Повишават се нивата на атмосферния метан – и никой не знае защо


Тази история първоначално се появява в Undark и е част от сътрудничеството на Climate Desk.

Всяка седмица десетки метални колби пристигат в лабораторията за изследване на земните системи на NOAA в Боулдър, Колорадо, всяка от които е заредена с въздух от далечен край на света. Изследователският химик Ед Длугокенки и неговите колеги от Глобалния отдел за мониторинг каталогизират кутиите и след това използват серия от високо прецизни инструменти – газов хроматограф, пламъчно-йонизационен детектор, усъвършенстван софтуер – за измерване на количеството въглероден диоксид, азотен оксид и метан всяка колба съдържа.

Тези въздушни проби, събрани в обсерваториите в Хавай, Аляска, Американска Самоа и Антарктика, както и от високи кули, малки самолети и доброволци на всеки континент, идват в Боулдър повече от четири десетилетия, като част от един от световните. най-продължителните програми за мониторинг на парникови газове. Въздухът в колбите показва, че концентрацията на метан в атмосферата непрекъснато нараства от 1983 г. насам, преди да се изравни около 2000 г. "И тогава, бум, погледнете как се променя тук", казва Длугокенки, сочейки графика на компютърен екран. "Това наистина е рязка промяна в глобалния метанов бюджет, който започва от около 2007 година."

Оттогава количеството на метана в атмосферата нараства. И никой не знае защо. Нещо повече, никой не го видя. Нивата на метан се изкачват по-рязко, отколкото очакват експертите по климата, до такава степен „толкова неочаквано, че не е взето под внимание в подготвителните модели на Парижкото споразумение“, както Длогокенки и няколко съавтори отбелязват в наскоро публикувана книга.

Тъй като годините нахлуват, а метанът се натрупва, решаването на тази загадка се превръща в нарастваща неотложност. В продължение на 20 години метанът улавя 86 пъти повече топлина в атмосферата като въглероден диоксид. Той е отговорен за около една четвърт от общото атмосферно затопляне до момента. И докато стабилните увеличения на атмосферния въглероден диоксид и азотния оксид са дълбоко обезпокоителни, те поне съответстват на очакванията на учените. Метанът не е такъв. Метанът – вероятно най-ранният подпис на човечеството за климата – е дивата карта.

Хората произвеждат метан от хиляди години, като разчистват земята с пожари, отглеждат говеда и отглеждат ориз. Благодарение на въздушните мехурчета, уловени в ледени ядра, взети от Антарктика, знаем, че средната глобална концентрация на метан в атмосферата почти се е утроила в отговор. Тъй като трае само около десетилетие в атмосферата, рязането с метан е сравнително бързо действащ лост за забавяне на изменението на климата. Но не е ясно как трябва да държим този лост.

Учените продължават да предлагат конкурентни хипотези, за да обяснят глобалното развитие и няма недостиг на потенциални заподозрени. "Истинското удивително нещо за метана," казва Лори Брухвайлер, изследовател от NOAA, "е фактът, че почти всичко, което правим хората, оказва влияние върху бюджета на метана, от производството на храни до производството на гориво за изхвърляне на отпадъците."

"И тогава, бум, погледнете как се променя тук", казва Длугокенки, сочейки графика на екрана на компютъра си. "Това наистина е рязка промяна в глобалния метанов бюджет, който започва от около 2007 година."

Undark

Хората са пряко отговорни за около 60% от световните емисии на метан. Той прониква от разлагащи се хранителни отпадъци в депата, от анаеробни лагуни от свински тор, от оризови полета и открити въглищни пластове. Животните го разбиват като страничен продукт от тяхното храносмилане. Изтича от огромния метален екзоскелет на нефтени и газови кладенци, помпени станции, тръбопроводи и рафинерии, които преплитат земното кълбо.

Балансът идва от природни източници – влажни зони, реки и езера, горски пожари, термити, геоложки извори, размразяване на вечна замръзналост. Влажните зони са най-големият единичен източник, който допринася с около 30% от общите емисии на метан в световен мащаб. Както се случва, те са и най-големият източник на несигурност по отношение на въглеродния бюджет, според Бенджамин Пултер, изследовател на НАСА и допринасящ за Global Carbon Project, международен консорциум от учени, който публикува една от най-често цитираните оценки на глобалния бюджет за метан. Тази несигурност може да накара дебатът за това, което движи увеличението, да изглежда като високо образована игра за познаеми.

