Атмосферный метан — это метан , присутствующий в атмосфере Земли . [1] Концентрация метана в атмосфере увеличивается из-за выбросов метана и вызывает изменение климата . [2] [3] Метан является одним из наиболее сильнодействующих парниковых газов . [4] : 82 Радиационное воздействие метана на климат (RF) является прямым, [5] : 2 , и это второй по величине вклад в антропогенное воздействие на климат за исторический период. [5] : 2 Метан является основным источником водяного пара в стратосфере в результате окисления; [6] и водяной пар добавляет около 15% к радиационному воздействию метана. [7] Потенциал глобального потепления (ПГП) метана составляет около 84 с точки зрения его воздействия в течение 20-летнего периода. [8] [9] Это означает, что он улавливает в 84 раза больше тепла на единицу массы, чем углекислый газ (CO 2 ), и в 105 раз превышает эффект с учетом аэрозольных взаимодействий. [10]
С началом промышленной революции (около 1750 г.) концентрация метана в атмосфере увеличилась примерно на 160%, причем этот рост в подавляющем большинстве был вызван деятельностью человека. [11] С 1750 года на метан приходится 3% выбросов парниковых газов по массе [12] , но он ответственен примерно за 23% радиационного или климатического воздействия . [13] [14] [15] В 2019 году глобальная концентрация метана выросла с 722 частей на миллиард (частей на миллиард) в доиндустриальные времена до 1866 частей на миллиард. [16] Это увеличение в 2,6 раза и самое высокое значение как минимум за 800 000 лет. [17] : 4 [18] [19]
Метан увеличивает количество озона O 3 в тропосфере (от 4 миль (6,4 км) до 12 миль (19 км) от поверхности Земли), а также в стратосфере (от тропосферы до 31 мили (50 км) над поверхностью Земли). ). [20] И водяной пар, и озон являются парниковыми газами, что, в свою очередь, способствует потеплению климата. [5] : 2
Метан в атмосфере Земли является мощным парниковым газом , потенциал глобального потепления (ПГП) которого в 84 раза превышает показатель CO 2 за 20-летний период. [22] [23]
Радиационное или климатическое воздействие — это научная концепция, используемая для измерения воздействия человека на окружающую среду в ваттах на квадратный метр. [24] Это относится к «разнице между солнечным излучением, поглощаемым Землей, и энергией, излучаемой обратно в космос» [25] Прямое радиационное воздействие метана на парниковые газы по сравнению с 1750 годом оценивается в 0,5 Вт/м 2 (ватт на единицу энергии). метр²) в «Сводном докладе об изменении климата за 2007 год» МГЭИК 2007 года. [26] : 38
В своей 173-страничной «Глобальной оценке метана» от 21 мая 2021 года ЮНЕП и CCAP заявили, что их «понимание влияния метана на радиационное воздействие» улучшилось благодаря исследованиям, проведенным группами под руководством М. Этминана в 2016 году [13] и Уильяма Коллинза. в 2018 году [5] , что привело к «пересмотру в сторону повышения» по сравнению с Пятым оценочным докладом МГЭИК 2014 года (ДО5). «Улучшение понимания» говорит о том, что предыдущие оценки «общего воздействия выбросов метана на общество», вероятно, были недооценены. [27] : 18
Этминан и др. опубликовали свои новые расчеты радиационного воздействия метана (RF) в журнальной статье Geophysical Research Letters за 2016 год , в которой для измерения воздействия использовались коротковолновые диапазоны CH 4 , не использовавшиеся в предыдущих, более простых методах МГЭИК. Их новые расчеты РЧ, в которых существенно пересмотрены приведенные в предыдущих последовательных отчетах МГЭИК воздействия хорошо смешанных парниковых газов (WMGHG) путем включения коротковолнового компонента воздействия, обусловленного CH 4 , привели к оценкам, которые были примерно на 20-25% выше. [13] Коллинз и др. сказал, что сокращение выбросов CH 4 , которое приведет к сокращению количества метана в атмосфере к концу века, может «существенно повлиять на осуществимость достижения Парижских климатических целей» и обеспечит нам больше «допустимых выбросов углерода к 2100 году». [5]
Метан является сильным парниковым газом, потенциал глобального потепления которого в 84 раза превышает потенциал CO 2 в течение 20 лет. Метан не такой стойкий газ, и за 100-летний период его количество выводится примерно в 28 раз больше, чем CO 2 . [9]
Помимо прямого нагревательного эффекта и обычных обратных связей, метан распадается на углекислый газ и воду. Эта вода часто находится выше тропопаузы, куда обычно доходит мало воды. Раманатан (1988) [28] отмечает, что как водяные, так и ледяные облака, образующиеся при низких температурах стратосферы, чрезвычайно эффективно усиливают парниковый эффект в атмосфере. Он также отмечает, что существует явная вероятность того, что значительное увеличение количества метана в будущем может привести к потеплению поверхности, которое нелинейно увеличивается с концентрацией метана.
