最近的一项研究表明，在过去的150年中，大气中的氢气含量增加了 70% 以上。

该研究成果于北京时间8月24日发表在国际知名学术期刊《美国科学院院刊》上。论文题目是《H2 in Antarctic firn air: Atmospheric reconstructions and implications for anthropogenic emissions》（南极冰盖中的氢气：大气重建及人为排放的影响），通讯作者是加州大学博士John D. Patterson。

为什么要了解氢含量的历史变化？“我们认为大气氢的重构类似于著名的二氧化碳“基林曲线”（一条反映大气二氧化碳含量变化的曲线）。自1950年代以来，人们继续监测大气中的二氧化碳含量，并记录化石燃料的燃烧如何增加了二氧化碳的含量，然而，氢没有类似的记录。”

“冰盖的大气重建显示了人类在上个世纪如何破坏大气中的氢气循环，随着氢气成为一种常见的能源，预计人造氢气排放量将急剧增加，了解人类如何破坏大气中的生物地球化学循环氢是了解未来排放增加后果的重要一步。”（生物地球化学循环：每种元素从环境沿着特定的路径进入生物体，然后返回环境）

因此，通过建立基准，重建过去的大气氢水平可以帮助量化自工业革命以来人为排放对全球氢的影响。

氢气在大气中的寿命为2年，它影响温室气体的寿命和对流层臭氧水平。例如，它将增加大气中甲烷的寿命，对流层氢与羟基（OH）反应会增加臭氧；平流层氢与羟基反应会增加水蒸气和超氧化氢，会破坏平流层臭氧，臭氧损失和极地平流层云分布变化产生间接辐射效应，水蒸气也会通过增加红外吸收产生直接辐射效应。

目前，大气中氢气的丰度平均为 530 ppb（即十亿分之530）。事实上，大气中氢气的“平衡”是由自然因素和人为因素共同决定的。

在全球范围内，最大的氢气来源是甲醛的光解，它是由大气中甲烷和非甲烷总烃（NMHC，除甲烷以外的所有烃的总称）氧化形成的。其他主要来源是化石燃料燃烧和生物质燃烧（如秸秆、锯末等）的直接排放。此外，在陆地和海洋上固定氮也是氢的一个小来源。

在消耗方面，大气中的氢主要被土壤微生物吸收，其余被羟基氧化，由于南半球陆地较少，其氢含量比北半球高约3%。

在这项研究中，研究人员分析了南极冰层中的空气，检查了大气中的氢浓度，并重建了过去 150 年来的大气氢水平。

研究人员在南极洲中部的 Megadunes（80.78°S，124.49°E，海拔 2,283m）钻了一个 70 m 深的冰芯，以从冰盖中收集空气样本，研究人员测量并模拟了 Megadunes 冰芯空气，并重建了 1852 年至 2003 年南半球大气中的氢含量。

大气中氢的重建和 Megadunes 冰盖空气深度剖面

“在这项研究中，我们需要克服两个主要障碍：首先，氢分子很小，它可以以非常快的速度扩散通过冰晶（与大多数其他气体不同）。这是对氢通过冰柱运动的模拟，提出了独特的挑战。第二，氢测量的校准很困难，因为标准往往会发生漂移，这项工作所依赖的测量是在漂移被很好地量化之前进行的，校正测量校准漂移是我们的一个重要且具有挑战性的部分工作。” Patterson说。

论文指出，Megadunes 的大气重建验证了南极冰盖的空气记录，为氢的历史和冰盖中高渗透气体传输的建模提供了信心。

分析表明，大气中的氢含量在19世纪中后期保持不变，约为330ppb，到2003年稳步上升约70%，达到550ppb，大气氢的增加与甲烷氧化的增加和人为排放的增加是一致的。

汽车尾气被认为是人为氢排放的主要来源（估计汽车尾气占人为氢排放量80%以上）。 1970年代以后，由于空气污染控制更严格，汽车尾气催化转化器的使用增加，汽车排放量减少，大气中的一氧化碳水平下降。然而，在20世纪末，大气中的氢含量继续上升，对此论文指出，非汽车的人造氢排放量很可能被低估，需要额外的氢源来解释这一上升趋势。

20世纪全球氢源与大气历史

值得注意的是，闪烁瓶空气测量显示，整个20世纪后期南半球大气氢含量单调上升，而北半球氢含量稳定——这种差异有点令人惊讶。

“正如论文中提到的，人为氢气排放集中在北半球，因此北半球氢的可靠记录将有助于更好地了解人为排放的变化。然而，现有的冰盖空气记录与大气测量结果相矛盾。

Megadunes 说，“下一步，我们将使用格陵兰多个地点的冰盖空气测量结果来重建北半球的氢含量，以解决这一差异。”