„Има толкова много хипотези и документи с голямо въздействие само през последните две години, които покриват цялата гама от обяснения за причините за това подновяване на растежа“, казва Пулер.

Благодарение на внимателните измервания на учените от NOAA и други, ние знаем, че в днешната атмосфера има около 1850 молекули метан в атмосферата за всеки милиард молекули въздух – обикновено обикновени като части на милиард, или ppb. Това е в сравнение с около 700 части на милиард през прединдустриалната ера. Но процесите зад днешния брой са много по-малко видими. Това е като да знаете крайния резултат от играта, но не кой е вкарал какво и как.

Получаването на отговори не е просто академично упражнение; от решаващо значение е да се знае точно какво може да бъде изправено пред човечеството, докато планетата продължава да се затопля. „Трябва да имаме представяне на процеса, за да разберем тези механизми“, казва Ерик Корт, учен от атмосферата в университета в Мичиган, „така че можем да кажем, например, с някои промени в температурата и хидроложкия цикъл, очакваме метан. без това разбиране, предполага Корт, не сме в състояние да отговорим на някои важни въпроси за това какво предстои. „Увеличава ли се атмосферният метан в резултат на изменението на климата, а не на директните ни емисии? Преминават ли се някои прагове? "

"Това е зъл проблем", добавя Корт, "но не е неразрешим."

Всяко убедително обяснение трябва да отговори на три въпроса. Какво обяснява дългосрочното увеличение на нивата на метан през последните 40 години? Защо имаше пауза? И защо имаше такъв рязък скок след 2006 г.? Само три елемента от глобалния бюджет за метан са достатъчно големи, за да бъдат правдоподобни виновници: микробни емисии (от добитък, селско стопанство и влажни зони); емисии на изкопаеми горива; и химическия процес, чрез който метанът се почиства от атмосферата.

Първата теория, придобила сцепление, обвиняваше изкопаемите горива, въз основа на някои подозрителни срокове: Използването на хоризонтално сондиране и хидравлично разбиване – метод за събиране на заровени въглеводороди, който включва взривяване на дълбоки скали с коктейл от вода, пясък и Химикалите – нараснали в американската петролна и газова промишленост точно по времето, когато атмосферните метанови нива се изстреляха. Други учени, обаче, са убедени, че виновни са растящите стада от добитъка, които произвеждат метан-богати люспи и тор. Някои учени изследват спътниковите данни за доказателства, че производството на метан от природни източници, като влажни зони и горски пожари, се променя.

Други пък твърдят, че виновникът изобщо не е източник, но постоянното, а може би и много внезапното изчезване на традиционния метан “потъва”. След средното време на престой около десетилетие метанът се окислява до въглероден диоксид. и водни пари чрез химични реакции с хидроксилни радикали (ОН). Този процес на отстраняване на атмосферата може да отслабва, но вероятно поради това, че нивата на ОН намаляват поради реакции с други антропогенни замърсители.

Първата теория, придобила сцепление, обвиняваше изкопаемите горива, въз основа на едновременното нарастване на хоризонталното сондиране и хидравличното разбиване. Но не всички са съгласни, че това стои зад метан.

Администрация за енергийна информация

Разбира се, това може да бъде сложна комбинация от всички тези фактори. Някои изследователи твърдят, че по-нататъшното замъгляване на картината е, че скокът в концентрациите изобщо не е скок. По-скоро, казват те, паузата в растежа от 2000 до 2006 г. е истинската аномалия. С това съображение, това, което се случи през 2007 г., беше връщане към „нормалната“ тенденция на антропогенно стимулиран растеж, вероятно утежнена от забавянето на скоростта на химическо отстраняване на метана. Ако е така, тогава метанът ще продължи да се натрупва, като водата в ваната с отворена чешма и запушен дренаж.

Тези продължаващи научни спорове разкриват проблема в сърцето на метанската тайна: Много истории могат да бъдат направени, за да отговарят на наличните доказателства. „Наистина добрите наблюдения могат да се интерпретират по начин, който изглежда противоречив”, казва Корт. За да подредят всичко това, учените трябва да балансират информацията, предоставена от различни категории улики.

