地球大气氢气浓度1100年变化特点《自然》

首条历史时期大气氢气浓度冰芯记录。基于冰芯重建的氢气记录表明，大气氢气浓度会随气候变化而波动，且自前工业时代以来，因人类活动影响已大幅上升。在预估气候变暖背景下人为氢排放增加所带来的影响时，应考虑氢气循环对环境条件的显著敏感性。

问题

大气中的氢气因其化学反应性，会对地球气候产生增温效应¹。随着氢能技术在能源领域中占比不断扩大，人为氢排放预计将大幅增加²。要预测氢排放上升对气候和大气环境带来的影响，必须深入理解其背后的生物地球化学过程。然而，现代仪器观测的氢气浓度记录在时间尺度上十分有限，难以有效验证氢气循环相关的科学理论³。

冰芯测量可以延长历史记录，为氢气生物地球化学研究提供关键约束条件。但此前一直未能建立氢气浓度的冰芯记录，原因在于氢气分子体积小、在冰层中迁移性强，带来了独特的分析难题。此外，与大多数其他气体不同，储存的冰芯样品中的氢气会与现代大气发生交换，从而污染古大气信号。

研究发现

2024年6—7月，我们在格陵兰岛萨米特站钻取了一段全新冰芯，深度达330米。为避免样品在储存期间与现代大气发生交换，我们在冰芯取出后48小时内完成气体提取，并使用气相色谱仪在现场对氢气进行分析。通过将新冰芯的甲烷测量结果与已有的冰芯甲烷记录进行比对，建立了冰芯的年龄–深度标尺，其中最深处冰层的年代约为公元900年。我们对定年后的氢气测量数据进行了统计平滑处理，得到了全球首条历史时期大气氢气浓度变化的冰芯记录。

该记录显示，公元900—1500年间，格陵兰上空大气氢气浓度基本稳定在约330 ppb（十亿分之一）（图1），远低于现代观测值（约540 ppb；详见go.nature.g.sjuku.top/4rj2av7）。在1500—1800年，即北半球大范围降温的小冰期，重建的氢气浓度降至约285 ppb（图1）。1800年之后，氢气浓度稳步上升，并在1990年前后达到现代水平。

图1｜基于新冰芯测量重建的历史大气氢气浓度变化。

2024年在格陵兰萨米特站钻取的冰芯中定年后的氢气（H₂）测量值及不确定度（蓝色圆点与误差线）、平滑后的大气历史变化及不确定度（蓝色阴影区）、已发表的格陵兰地区积雪氢气浓度历史记录及不确定度⁴（绿色曲线与阴影区），以及萨米特站现代年均氢气浓度（品红色星号；详见go.nature.g.sjuku.top/4rj2av7）。插图为20世纪变化的放大图。ppb = 十亿分之一。

两条记录重叠的40年间，本冰芯记录与已发表的格陵兰地区粒雪层氢气浓度数据集⁴吻合度很高（图1插图）。

结果解读

这条冰芯记录揭示了人为活动与气候变化共同对大气氢气循环产生的影响。1800年之后大气氢气浓度的上升趋势，与化石燃料燃烧导致人为排放增加的预期基本一致——化石燃料燃烧会直接产生氢气及其前体物。小冰期期间氢气浓度下降，表明氢气生物地球化学循环对气候变化十分敏感。这意味着，未来气候变暖可能会改变大气对人为排放变化的响应方式。

小冰期大气氢气下降的一个合理解释是：生物质燃烧排放大幅减少，这一结论也可从冰芯中其他痕量气体的测量结果得到佐证⁵。不过，大气氢气循环过程极为复杂，我们在推断历史生物地球化学变化时所采用的假设，会对结论的可靠性带来一定限制。

氢气循环中一个关键的不确定来源是土壤吸收——它是氢气收支中体量最大、约束最差的一项。土壤吸收的高度不确定性，限制了我们预测未来人为扰动下大气响应的能力。

当前南北半球大气氢气浓度存在显著差异，主要原因是北半球土壤吸收作用更强。重建这一南北差异的历史变化，能更有力地约束土壤对大气氢气的清除过程随时间的变化规律。未来可通过钻取南极冰芯，重建南半球历史氢气浓度，实现这一目标。

—— John D. Patterson 和 Miranda H. Miranda 就职于美国加利福尼亚大学欧文分校

专家点评

作者克服了技术难题，获得了重复性良好的氢气浓度冰芯记录。该记录与过去千年全球环境变化的其他指标（如温度、大气二氧化碳）变化特征相似，表明氢气浓度同样反映了这一时期气候与生物地球化学循环的演变历史。这项工作有望推动对全球过程（包括野火）的研究，而氢气变化正是记录这些过程的良好指标。

—— Jed Kaplan 就职于加拿大卡尔加里大学

 研究背后

本项目最初的研究计划并不包含现场测量。我们原本打算在野外提取冰芯气体，装入样品瓶保存，带回实验室再进行分析。

但经过数月测试，我们始终无法设计出能完好保存冰芯微量气体样品（0 ℃、1 atm下约30毫升）中氢气浓度的样品瓶。所有密封方案均被证明不可行：火焰封口的玻璃会产生氢气；不锈钢样品瓶会发生反应释放氢气；各类O形圈密封则会让氢气渗透进入容器。

距离野外出发仅剩6个月时，我们被迫转向：从头设计、搭建并测试一套完整的分析系统，以便在冰盖上的帐篷里完成校准与实测工作。

—— J.D.P.

编者按

本文为大气氢气的演变过程提供了引人关注的见解。这些发现有助于加深我们对未来氢能经济可能对气候产生影响的理解。

—— Juliane Mossinger，《自然》资深编辑