指出當(dāng)下對(duì)于氫收支計(jì)算不確定性在于土壤對(duì)大氣中氫氣的作用和相互關(guān)系。其中土壤對(duì)氫氣的吸收和分解定量最易受該研究中的模型參數(shù)所影響。而大氣中甲烷氧化分解生成氫氣的機(jī)制和模擬定量則較為成熟、確定性較高。總體而言，高精度、高時(shí)空分辨率的氫氣實(shí)地觀測(cè)以及廣泛認(rèn)可的排放清單依然稀缺，特別是對(duì)于工業(yè)泄露、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、土壤與植物源匯的觀測(cè)有待開展并用于模型的提升和模擬結(jié)果的優(yōu)化與復(fù)核。該研究的Discussion部分明確指出，相較精準(zhǔn)、成熟、系統(tǒng)的甲烷濃度及通量觀測(cè)技術(shù)，能滿足當(dāng)下先進(jìn)氫氣觀測(cè)需求的儀器僅有美國(guó)Aerodyne于2024年研發(fā)生產(chǎn)的H2-TILDAS光譜儀，而適用于高空、衛(wèi)星遙感和通量的氫氣觀測(cè)條件尚未出現(xiàn)。

該研究的通訊作者，斯坦福大學(xué)Robert Jackson教授組將在未來幾年依托Aerodyne H2-TILDAS進(jìn)行一系列氫氣在生產(chǎn)、使用、和泄露方面的觀測(cè)；而Aerodyne的高級(jí)科學(xué)家、該研究的合作者郭方舟博士和作者奧本大學(xué)的歐陽祖濤教授也將在近年展開土壤中氫氣的源與匯的一系列分析實(shí)驗(yàn)和外場(chǎng)觀測(cè)。

作者介紹

斯坦福大學(xué)博士后、奧本大學(xué)助理教授歐陽祖濤博士為論文作者，斯坦福大學(xué)Michelle and Kevin Douglas教務(wù)長(zhǎng)講席教授、Global Carbon Project主席Robert Jackson博士為論文通訊作者，論文合作者包括Global Carbon Project及其合作機(jī)構(gòu)的30多位教授和研究人員等，具體見文章作者所屬單位列表。

大氣化學(xué)：2025年12月31日