Усилия по смягчению последствий, направленные на сокращение короткоживущих загрязнителей климата, таких как метан и черный углерод, помогут бороться с «краткосрочным изменением климата» и поддержат Цели устойчивого развития . [29]
«Источником» можно считать любой процесс, приводящий к образованию метана и выбросу его в атмосферу. Известные источники метана преимущественно расположены вблизи поверхности Земли. [12] К двум основным процессам, ответственным за производство метана, относятся микроорганизмы, анаэробно преобразующие органические соединения в метан ( метаногенез ), широко распространенные в водных экосистемах , и жвачные животные. Другие природные источники включают таяние вечной мерзлоты , водно-болотные угодья, растения и клатраты метана . [ нужна цитата ]
Увеличение выбросов метана является основным фактором повышения концентрации парниковых газов в атмосфере Земли и ответственно за до одной трети глобального потепления в краткосрочной перспективе . [31] [32] В 2019 году около 60% (360 миллионов тонн) метана, выброшенного в мире, произошло в результате деятельности человека, тогда как на природные источники пришлось около 40% (230 миллионов тонн). [33] [34] Сокращение выбросов метана путем улавливания и использования газа может принести одновременную экологическую и экономическую выгоду. [31] [35]
Со времени промышленной революции концентрация метана в атмосфере увеличилась более чем вдвое, и около 20 процентов потепления, которое пережила планета, можно отнести на счет этого газа. [36] Около трети (33%) антропогенных выбросов приходится на выбросы газа при добыче и доставке ископаемого топлива ; в основном из-за выбросов газа и утечек газа как из действующей инфраструктуры ископаемого топлива, так и из бесхозных скважин . [37] Россия является крупнейшим в мире источником выбросов метана из нефти и газа. [38] [39]
Животноводство является таким же крупным источником (30%); главным образом из-за кишечной ферментации у жвачных животных, таких как крупный рогатый скот и овцы. Согласно Глобальной оценке метана, опубликованной в 2021 году, выбросы метана от домашнего скота (включая крупный рогатый скот) являются крупнейшими источниками сельскохозяйственных выбросов во всем мире [40]. Одна корова может производить до 99 кг метана в год. [41] Жвачный скот может производить от 250 до 500 л метана в день. [42]Метан обычно измеряли с помощью газовой хроматографии . Газовая хроматография — это тип хроматографии , используемый для разделения или анализа химических соединений. В целом это дешевле, чем более продвинутые методы, но требует больше времени и труда. [ нужна цитата ]
Спектроскопические методы были предпочтительным методом измерения атмосферных газов из-за их чувствительности и точности. Кроме того, спектроскопические методы являются единственным способом дистанционного зондирования атмосферных газов. Инфракрасная спектроскопия охватывает широкий спектр методов, один из которых обнаруживает газы на основе абсорбционной спектроскопии . Существуют различные методы спектроскопии, в том числе спектроскопия дифференциального оптического поглощения , лазерно-индуцированная флуоресценция и инфракрасное преобразование Фурье . [ нужна цитата ]
[43]
В 2011 году спектроскопия с понижением уровня резонатора была наиболее широко используемым методом ИК-поглощения для обнаружения метана. Это форма лазерной абсорбционной спектроскопии , которая определяет мольную долю порядка частей на триллион.