Изчисленията отгоре-надолу се основават на наблюдения, използващи сензори на кули, самолети или сателити, и модели, които отчитат транспортирането на емисии от източници и химични реакции с други компоненти на атмосферата. Методите отдолу-нагоре включват измерване на емисиите в близост до източника (кладенец за газ, депо за отпадъци, дори крава на червата) и екстраполиране от тези за оценка на емисиите в по-широки мащаби.

Трасерите също предлагат важни улики. Въглеродният окис се излъчва съвместно с метан от горски пожари и изгаряне на биомаса, а етанът е въглеводород, който често се емитира с метан от производството на нефт и газ. Метил хлороформът е промишлен разтворител, който подобно на метана може да бъде отстранен само от атмосферата чрез взаимодействие с ОН; неговите емисии са много по-известни, така че се използва, за да се заключи колко ОН е в атмосферата. Изследователите разчитат на по-лесни за измерване заместители, за да правят изводи за промени в източниците или поглъщанията на метана. Например, някои посочват наблюдения за увеличаване на концентрациите на етан, за да се твърди, че извличането на изкопаеми горива е доминиращият фактор за метановия скок.

След това има изотопи. След като са анализирани в лабораторията на Dlugokencky, тези проби от въздуха се изпращат до Института за арктически и алпийски изследвания в Университета в Колорадо, където се измерват техните въглеродни изотопи. "Изотопите ви казват колко идва микроби срещу стари термогенни източници, въглерод, който е бил приготвен от земята", казва Брухвайлер. Метанът, излъчван от микробни източници (известен също като биогенни), е по-лек, с по-малко въглероден изотоп С13 по отношение на С12, докато метанът от изкопаеми горива (термогенни) и от изгарянето на биомаса има тенденция да е изотопно по-тежък. Измерванията от INSTAAR и други изследователски институции ясно показват, че метанът на атмосферата става все по-изчерпан в изотопа С13. Това може потенциално да премахне списъка на заподозрените.

А метан гореща точка в американския югозапад – вероятно доказателство за изтичане от природен газ операции.

НАСА / JPL-Caltech / Университет на Мичиган / AP

Все пак всеки тип улики има своите граници. Последната работа на Kort и други постави под въпрос надеждността на етана като полезен, последователен индикатор за метан. Съотношенията на етан към метан варират в широки граници в различните геоложки басейни, а количеството етан, извлечен от природния газ, се променя в зависимост от пазарната му стойност като нефтохимическа суровина. Не всички са убедени и от изотопните данни.

„Много от общността е силно скептично настроена, защото подписите на източниците покриват доста голям диапазон“, казва Даниел Джейкъб, химик от атмосферата в Харвард. Някои източници споделят един и същ набор от изотопни пръстови отпечатъци, което прави трудно различаването на някои изкопаеми и микробни източници. "Изотопите са полезна информация, но аз не бих се обзаложил, че къщата просто гледа на изотопните данни."

Bruhwiler признава, че в изотопния запис има несигурност и много малко изследвания са измерили изотопите на метана от едър рогат добитък и други преживни животни или бълбукащи от влажните зони. Но тя твърди, че изотопите на метана с изкопаеми горива заемат много тесен диапазон от подписи, ограничен в припокриването му с микробни източници.

"При големи глобални скали изотопното ограничение трябва да бъде доста полезно, за да ни каже какво е биогенно и какво е термогенно", казва тя.

Сред всичко това несигурност, има една част от глобалния бюджет за метан, която е по-ясно измерена: емисии от производството на петрол и газ в САЩ. Това до голяма степен се дължи на работата на Стивън Хамбург и Фонда за защита на околната среда.

В началото на 2000 г. Хамбург е професор по екологични науки в Университета Браун. За курса по екология на горите, който преподаваше, той караше учениците да излизат на терен всяка седмица в микробус с природен газ. По-късно той имал прозрение: Макар че изглеждаше по-чиста, по-ефективна опция от бензиново превозно средство, той нямаше представа колко газ може да изтича. Но знаеше, че степента на изтичане има значение за климата. Хамбург разбираше, че метанът е мощен двигател за краткосрочно затопляне и като еколог, той също знаеше, че скоростта на промяната в една система може да бъде също толкова важна, колкото и величината.

