变化中的北极（59）海底冻土融化和甲烷炸弹

2023年1月12日星期四

第一节    甲烷水合物和甲烷羽流

世界各地的海洋中都会产生甲烷（天然气），在海底的低温和高压下，甲烷和水形成甲烷水合物methane hydrate（天然气水合物、可燃冰），这是一种白色固体，质地并不纯净，由于和泥水混合在一起，可见其内部有沉积物。

海底的甲烷水合物的生成和分解是一个双向反应的过程，甲烷水合物一直在分解，向海水中释放甲烷气体。这就是有些海底向外释放气泡的原因之一（另一个原因是海底火山释放二氧化碳）。

这些海底的气泡由于气体较少，在向上升腾的过程中，逐渐被海水吸收，所以大多数在海面并不可见。科学家用声学仪器扫描海洋从海表到海底的剖面，可以见到升腾的气泡逐渐被海水吸收的信号，称为甲烷羽流（methane plume）。

第二节    海底冻土对甲烷水合物的阻挡作用

北冰洋的海底冻土是一个冻结的障碍层，甲烷水合物被封禁在冻土层的下面逐渐累积。不是因为只有冻土层下面生成甲烷水合物，而是冻土层上的甲烷水合物逐渐被释放而减少。

北冰洋的海底冻土受上层海水的热量和地底热量分别从上面和下面加热，逐渐融化，这个过程已经持续了上万年。在融化的过程中，有些薄弱的地方就会被穿孔perforate，位于其下面（和混合在冻土层中）的甲烷水合物（受地底热量）分解释放甲烷。

甲烷是一种温室气体，其温室效能是二氧化碳的25倍左右。最近由于全球变暖，这些因冻土融化释放的甲烷引起的温室效应引起科学家的担忧，并加强了对海底冻土区甲烷的监测。

第三节    甲烷的加速释放

2019年9月，科学家在西伯利亚海发现了上逸到海面的甲烷气泡，称为甲烷喷泉methane fountain。这是有史以来发现的最大的甲烷从海底溢出的现象，气体量之大使得上升过程中海水来不及将其全部溶解，从而形成上升水流。

比这个喷泉更大的是2022年9月26日波罗的海天然气管道事故造成的甲烷喷泉。

第四节 甲烷的爆炸性释放

甲烷在海底溢出后，原来储存甲烷的海底就会塌缩，形成很多麻坑（pockmark），通常直径较小。

但是科学家在巴伦支海和楚科奇海发现了比这大得多的坑，300-1000米直径，深达30 米，坑壁陡峭，伴随这些巨坑的还有土丘。

科学家相信这些大的坑洞是海底甲烷气体聚集形成强大的压力，在上层覆盖物不足以压制这个压力时，就会发生爆炸，形成大型的坑洞并释放大量的甲烷。

这个过程发生在海底，但是其机理和过程与“变化中的北极（38）西伯利亚冰原上的巨坑”极其相似。

人们只是从这些大坑推测有甲烷气体爆发（不是甲烷和氧气混合点燃爆炸）性从海底溢出，但是由于这一事件是瞬间发生的，目前还没有人观测到。

第五节 甲烷炸弹

从全球来看，仅西伯利亚海产生的甲烷就相当于其他海区产生的甲烷总和。

西伯利亚冻土区和北冰洋海底冻土区的融化，北半球北极上空的甲烷浓度在全球都是最高，且正在升高。如下图中2011年11月比2008年11月大气甲烷浓度增加了很多（颜色红了很多）。

有科学家称如果这些冻土加速融化，可能会导致大气的甲烷浓度迅速增加，大大加速全球变暖的进程，随着全球变暖加剧，爆发性的海底和冻原上的甲烷释放可能会更加频繁，有人将甲烷短时间内大量释放到大气中的事件为“甲烷炸弹methane bomb”。

但是有的科学家对此持反对意见，他们认为冻土区的甲烷虽然释放的速度在增加，但会是缓慢而持续的的释放，不会出现爆发性的释放。这个释放的过程中，化能合成细菌会将（能量层级高的）甲烷转化为（能量层级低的）稳定的二氧化碳，大大降低温室效能。由于甲烷浓度保持低值，不会达到电影《流浪地球》中木星甲烷氧气混合物爆炸的场景。