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全球暖化未爆弹,埋藏在海底的甲烷冰

2020-06-18 点赞:795 浏览量:733
全球暖化未爆弹,埋藏在海底的甲烷冰

全球暖化让你越来越有感吗?除了减少二氧化碳排放,甲烷也是科学家关注的温室气体,特别是埋藏在海底的甲烷冰。

甲烷也是温室效应的重点

通常,大家在讨论地球暖化时都会先想到二氧化碳的影响。这是因为近年地球暖化加剧的主因就是工业革命之后,大量的二氧化碳等温室气体逸散到大气,改变大气浓度的组成。但是在温室气体(会造成温室效应的气体)中,甲烷对于温室效应的影响力其实紧接在二氧化碳之后。

含量第二  但效果是第一名的 25 倍

虽然甲烷在大气中的含量不比二氧化碳来得高(根据统计,2015 年美国排放的温室气体,二氧化碳占 82%,第二名的甲烷则为 10%),但一个单位分子的甲烷可产生的温室效应效果,却是二氧化碳的 25倍。

全球暖化未爆弹,埋藏在海底的甲烷冰

 甲烷冰是甲烷和水分子构成的结晶,外观看起来像是冰块却可以燃烧。绿色球体代表甲烷,紫色小球是水分子,只有特定的立体结构才能组成稳定的甲烷冰。

发现甲烷的新形态:甲烷冰

甲烷冰(Methane hydrates)是甲烷水合物的别名,看起来像冰块却又可燃,所以又称为「可燃冰」(flammable ice 或 burning ice)。因为甲烷冰一定要在高压低温的环境下才能稳定存在,所以甲烷冰多半蕴藏在海床里。

科学家认为,甲烷冰是自然界「储存」甲烷的方式:甲烷可以和水结合形成甲烷冰,储存在海床里,才能让大气中的甲烷含量维持在一定浓度,达成平衡。而且,1 立方公尺的甲烷冰蕴含的甲烷含量,是一大气压下气态甲烷的 164 倍。

全球暖化未爆弹,埋藏在海底的甲烷冰

 这是刚从海底开採出来的甲烷冰,外观看起来就像白色的冰块。

开採过程一个不小心  就会加剧温室效应

然而,只要甲烷冰一离开低温高压的环境,甲烷冰中的甲烷和水就会分开。

这让甲烷冰的开採出现难题:只要开採过程不小心让甲烷从甲烷冰释放出来,就会让甲烷逸散到大气,加剧温室效应,让地球暖化更严重。

全球暖化未爆弹,埋藏在海底的甲烷冰

 现在有德国科学家发现,比起地球暖化,挪威的冰河更容易让甲烷冰分解。图为 2016 年,挪威的布隆史川德冰河(Blomstrand Glacier)。

海水温度上升  加速甲烷冰融化?

同时,科学家也担心全球暖化让海水温度上升,是否会让蕴藏在海床的甲烷冰融化,如果甲烷因此逸散到大气,就会加剧全球暖化的速度。

但在找出海水温度上升是否会让甲烷冰融化之前,科学家必须要先找出甲烷冰能稳定储存在海床里的原因,或其他可能会让甲烷冰融化的因素。

冰河沉降比暖化更厉害

德国的基尔亥姆霍兹海洋研究中心(Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel,GEOMAR)研究团队发现,挪威冰河大幅沉降比起暖化的海水温度更会使甲烷冰变成甲烷和水。

全球暖化未爆弹,埋藏在海底的甲烷冰

 研究团队为了要找寻甲烷冰和冰河沉降之间的关联,来到挪威。因为挪威的海底有不少麻坑地形,科学家认为麻坑形成和地底的气体有关。图为麻坑地形样貌。

研究就从麻坑开始

研究团队首先来到挪威的聂加(Nyegga)地区,他们认为这个地方是最适合研究海床上气体和液体动力学的地方。这里除了蕴含大量甲烷冰,海底还有不少像火山口的麻坑(pockmark),麻坑和蕴藏在地底的气体有关:当地底气体要爆发出来的时候,就会形成麻坑地形。

选择聂加地区当研究开始还有另一个原因:因为这个地方已有不少现成的测量数据,能省下许多力气。

最后一次冰河期  甲烷冰变得不稳定

研究团队利用最后一次冰河时期(距今 3 万到 1 万 5,000 年前)的数据进行电脑模拟,因为冰河时期短时间内就能累积大量沉积物,且冰河时期海平面上升,就会增加海底压力。