CH 4 измеряется непосредственно в окружающей среде с 1970-х годов. [45] [11] Концентрация метана в атмосфере Земли увеличилась на 160% по сравнению с доиндустриальным уровнем середины 18 века. [11]
Долгосрочные измерения метана в атмосфере, проведенные NOAA , показывают, что накопление метана почти утроилось с доиндустриальных времен с 1750 года. [46] В 1991 и 1998 годах наблюдался внезапный рост метана, что представляет собой удвоение темпов роста в предыдущие годы. [46] Извержение горы Пинатубо, произошедшее 15 июня 1991 года , размером VEI -6, стало вторым по величине наземным извержением 20-го века. [47] В 2007 году сообщалось, что беспрецедентно высокие температуры в 1998 году — самом теплом году с тех пор, как были зарегистрированы приземные рекорды — могли вызвать повышенные выбросы метана, а также увеличение выбросов водно-болотных угодий и рисовых полей, а также количества сжигаемой биомассы. [48]
Данные 2007 года показали, что концентрации метана снова начали расти. [49] Это было подтверждено в 2010 году, когда исследование показало, что уровни метана росли в течение трех лет с 2007 по 2009 год. После десятилетия почти нулевого роста уровней метана «глобальный средний уровень метана в атмосфере увеличился на [приблизительно] 7 нмоль». /моль в год в течение 2007 и 2008 годов. В течение первой половины 2009 года глобальное среднее содержание CH 4 в атмосфере было [приблизительно] на 7 нмоль/моль больше, чем в 2008 году, что позволяет предположить, что увеличение продолжится и в 2009 году». [50] С 2015 по 2019 год зафиксирован резкий рост содержания метана в атмосфере. [51]
В 2010 году уровень метана в Арктике составил 1850 нмоль/моль, что более чем в два раза выше, чем когда-либо за последние 400 000 лет. [ нужна ссылка ] Согласно IPCC AR5, с 2011 года концентрации продолжали расти. После 2014 года рост ускорился и к 2017 году достиг 1850 (частей на миллиард) частей на миллиард. [52] Среднегодовое содержание метана (CH 4 ) в 2019 году составило 1866 частей на миллиард, и ученые с «очень высокой степенью уверенности» сообщили, что концентрации CH 4 были выше, чем когда-либо за последние 800 000 лет. [14] Наибольший годовой прирост произошел в 2021 году, когда текущие концентрации достигли рекордных 260% от доиндустриальных значений, причем подавляющий процент был вызван деятельностью человека. [11]
В 2013 году ученые МГЭИК заявили с «очень высокой степенью уверенности», что концентрации атмосферного метана CH 4 «превышают доиндустриальные уровни примерно на 150%, что представляет собой «уровни, беспрецедентные, по крайней мере, за последние 800 000 лет » . ] Глобальная средняя концентрация метана в атмосфере Земли увеличилась примерно на 150% с 722 ± 25 частей на миллиард в 1750 году до 1803,1 ± 0,6 частей на миллиард в 2011 году. [54] [55] По состоянию на 2016 год вклад метана в радиационное воздействие составил 0,62 ± 14% Вт. −2 , [13] или около 20% общего радиационного воздействия от всех долгоживущих и глобально смешанных парниковых газов. [9] Концентрация метана в атмосфере продолжает увеличиваться с 2011 года до средней глобальной концентрации 1911,8 ± 0,6. частей на миллиард по состоянию на 2022 год .
Консорциум Global Carbon Project составляет Глобальный бюджет метана. Сотрудничая с более чем пятьюдесятью международными исследовательскими институтами и 100 станциями по всему миру, он обновляет баланс метана каждые несколько лет. [56]
В 2013 году баланс между источниками и поглотителями метана еще не был до конца понятен. Ученые не смогли объяснить, почему концентрация метана в атмосфере временно перестала увеличиваться. [57]
Акцент на роли метана в антропогенном изменении климата стал более актуальным с середины 2010-х годов. [58]
Количество метана в атмосфере является результатом баланса между производством метана на поверхности Земли — его источником — и разрушением или удалением метана, преимущественно в атмосфере — его стока — в атмосферном химическом процессе. [59]
Еще одним крупным естественным поглотителем является окисление метанотрофными или потребляющими метан бактериями в почвах Земли.
Эти компьютерные модели НАСА 2005 года, рассчитанные на основе данных, доступных на тот момент, иллюстрируют, как метан разрушается по мере его подъема.
