顶刊《自然》发文揭示大气氢气变化：人类排放与气候响应的新证据

近日，美国加州大学欧文分校John D. Patterson团队研究了过去1100年大气H2的变化。该项研究成果发表在2026年2月4日出版的《自然》杂志上。

若氢能源技术作为绿色能源转型的一部分被广泛采用，预计人为排放的氢气（H2）将有所增加。尽管大气中的氢气本身不具辐射效应，但它会通过对甲烷、臭氧和水蒸气的化学作用加剧全球气候变暖。预测大气对人为扰动的响应具有挑战性，部分原因是现代仪器观测记录的时间跨度有限。对冰芯中氢气的测量可拓展观测记录，为研究长期尺度下人为与自然扰动对氢气水平的影响及其生物地球化学调控机制提供依据。然而，由于氢气在冰体中具有高渗透性，冰芯氢气测量难度较大。

研究组基于格陵兰岛冰芯样本，重建了过去千年大气氢气的历史记录。数据显示，从工业化前到现代社会，大气氢气浓度上升了70%至111%（2σ置信区间），这与化石燃料燃烧直接排放的增加以及大气中氢气前体物浓度的上升趋势一致。工业化前的记录还显示，小冰期期间氢气水平下降了4%至25%（2σ置信区间），表明氢气生物地球化学过程可能对气候变化具有敏感性。研究结果提示，在评估人为氢气排放增加对辐射强迫的影响时，需充分考虑氢气的源与汇对气候变暖的敏感度。

1 科学问题

如何克服 H₂ 在冰中高渗透性带来的技术挑战，获取可靠的古大气 H₂ 记录？

工业化以来人类活动对大气 H₂ 浓度的影响有多大？

小冰期期间 H₂ 浓度下降的主要驱动因素是什么？是否反映 H₂ 源汇对气候变化的敏感性？

未来若大规模推广氢能技术，其气候效应应如何评估？

2 研究方案

冰芯钻取与处理：

2024年在格陵兰 Summit（73°N, 38°W）钻取长331 m的浅冰芯。

样品在钻取后48小时内现场完成气体提取，避免后期扩散污染。

部分样品保存于硼硅玻璃瓶中，运至实验室复测。

气体分析：

使用配备氦光电离探测器的气相色谱仪同步测定 H₂ 和 Ne。

共分析114个冰芯样品，深度覆盖79–330 m，平均分辨率2.2 m。

年代标定与校正：

通过冰芯甲烷记录与已发表格陵兰冰芯甲烷序列对比，建立气体年龄-深度关系。

利用 Ne 在冰中的渗透行为与 H₂ 相似的特点，以 Ne 耗损校正 H₂ 数据。

校正重力分馏效应（H₂ 约1.1%，Ne 约0.3%）及气泡封闭过程中的分馏。

模型模拟：

采用八盒子大气模型，输入历史源汇数据（光化生产、生物质燃烧、土壤沉降等），模拟 H₂ 浓度变化。

通过对比模拟结果与重建记录，探讨小冰期 H₂ 下降的可能机制。

3 结论

主要发现：

工业化前（1500 CE以前）格陵兰上空大气 H₂ 平均浓度为 332±20 ppb，较现代低约200 ppb。

小冰期期间（1500–1800 CE）H₂ 浓度下降约50 ppb，最低至 284±30 ppb。

模型模拟表明，小冰期 H₂ 下降可能主要源于生物质燃烧排放减少（约每年减少7.4 Tg H₂），同时土壤沉降过程的变化也可能起到一定作用。

气候意义：

H₂ 虽非直接温室气体，但可通过延长甲烷寿命、影响臭氧和水汽等间接作用产生辐射强迫（约0.68–0.84 mW m⁻² per Tg H₂ per year）。

小冰期 H₂ 下降提示其生物地球化学循环对气候变冷敏感，未来若全球变暖加剧，H₂ 源汇响应可能进一步影响其大气浓度及气候效应。

不足与展望

当前重建基于单一格陵兰冰芯，空间代表性有限，未来需结合南极冰芯记录进行对比验证。

生物质燃烧与生物源非甲烷挥发性有机物（NMVOC）排放的贡献在模型中难以完全区分，需更多代理指标约束。

土壤沉降过程对气候变化的响应仍存在较大不确定性，需更高分辨率的气候模型与沉积速度参数化改进。

地质源 H₂ 排放（约每年23 Tg）是否显著影响历史收支尚不明确，需更多观测与模拟工作。

DOI: 10.1038/s41586-026-10099-1

Source: https://www.nature.com/articles/s41586-026-10099-1

期刊信息

Nature：《自然》，创刊于1869年。隶属于施普林格·自然出版集团，最新IF：69.504 官方网址：http://www.nature.com/ 投稿链接：http://www.nature.com/authors/submit_manuscript.html

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