结果发现,原本蕴藏在海底的甲烷冰变得很不稳定,有很多甲烷从甲烷冰里跑了出来。

全球暖化未爆弹,埋藏在海底的甲烷冰

 左图为甲烷冰层很稳定的层层堆积在海床上,底下的黄色圆点代表气体分子。如果地层受到挤压(红色箭头),原本蕴含在地层底下的气体(黄色圆点)就会像火山爆发一样离开海底。地层受到挤压,同时也会有地方(墨绿色)塌陷,从外面看起来表面就会出现一个坑一个坑的样子,形成麻坑地形。

因为变化速度太快

研究团队的卡斯坦斯博士(Dr. Jens Karstens)表示,甲烷冰只会稳定存在于特定水深,当有大量沉积物产生时,甲烷冰就会从最底部开始解离成甲烷和水,同时,又会在最上层形成新的甲烷冰。

然而,如果海底的甲烷浓度已经饱和,再加上变化速度太快,这些从甲烷冰底部解离出来的甲烷,就不会在上层形成新的甲烷冰,而会直接逸散出去,就像这次的模拟结果。

甲烷冰还可以阻止海啸发生?

另一方面,1990 年代起科学家也注意到在海底大陆坡藏有大量甲烷冰。

海底大陆坡的甲烷冰常会误认成是水泥,于是科学家推测,这些在大陆坡的甲烷冰有强化地盘的效果,让大陆坡不容易鬆动、滑移而引发海啸。

全球暖化未爆弹,埋藏在海底的甲烷冰

 科学家猜测,如果海床的甲烷冰可让地盘更稳固,那个地方就不容易引发海啸。图为 2018 年在美国加州高速公路旁的海啸注意标誌。

不,甲烷冰让地盘鬆动了

GEOMAR 的团队又接着进行下一个实验,结果发现甲烷冰真的和海底地盘滑移有关。但甲烷冰并没有让地盘变得更坚固,反而间接让沉积在甲烷冰上层的地盘鬆动了。

这个水深不对

GEOMAR 的埃尔格博士(Dr. Judith Elger)解释,他们注意到水深不太对。不论海水温度升高或海平面下降,甲烷水合物一开始先从大陆坡的上层开始解离,但是最常见的海底地盘滑移是发生在更深的位置。

全球暖化未爆弹,埋藏在海底的甲烷冰

甲烷冰层让地层更容易鬆动的示意图。右下角深褐色的区域是地下稳固的地层,和土黄色地层之间夹着甲烷冰层。如果甲烷冰层出现裂缝,让气体可以逸散到海洋(右上角蓝色气泡),就会让甲烷冰层以上的地层鬆动、坍方。

撑不住就会有裂缝

研究团队发现,如果甲烷冰在海底形成坚固的不透水层,就能让气体和其他流体在不透水的甲烷冰层底下自由活动。但随着时间经过,甲烷冰层底下的流体压力过大,甲烷冰层支撑不住就会产生裂缝。

裂缝释放了压力

这些甲烷冰层的裂缝变成底下流体的通道,让压力可以释放、转移到甲烷冰层上的沉积层,就使甲烷冰层上的沉积层鬆动、坍方。

全球暖化未爆弹,埋藏在海底的甲烷冰

GEOMAR 的研究团队利用斯瓦巴群岛 3 万年前的地震波数据,进行这次的甲烷冰研究。图为斯瓦巴群岛的朗伊尔城。

从地震波看见裂缝

研究团队表示,他们以 3 万年前的斯瓦巴(Svalbard)群岛水深 750~2,200 公尺的地震波数据进行电脑模拟。

从电脑模拟的结果,可从地震波数据看到甲烷冰层裂缝产生的流体通道。

全球暖化未爆弹,埋藏在海底的甲烷冰

要实际观察海床的甲烷冰,就必须要潜入海底钻取。

研究还没结束

GEOMAR 的研究发现海底的甲烷冰层对冰河沉降和地质鬆动之间的关係,这些都是之前不曾考虑过的因素。

埃尔格博士表示,接下来可以利用历史地震波数据,来调查其他地区的海底是否也有类似甲烷冰层的裂缝。

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