Въпреки потенциала си като ускорител на затоплянето, борбата с изтичането на метан все още не беше основен приоритет в политическите среди за климата. "Имаше възможност", казва той, "голям лост, който седи там, който хората все още не могат да видят и използват. Разбрахме, че лостът съществува.

Когато стана главен учен в EDF през 2008 г., той започна да пита за данни за изтичане на веригата за доставки на нефт и газ. – Получих стандартен отговор от компаниите: „Разбрахме го, знаем какво се случва, всичко е наред.“ Тъй като се движех наоколо, нямаше никакви добри данни, които някой да ми покаже, за да го подкрепям. ”

През 2012 г. EDF стартира програма за подкрепа на задълбоченото проучване на изтичането на метан в цялата верига за доставки на петрол и газ в САЩ. Усилията са събрали повече от 140 учени от над 40 различни академични и научноизследователски институции, като са получили повече от 30 публикации, които са рецензирани и са получили много по-фино разбиране за изтичането на метан и къде – от добива на изкопаеми горива в цялата страна.

Кулминационното изследване, публикувано в наука през юли миналата година, използвайки наземни измервания и наблюдения от въздухоплавателни средства, за да изчисли, че емисиите на метан от сектора са с 60% по-високи от оценките от инвентаризациите, поддържани от федералната агенция за опазване на околната среда. Тази цифра представлява процент на изтичане от 2,3% от общото производство на природен газ в САЩ. Скоростта на изтичане от само 4% би отменила ползите от изгарянето на газ вместо въглищата за генериране на електроенергия.

В глобален мащаб обаче данните за неорганизираните емисии на нефт и газ остават оскъдни. Например, има малко измервания на газовите находища в Русия и Иран и много малко достъп до тях. Преди години Хамбург разговаряше с Харвардския учен от Стивън Уофси за проблема. Каква степен на пространствена гранулярност, смятат те, ще са необходими, за да се видят и да се определят течове от нефтени и газови полета и големи съоръжения от космоса?

Така се роди MethaneSAT. Миналата година EDF обяви, че ще построи и пусне на пазара своя собствен спътник за лов на метан. "Метафората, която често използвам," казва Хамбург, "е, че се опитваме да се измъкнем от ръчно изработения малък фабричен модел и трябва да отидем в масово производство. Това е прекалено скъпо и трудоемко за разгръщане на научни екипи [at the global scale]. "

Днес Wofsy е водеща наука в проекта. Със смях се признава, че това е изключително амбициозно начинание – екологична нестопанска организация, която се опитва да реализира проект с мащаб на НАСА. "EDF е много стратегически", казва той с възхищение. "Тяхната цел е да превърнат петролната и газовата индустрия в целия свят до 2025 г."

Неотдавнашната работа на изследователите от Станфорд предполага, че повече от половината от обема на всички емисии на метан от природния газ идват само от най-големите 5% от течовете. Дори ако действителният брой е малко по-нисък, има широко съгласие между изследователите, че справянето с тези „свръх-емитери“ може да бъде най-рентабилната стратегия за намаляване на метана. Но първо трябва да намериш тези перки. MethaneSAT ще търси изтичания на петролни и газови находища, които биха могли да възлязат само на 10 части на милиард, на фона на 1850. – Значи търсите около 0,5%. Ако смятате да измервате 0,5 процента, трябва да имате точност от около 0,1 процента, ”казва Уофси. – И някои хора мислят, че не можете да го направите. Смятаме, че можем – не във всяка точка на полето, а в регионален мащаб. "

Друга безпрецедентна характеристика на MethaneSAT е, че данните, които той улавя, ще бъдат публично достъпни. „Нашият продукт е промяна в петролната и газовата промишленост и това, което мотивира тази промяна, е прозрачна информация за това какво те излъчват“, казва Уофси.

Разбира се, спътникът все още е на чертожната дъска и се появяват много технически препятствия. Дори ако всичко върви по план, MethaneSAT няма да започне да произвежда действителни данни до края на 2022 година.

