甲烷（CH4）作为温室气体主要组成之一，它对地球大气和气候具有多方面的影响。在本篇文章中，我们将深入探索甲烷的复杂世界，探讨其源汇以及一系列测量技术。
甲烷，有时被称为天然气，在大气中有着巨大的影响。它是一种强效温室气体，在100年内的全球变暖潜力是二氧化碳（CO2）的25倍以上。它捕捉大气中热量的能力，大大加剧了温室效应（占人为温室效应的20-30%），影响了气候模式，并导致全球变暖。它还间接影响了空气质量。甲烷排放通常伴随着其他污染物，导致二次污染物的形成，例如地面臭氧。这些污染物可能对呼吸系统健康和整体空气质量产生不利影响。从融化的永久冻土中以及从海洋中不稳定的甲烷水合物中释放的甲烷，构成了潜在的反馈机制。随着地球变暖，这些一度稳定的储存库会释放出额外的甲烷，从而进一步加剧温室效应。
图2：甲烷排放源（Mt）
©国际能源署（IEA），甲烷排放源，国际能源署，巴黎
https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/sources-of-macet-emissions-4918，国际能源署。许可：CC BY 4.0
如图2所示，各种自然来源和人为来源的甲烷，导致大气中的甲烷浓度不断增加（过去200年，大气中的甲烷浓度已经翻了一倍以上）。甲烷从湿地、海洋和地质过程等各种自然来源中释放出来。在释放到大气中的甲烷中，自然排放占很大一部分，人类活动则扮演着重要的角色。化石燃料开采和加工、牲畜消化（肠道发酵）、水稻种植以及垃圾填埋场有机废物的腐烂，都是甲烷的主要人为来源。据估计，如今60%的甲烷排放量是由人类活动引起的，导致大气中的甲烷浓度超过1920 ppb（2023年1月）。
另一方面，与二氧化碳相比，甲烷在大气中存在多种吸收汇，寿命较短，约为10年。它通过在对流层中，与羟基自由基（OH）的氧化作用而从大气中去除。土壤细菌和其他微生物过程也在甲烷去除中发挥作用。了解这些吸收汇机制对于预测甲烷在大气中的寿命至关重要。
最近，甲烷在大气中寿命较短的这一特性，加上卫星观测项目的最新发现，使人们对甲烷产生了浓厚的兴趣。尽管《巴黎协定》中甚至没有提到甲烷，但它却成为了COP23 期间最有前景的话题。与二氧化碳相比，减少甲烷排放量相对容易，而且减排效果在几年内就可以显现出来。因此，减少人为排放是在2040年前将全球升温限制在0.3°C的最具成本效益的方法之一。对此，CH4排放量应减少约45%（180Mt/年）。
第一个快速且廉价的减排方法是避免超级排放事件。一个基于卫星的项目观测到，超级排放事件对气候的影响远超荷兰的温室气体排放总量。在许多情况下，这些泄漏很容易修复。图3显示了土库曼斯坦12个邻近的超级排放源，流量为50.400 kg/h。
图3：在土库曼斯坦哈扎尔东部、里海的一个港口城市，有12股甲烷羽流向西流动。这些羽流由NASA的地球表面矿物粉尘源调查（EMIT）卫星发现，其中一些绵延超过20英里（32公里）。
图源：NASA/加州理工学院喷气推进实验室
为了支持和验证这种卫星监测，我们需要对甲烷浓度进行准确的地面测量。这对于了解甲烷的源汇以及对环境的整体影响至关重要。其中，最常见的技术如下：
半导体金属氧化物传感器：
半导体金属氧化物传感器通过测量金属氧化物暴露于甲烷气体时的电阻变化，来检测甲烷浓度。这些传感器以耐用性和低成本而著称，适用于便携式设备。主要缺点是，选择性较低，并且需要较高的工作温度。
电化学传感器：
电化学传感器通过测量甲烷在电极表面上的电化学反应所产生的电流，来检测甲烷。其优势在于，灵敏度高，能够进行连续监测。主要缺点是，其性能可能会受到湿度、温度和其他气体存在的影响，需要定期校准和维护。
光腔衰荡光谱法（CRDS）：
CRDS通过分析光在光腔内的衰减时间，来检测甲烷浓度。它具有较高的灵敏度和精确度，适用于实验室和现场测量。主要缺点是，设备成本高且需要专业技术知识。
质子转移反应质谱法（PTR-MS）：
PTR-MS通过检测质子转移反应期间形成的离子的质荷比，来检测甲烷。这种方法可提供实时、灵敏的测量，非常适用于大气监测。主要缺点是，会受到其复杂性和成本的限制。
气相色谱法：
这种基于实验室的方法通过将样品中的甲烷与其他气体分离开来，提供详细的浓度和同位素组成信息。其优势在于，具有准确性和分析复杂混合物的能力。主要缺点是，需要复杂的设备和熟练的操作，只能在实验室环境中使用。
图4：MIRO Analytical的多合一气体分析仪MGA能够以高精度同时监测OCS 和其他9种气体，不受干扰影响。
MIRO Analytical使用中红外区域的直接激光吸收光谱（LAS）技术，来监测甲烷以及多达9种其他气体。该技术具有高灵敏度、选择性和实时监测功能，非常适合捕捉甲烷浓度的动态变化，就像在涡流协方差测量中所做的那样。其精确性、广泛的动态范围和非破坏性的特点，有助于有效提供准确可靠的数据。LAS技术可以直接测量甲烷，不容易受到其他气体的干扰，因此适用于研究、大气和环境监测以及工业领域的各种应用。
甲烷在温室效应、空气质量和全球气候中扮演着错综复杂的角色，必须进行全面的了解和精确的测量。从自然来源到人为超级排放源，从大气去除甲烷的过程，到潜在的反馈机制，甲烷的研究仍然在环境科学占有重要的一席之地。
本年度我们对影响世界的分子的探索就此告一段落，让我们反思一下，借由精确测量来扩展知识，对更有效地应对气候变化是多么重要！
如您对我们的应用感兴趣
欢迎扫描下方二维码，填写表单
布鲁克光谱｜400-777-2600