過(guò)去30年以來(lái)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(yáng)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(guò)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(lái)，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(lái)，地球上氫氣的主要來(lái)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(guò)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(guò)程的副產(chǎn)物。而通過(guò)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(lái)源的氫氣年排放量約增加了400萬(wàn)噸，于2020年達(dá)到每年2700萬(wàn)噸。其他自然來(lái)源，如野火、火山活動(dòng)等則隨年份波動(dòng)，在 1990 至 2020 年間沒(méi)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(wàn)億克，而氫匯則為每年68.4 ± 18.1 萬(wàn)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(guò)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(lèi)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(lái)的氣候影響則取決于人類(lèi)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?？傮w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(kāi)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(mǎn)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(lái)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(yáng)祖濤教授也將在近年展開(kāi)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(yáng)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(jiàn)文章作者所屬單位列表。

大氣化學(xué)：2025年12月31日