Все пак има някои доказателства, че може би вече има фокусиращ ефект в някои краища на индустрията. Фиджи Джордж, ръководител на климата и устойчивостта в Cheniere Energy, най-големият износител на втечнен природен газ в САЩ, има дълга кариера в сектора, включително в Shell Oil и Southwestern Energy. "След като имате тази сателитна технология", казва Джордж, "през ​​2022 г. Стив Хамбург може да дойде и да каже:" Хей, това съоръжение, ние го начертахме на всеки 14 минути и намерихме много емисии. "Без да знаем дали това са разрешени емисии или събитие по поддръжката или стохастично събитие – което създава повече несигурност и загриженост и натиск върху индустрията. "

Ако техническите предизвикателства могат да бъдат преодолени, Джордж вижда нови технологии за откриване на метан като нещо, което индустрията трябва да прегърне, ако иска природен газ да има място в енергийния микс от десетилетия, както и в свят, който възприема сериозно целите на Париж за климата.

"Ако това е успешно, пет години след това ще имаме много по-различна перспектива по отношение на възможността да разберем какво прави тези промени" в глобалния метан, казва Уофси. – Тогава някой можеше да построи още един за половината от цената и да го използва за друга мисия. Можете да започнете да ходите след земеделските източници, сметищата, влажните зони. Можеш да ги погледнеш.

Въпреки че все още няма окончателно обвинение, общността на детективите на метан изглежда се приближава към изключването на един ключов заподозрян. "Атрибуцията, която беше доста популярна преди няколко години, увеличаваше природния газ", казва Даниел Джейкъб, цитирайки комбинацията от изотопни доказателства и модели на атмосферна инверсия от неговата група и други. – Това накара вятъра да избута малко от платната си. Наистина не виждаме доказателства за това. "

"Личното ми усещане е, че доказателствата са силно насочени към естествения биогенен източник зад увеличаването."

Някои изследователи, като например Робърт Хауарт от Корнел, остават убедени, че неорганизираните емисии от производството на петрол и газ – особено fracking – са систематично подценявани и вероятно са зад глобалния скок. "Това е непреодолима история", казва Пеп Канадел, изпълнителен директор на Global Carbon Project, "но по-голямата общност не подкрепя това мнение."

В влиятелна хартия за 2016 г. в природаГоляма група учени, водена от Стефан Швиецке, бивш учен от NOAA, който сега работи за EDF, събра най-големия набор от дългосрочни данни за изотопите от всички метанови източници – микробни, изкопаеми горива, изгаряне на биомаса. Те открили, че емисиите на метан от изкопаеми горива са били поне с 60% по-високи от предишните най-добри оценки, но не са се увеличавали с времето.

Това е противоположна точка на пристигане. Течовете за нефт и газ не са отговорни за глобалното разрастване, но те са много по-голям проблем, отколкото се смяташе преди. А включването им остава един от най-възможните начини за намаляване на метана. Международната агенция по енергетика изчислява, че до 50% от изтичането на метан в нефт и газ може да бъде фиксирано при нулеви нетни разходи.

Дори като подозрения премествайки се от изкопаеми горива, те се сливат около тропическите влажни зони, най-големия глобален източник на метан. "Когато метанът започна да се покачва, малко след това C13 започна да се понижава", казва Длугокенки. Каквото и да води до увеличаване на концентрациите “трябва да бъде източник на метан, който е по-лек от средната смес от емисии в атмосферата. Какво може да направи това? Микробни източници като влажни зони или преживни животни. "

Тропическите влажни зони могат да бъдат единственият източник, който е достатъчно голям и динамичен, за да обясни както величината, така и внезапността на скока. Малко вероятно е броят на животните, другият голям биогенен източник, да се е увеличил достатъчно бързо, за да го обяснят.

Карл Де Соуза / AFP / Getty Images

Производството на метан от влажни зони обаче може да се променя бързо от година на година в отговор на метеорологични промени. Микробите във влажните зони могат да произвеждат повече метан в отговор на увеличените валежи, или по-високите температури, или и двете. Или влажните зони могат да се разрастват в района, наводнявайки все повече и повече земни площи, независимо дали това се дължи на събития в Ел Ниньо или други климатични променливи.

„Влажните зони са крайната потенциална обратна информация за въглеродния климат, която не разбираме напълно“, казва Канадъл. Учените са съгласни, че моделите на тези процеси се подобряват, но все още се нуждаят от много повече работа.

