Picarro G2311-f | 極地海洋甲烷通量的原位測量
原文鏈接：https://doi.org/10.1029/2023JD040632
引言
海洋覆蓋了地球表面的70%，是地球上最大的碳匯之一。在極地地區(qū)，海洋不僅是氣候變化的受害者，還可能是其推動者。海底下的沉積物中儲存著大量的甲烷，這些甲烷可能通過海底滲漏進(jìn)入水體，并進(jìn)一步釋放到大氣中，加劇全球變暖。但是，由于極地環(huán)境的惡劣和研究條件的限制，我們對極地海洋甲烷排放的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
與此同時(shí)，隨著氣候變暖，陸地貢獻(xiàn)也可能發(fā)生變化，例如由于極地地區(qū)冰融化導(dǎo)致的淡水徑流量的潛在增加，這可能會增加高緯度地區(qū)的甲烷通量。未來的變暖可能會導(dǎo)致冰蓋下甲烷儲層的不穩(wěn)定性，因?yàn)楸w邊緣變薄和冰川退縮，這兩者都可能導(dǎo)致冰前河流中融水的甲烷通量增加。為了更好地了解人為氣候變化目前會如何影響海洋對全球甲烷預(yù)算的貢獻(xiàn)，持續(xù)監(jiān)測海-氣甲烷通量是很有必要的。
研究方法
在這項(xiàng)研究中，研究人員通過分析海-氣甲烷通量數(shù)據(jù)，量化了北極海洋（格陵蘭海、巴倫支海和挪威海）和南大洋（德雷克海峽、斯科舍海、威德爾海、貝林豪森海以及南設(shè)得蘭群島和布蘭斯菲爾德海峽）釋放的甲烷量。研究使用了渦動協(xié)方差（EC）技術(shù)來計(jì)算海-氣甲烷通量，這是一種更直接的推導(dǎo)海-氣通量的方法，因?yàn)檫@種方法可以檢測到直接排放到大氣中的甲烷。EC是測量極地海洋甲烷通量的一種相對較新的方法，因此這項(xiàng)研究為了解極地地區(qū)海洋釋放的甲烷提供了獨(dú)特的新見解。
儀器設(shè)置
在2019年1月至2021年3月間，使用Picarro G2311-f 溫室氣體渦度通量分析儀船載進(jìn)行了大氣甲烷（CH4）的測量。該儀器基于波長掃描光腔衰蕩光譜（WS-CRDS）技術(shù)，以10 Hz的頻率同時(shí)測量CO2、CH4和H2O，然后根據(jù)大氣中CH4測量和風(fēng)速測量的波動計(jì)算海-氣CH4通量。
EC系統(tǒng)安裝在前桅桿的頂部（約20 m高），整個(gè)系統(tǒng)包括一個(gè)三維超聲風(fēng)速儀，一個(gè)運(yùn)動傳感器和一臺Picarro G2311-f 分析儀，所有儀器的運(yùn)行采樣頻率為10 Hz或更高?？諝馔ㄟ^桅桿上的進(jìn)氣口通過30 m長的管子由真空泵以約40 L/min的流量吸入。Picarro分析儀通過一個(gè)顆粒物過濾器和干燥器對空氣樣品進(jìn)行預(yù)處理，干燥器去除了空氣中大部分的水蒸氣，并基本消除了水汽波動，這確保了濕度水平的穩(wěn)定性。每6小時(shí)在進(jìn)氣口注入一股氮?dú)?0秒，以估算時(shí)間延遲。根據(jù)風(fēng)向過濾CH4濃度數(shù)據(jù)，以去除可能受到船舶煙囪影響的數(shù)據(jù)點(diǎn)。
排放不確定性
EC CH4通量的不確定性使用類似于EC CO2通量的方式推導(dǎo)。不確定性的絕大部分來自于隨機(jī)噪聲，其中大部分是由于CH4混合比率的自然變異性。我們不考慮海洋的不穩(wěn)定性，因?yàn)閷δ洗笱蠛捅睒O海洋來說，極不穩(wěn)定的條件很少見。即使在海面比上方空氣溫暖得多的情況下，風(fēng)速通常足夠高，以至于大氣并不遠(yuǎn)離中性。
結(jié)果與討論
極地海洋甲烷排放的直接測量與源匯特征
