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)表在國際知名學術期刊《美國科學院院刊》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）反應會增加臭氧；平流層氫與羥基反應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，水蒸氣也會通過增加紅外吸收產(chǎn)生直接輻射效應。

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，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果來重建北半球的氫含量，以解決這一差異。”