За да направят карта на разпределението на влажните зони, изследователите са разчитали на стари аеронавигационни карти със съмнителна точност, казва Bruhwiler. Те също използват сателитни изображения за идентифициране на области, които са наводнени на сушата, но те са с ограничена употреба в тропиците, където горната растителност и тежката облачна покривка могат да маскират стоящата вода. И учените все още знаят много малко за различните изотопни сигнатури на микробния метан от влажните зони.

В дългосрочен план, съвместните усилия на ЕФР за проучване на изтичането на нефт и газ, Ерик Корт вижда потенциална пътна карта за проучване на тези източници на несигурност. "Тази серия от целеви проучвания, които разглеждат петролни и газови басейни в редица мащаби, подобриха нашето разбиране за емисиите и процесите, които контролират това", казва той. „Същите подходи за измерване могат да се използват за подобряване на разбирането ни за влажните зони.“

„Личното ми усещане е, че доказателствата са силно насочени към естествения биогенен източник, който стои зад увеличаването“, казва Bruhwiler. "И ако това е вярно, това е важно, защото може да е индикация, че има обратна връзка между климата и естествената земна биосфера и затоплянето."

Тъй като светът се затопля, а части от него се омокрят, микробите в тропическите влажни зони ще кашат още повече метан? Дали онези, които зимуват в Арктика, ще освободят повече от този огромен запас от замразени въглерод като метан, отколкото въглеродния диоксид, стимулирайки по-нататъшното затопляне? Такива механизми за обратна връзка с тренировъчния влак са елементите на глобалната климатична система, която поддържа учените будни през нощта. „Най-важният научен въпрос, с който се сблъскваме сега, е въпросът за обратните връзки с въглеродния климат“, казва Брухвайлер. – Въпросът, който наистина е важен, е какво става по пътя?

Ето защо решаването на мистерията на метана е от значение. Търсенето на човешки пръстови отпечатъци върху тези „естествени” метанови източници ще ни помогне да разберем какво може да бъде в бъдеще. Дори и ако новите инструменти за откриване окончателно идентифицират влажните зони като основен двигател, нашата задача ще остане същата: в допълнение към бързото намаляване на въглеродния диоксид и други парникови газове, намаляват емисиите на метан колкото е възможно по-бързо от тези източници, които можем да контролираме.

Въпреки всички спорове за това, което води до нарастване от 2007 г. насам, казва Корт, „по-дълги срокове няма никакъв дебат. Това се дължи на човешките дейности. През последните 40 години увеличението през този период се описва най-добре с антропогенни емисии. Тези твърдения не са наистина противоречиви.

„Най-важното, което подчертаваме, докато подреждаме този научен дебат“, казва Хамбург, „е, че тя по никакъв начин не намалява способността за смекчаване на метана от определени източници и за да разбере тяхното въздействие върху климата“. означава агресивно намиране и отстраняване на течове от нефтената и газовата инфраструктура, казва той. Това също така означава да променим начина на отглеждане, консумация и изхвърляне на храна, подчертава Пеп Канадел.

Две нови проучвания, публикувани през февруари, засилват неотложността на включването на течове. В своята неотдавнашна статия, Dlugokencky и колегите заключиха, че независимо от това дали се дължи на промяната на мивката или промяната на тропическите влажни зони, подновяването на растежа в метана се планира да достигне целта да се задържи под две степени на затопляне над доиндустриалните нива – договорената цел Местът на метана оставя много по-малко място – и по-малко време – в нашия глобален бюджет за емисии, отколкото очаквахме.

Друго ново проучване, обаче, предлага известна надежда, цитирайки моделиране, което показва, че намаляването на антропогенните емисии на метан все още може да компенсира „естественото” изтичане, което размразяването на Арктика ще произведе при по-високи температури. Ако е вярно, това би означавало, че катастрофалната обратна връзка – в която човешките емисии на парникови газове стопяват вечно замръзналата планета, превръщайки я от огромна единица за съхранение на въглерод в огромен нов източник на метан, затоплящ планетата, което може да доведе до по-нататъшно затопляне. да се предотврати. Но учените също казват, че времето, което е на разположение за избягване на сценария с беглец-влак, бързо изчезва.

"В крайна сметка," казва Canadell, "метанът се покачва и не изглежда така, че скоро ще спре."


Още страхотни истории