這項(xiàng)研究利用EC技術(shù)在北極和南極海域進(jìn)行了海-氣甲烷通量的直接測量，這使得研究人員能更準(zhǔn)確地捕捉到甲烷從海洋到大氣的轉(zhuǎn)移過程。研究顯示，在北極（60°N以北）和南極（50°S以南）的大陸架區(qū)域，海-氣甲烷通量顯著，分別為9.17 ± 2.91 μmol/m2/d和8.98 ± 0.91 μmol/m2/d。這些數(shù)值遠(yuǎn)高于大陸架外區(qū)域的通量，表明大陸架區(qū)域是大氣甲烷的重要來源。而大陸架外區(qū)域，北極的甲烷通量為2.39 ± 0.68 μmol/m2/d，相對較低，而南極大陸架外區(qū)域則表現(xiàn)為甲烷的匯，平均通量為-0.77 ± 0.37 μmol/m2/d。這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)了極地海洋在氣候變化中的重要作用，尤其是在甲烷這一強(qiáng)效溫室氣體的循環(huán)過程中。
北極海洋海-氣CH4通量測量圖
甲烷排放的空間分布與海底滲漏的關(guān)系
研究揭示了甲烷排放的空間分布特征，特別是在西斯瓦爾巴群島、南喬治亞島和南設(shè)得蘭群島以及布蘭斯菲爾德海峽周圍發(fā)現(xiàn)了甲烷排放的高值區(qū)域。這些區(qū)域的甲烷通量遠(yuǎn)超過儀器的檢測限，指向了海底甲烷滲漏的可能性。通過使用回聲探測儀收集的數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)在特定區(qū)域確認(rèn)了海底甲烷滲漏事件，如下圖所示，這些圖像顯示了在特定時(shí)間和地點(diǎn)的海底甲烷氣泡上升事件。這些發(fā)現(xiàn)不僅為海底甲烷排放提供了直接證據(jù)，而且突出了海底甲烷滲漏對大氣甲烷濃度可能的重要貢獻(xiàn)。此外，研究還指出了需要進(jìn)一步研究的區(qū)域，以便更全面地了解海底甲烷滲漏的規(guī)模和影響。
聲納探測到的海底甲烷滲漏事件的回聲圖
氣候變化對極地海洋甲烷排放的影響及監(jiān)測的重要性
這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了氣候變化對極地海洋甲烷排放的潛在影響。隨著全球海洋溫度的上升，預(yù)計(jì)極地海洋的甲烷排放量將增加，尤其是在氣體水合物穩(wěn)定區(qū)邊緣的區(qū)域。這種潛在的甲烷釋放可能會形成氣候變暖的正反饋循環(huán)，即更高的溫度導(dǎo)致更多的甲烷釋放，而這些甲烷將進(jìn)一步加劇全球變暖。此外，隨著極地冰蓋的融化，淡水徑流量的增加可能會增加高緯度地區(qū)的甲烷通量。研究指出，持續(xù)監(jiān)測甲烷海-氣通量對于理解人為氣候變化如何影響海洋對全球甲烷預(yù)算的貢獻(xiàn)至關(guān)重要。這種監(jiān)測不僅有助于我們更好地理解當(dāng)前的氣候變化影響，而且對于預(yù)測未來的氣候變化趨勢和制定相應(yīng)的氣候政策和干預(yù)措施具有重要意義。
結(jié)論與總結(jié)
這項(xiàng)研究通過渦動協(xié)方差技術(shù)對北極和南極海域的海-氣甲烷通量進(jìn)行了直接測量，提供了極地海洋甲烷排放的新見解。研究發(fā)現(xiàn)，北極和南極的陸架區(qū)域是大氣甲烷的重要來源，具有相似的平均通量，而陸架外區(qū)域則表現(xiàn)出不同的特性，北極陸架外是甲烷的源，南大洋陸架外則是甲烷的匯。特別是，在西斯瓦爾巴群島、南喬治亞島和南設(shè)得蘭群島及布蘭斯菲爾德海峽等區(qū)域發(fā)現(xiàn)了甲烷排放的高值，這些區(qū)域與海底甲烷滲漏有關(guān)。
該研究的方法和發(fā)現(xiàn)為極地海洋甲烷循環(huán)的研究提供了新的視角，并強(qiáng)調(diào)了未來研究的必要性，特別是在海底甲烷滲漏的長期監(jiān)測和氣候變化對這些過程影響的深入理解方面。通過這些努力，我們可以更準(zhǔn)確地預(yù)測和準(zhǔn)備應(yīng)對氣候變化帶來的挑戰(zhàn)。