Когда воздух поднимается в тропиках, метан переносится вверх через тропосферу — самую нижнюю часть земной атмосферы, находящуюся на расстоянии от 4 миль (6,4 км) до 12 миль (19 км) от поверхности Земли, в нижнюю стратосферу — озоновый слой. а затем верхняя часть стратосферы. [59]
Этот атмосферный химический процесс является наиболее эффективным поглотителем метана, поскольку он удаляет 90% атмосферного метана. [57] Это глобальное разрушение атмосферного метана в основном происходит в тропосфере. [57]
Молекулы метана реагируют с гидроксильными радикалами (ОН) — «основным химическим поглотителем в тропосфере», который «контролирует время жизни большинства газов в тропосфере». [60] В ходе этого процесса окисления CH 4 атмосферный метан разрушается и образуются водяной пар и углекислый газ.
Хотя это снижает концентрацию метана в атмосфере, это также увеличивает радиационное воздействие , поскольку водяной пар и углекислый газ являются более мощными факторами выбросов парниковых газов с точки зрения воздействия на потепление Земли.
Этот дополнительный водяной пар в стратосфере, вызванный окислением CH 4 , добавляет примерно 15% к радиационному воздействию метана. [61] [6]
К 1980-м годам проблема глобального потепления была трансформирована за счет включения в глобальное потепление метана и других газов, отличных от CO 2 - CFC, N 2 O и O 3 - вместо того, чтобы сосредоточиться в первую очередь на углекислом газе. [62] [63] И водяные, и ледяные облака, образующиеся при низких температурах стратосферы, оказывают значительное влияние за счет увеличения парникового эффекта в атмосфере. Значительное увеличение количества метана в будущем может привести к потеплению поверхности, которое нелинейно увеличивается с концентрацией метана. [62] [63]
Метан также влияет на деградацию озонового слоя — самого нижнего слоя стратосферы на высоте от 15 до 35 километров (от 9 до 22 миль) над Землей, чуть выше тропосферы. [64] Исследователи НАСА в 2001 году заявили, что этот процесс усиливается глобальным потеплением, поскольку более теплый воздух содержит больше водяного пара, чем более холодный, поэтому количество водяного пара в атмосфере увеличивается, поскольку она нагревается за счет парникового эффекта. Их климатические модели, основанные на данных, доступных на тот момент, показали, что углекислый газ и метан усиливают перенос воды в стратосферу. [65]
Атмосферный метан может сохраняться в стратосфере около 120 лет, пока в конечном итоге не будет уничтожен в процессе окисления гидроксильных радикалов. [66]
По состоянию на 2001 год средняя продолжительность жизни метана в атмосфере оценивалась в 9,6 года. Однако увеличение выбросов метана с течением времени привело к снижению концентрации гидроксильного радикала в атмосфере. [67] При меньшем количестве OH˚ для реакции продолжительность жизни метана также может увеличиться, что приведет к увеличению концентрации метана в атмосфере. [68]
К 2013 году среднее время жизни метана в атмосфере оценивалось в двенадцать лет. [29] [69]
Реакция атомов метана и хлора действует как основной сток атомов Cl и является основным источником соляной кислоты (HCl) в стратосфере. [70]
СН 4 + Cl → СН 3 + HCl
HCl, образующийся в этой реакции, приводит к каталитическому разрушению озона в стратосфере. [66]
Почвы служат основным поглотителем атмосферного метана посредством обитающих в них метанотрофных бактерий. Это происходит с двумя разными типами бактерий. Метанотрофные бактерии с «высокой емкостью и низким сродством» растут в районах с высокой концентрацией метана, таких как заболоченные почвы на водно-болотных угодьях и в других влажных средах. А в районах с низкой концентрацией метана метанотрофные бактерии «малой емкости и высокого сродства» используют метан в атмосфере для роста, а не полагаются на метан в своей непосредственной среде. [71]
Лесные почвы действуют как хорошие поглотители атмосферного метана, поскольку почвы оптимально влажные для деятельности метанотрофов, а движение газов между почвой и атмосферой (диффузия почвы) велико. [71] При более низком уровне грунтовых вод любой метан в почве должен пройти мимо метанотрофных бактерий, прежде чем он сможет достичь атмосферы.
Однако почвы водно-болотных угодий часто являются источниками атмосферного метана, а не поглотителями, поскольку уровень грунтовых вод намного выше, и метан может довольно легко рассеиваться в воздухе без необходимости конкурировать с почвенными метанотрофами.
Метанотрофные бактерии в почве . Метанотрофные бактерии, обитающие в почве, используют метан в качестве источника углерода при окислении метана. [71] Окисление метана позволяет метанотрофным бактериям использовать метан в качестве источника энергии, реагируя метан с кислородом и в результате производя углекислый газ и воду.
Удаление метана из атмосферы — это категория потенциальных подходов, которые исследуются для ускорения распада метана , попадающего в атмосферу, чтобы смягчить некоторые последствия изменения климата . [72]
Различные методы удаления метана из атмосферы включают термокаталитическое окисление, фотокаталитическое окисление, биологическое метанотрофное удаление метана, концентрирование цеолитами или другими пористыми твердыми веществами и мембранное разделение. [73]
С 1996 по 2004 год исследователи Европейского проекта по отбору ледяных кернов в Антарктиде (EPICA) смогли пробурить и проанализировать газы, захваченные в ледяных кернах Антарктиды, чтобы восстановить концентрации парниковых газов в атмосфере за последние 800 000 лет». [74] Они обнаружили, что примерно 900 000 лет назад цикл ледниковых периодов, сопровождавшихся относительно короткими теплыми периодами, длился около 40 000 лет, но 800 000 лет назад временной интервал резко изменился и стал циклами, длившимися 100 000 лет.[74] Были низкие значения. ПГ в ледниковые периоды и высокие значения в теплые периоды [74] .
Приведенная выше иллюстрация EPA 2016 года представляет собой подборку палеоклиматологических данных, показывающих концентрацию метана с течением времени, основанную на анализе газовых пузырьков из [75] EPICA Dome C , Антарктида — примерно с 797 446 г. до н. э. до 1937 г. 1980 г. н. э . [77] Мыс Грим , Австралия — с 1985 г. по 2015 г. н. э . [78] Мауна-Лоа , Гавайи — с 1984 г. по 2015 г. н. э. [79] и Шетландские острова , Шотландия: с 1993 г. по 2001 г. н. э. [80]
Массивный и быстрый выброс больших объемов метана из таких отложений в атмосферу был предложен в качестве возможной причины быстрых явлений глобального потепления в далеком прошлом Земли, таких как палеоцен -эоценовый термический максимум [82] и Великий Умирающий . [83]
В 2001 году ученые Института космических исследований имени Годдарда НАСА и Центра исследований климатических систем Колумбийского университета подтвердили , что другие парниковые газы, помимо углекислого газа, являются важными факторами изменения климата в исследованиях, представленных на ежегодном собрании Американского геофизического союза (AGU). . [84] Они предложили теорию палеоцен-эоценового термического максимума продолжительностью 100 000 лет , который произошел примерно 55 миллионов лет назад. Они утверждали, что произошел огромный выброс метана, который ранее сохранялся стабильным благодаря «низким температурам и высокому давлению... под дном океана». Выброс метана в атмосферу привел к потеплению Земли. Журнальная статья 2009 года в журнале Science подтвердила исследования НАСА о том, что вклад метана в глобальное потепление ранее недооценивался. [85] [86]
В начале истории Земли углекислый газ и метан, вероятно, вызывали парниковый эффект . Углекислый газ мог быть произведен вулканами, а метан – ранними микробами. В это время на Земле появилась самая ранняя жизнь. [87] Согласно статье 2003 года в журнале Geology , эти первые древние бактерии увеличили концентрацию метана, превращая водород и углекислый газ в метан и воду. Кислород не стал основной частью атмосферы до тех пор, пока на более позднем этапе истории Земли не появились фотосинтезирующие организмы. Без кислорода метан оставался в атмосфере дольше и в более высоких концентрациях, чем сегодня. [88]
{{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь ) См. Таблицу 8.7.{{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite web}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)Россия является крупнейшим в мире источником выбросов метана от нефтегазовой отрасли
{{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь )CS1 maint: location missing publisher (link){{cite journal}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)