CO2 vs CH4的温室效应

有一种观点引起了人们的极大兴趣，即在早期地球上，甲烷可能取代了二氧化碳的大部分作用，抵消了微弱的能量年轻的太阳．在某种程度上，这种兴趣是由于相当粗略的地球化学证据，在太古代的某些时候，二氧化碳浓度可能还没有高到足以达到目的，但不管这些证据是否真的要求一个相对低二氧化碳的大气，在缺氧的大气中甲烷可能积聚到高浓度的可能性很大。即使在一个非生物星球上，也有可能直接火山出气甲烷，其速率取决于行星内部氧气的状态。一旦生物出现，产甲烷菌可以将火山中的CO2和H2转化为CH4，或者通过分解无氧光合作用产生的有机物来制造CH4。

甲烷在含氧良好的大气中不能积聚到很高的浓度，但今天大气中相对少量的甲烷(约1.7 ppmv)仍然对全球变暖有显著的贡献。然而，有一种广泛的误解，认为甲烷在某种意义上本质上是一种比二氧化碳更好的温室气体。做一些简单的计算就可以弄清事情的真实情况。

为了比较CH4和CO2对行星辐射收支的相对影响，我们计算了每种情况下的OLR，即我们所说的标准大气(每种气体的混合物)干燥的空气由1根在干空气绝热上具有温度剖面的地球空气组成，用地球表面重力进行。图4.35显示了固定表面温度为280K时的结果，使用自制辐射模型计算，该模型采用恒温缩放系数T* = 900K。这张图本质上给出了在给定给定量的太阳能的情况下，维持表面温度280K所需的温室气体量

图4.35:在干绝热层上，每种气体单独与地球空气混合时的OLR与CO2和CH4浓度的关系。表面温度固定在280K。

吸收。例如，用吸收的太阳辐射CO2为464ppmv, CH4为35600 ppmv(按摩尔分数计算占大气的3.56%)，均可维持300W/m2的表面温度。与实际潮湿的大气相比，这些结果在某种程度上高估了每种气体的影响，因为潮湿的大气将处于不太陡峭的潮湿绝热曲线上，在潮湿的大气中，水蒸气的吸收将在某种程度上与CO2和CH4的吸收竞争。不过，作为对这两种气体的相对影响的估计，情况还是很清楚的。从本质上讲，甲烷是一种比二氧化碳严重得多的温室气体。甲烷的OLR曲线在任何地方都远高于二氧化碳的曲线，因此，要实现给定的OLR降低，需要更多的甲烷。

一般的说法是，就分子而言，甲烷是比二氧化碳更好的温室气体，这只适用于像现在这样的情况，甲烷的浓度远低于二氧化碳。在这种情况下，CH4分子更大的降低OLR的能力仅仅是因为CH4和CO2的温室效应在浓度上近似于对数。从图4.35可以看出，甲烷浓度约为1ppmv时，甲烷浓度每增加一倍，OLR降低约2W/m2。另一方面，当CO2浓度接近300 ppmv时，CO2浓度每增加一倍，OLR就会降低约6 W/m2。因此，要实现与二氧化碳翻倍相同的OLR降低，就需要三倍的甲烷，但由于甲烷的浓度仅为1ppmv，这只需要将浓度提高到8ppmv，并且只需要与二氧化碳翻倍实现相同的降低所需的分子数量相同。同样地，我们可以说，添加1ppmv的甲烷产生的OLR降低与添加75ppmv的CO2相同。本例中的对数斜率与地球实际大气的适当值相比被夸大了，因为使用了干绝热，并且因为在自制辐射代码中使用的简单温度缩放不准确。在水汽相对湿度为50%的湿绝热层上使用ccm辐射代码，我们发现甲烷在1ppmv附近每增加一倍，OLR就会降低0.77 W/m2，而CO2在300ppmv附近每增加一倍，OLR就会降低4.3 W/m2;在这种情况下，添加1ppmv的甲烷可以降低OLR，相当于添加38ppmv的二氧化碳。尽管如此，原理仍然是一样的:如果甲烷是我们大气中最丰富的长期存在的温室气体，而二氧化碳只存在于非常低的浓度，我们会说，二氧化碳是更好的温室气体，就分子而言。

甲烷总量比

图4.36:典型大气中CH4和CO2混合物的总OLR降低。每条曲线都给出了在固定的CH4和CO2摩尔浓度之和下，相对于透明大气的OLR减少情况，在曲线上以ppmv为单位表示。结果被绘制成CH4摩尔浓度与两种气体总摩尔浓度的函数。这个比值等于大气中以CH4形式存在的碳与大气总碳的比值。OLR减少值越大，温室效应越强。

甲烷总量比

图4.36:典型大气中CH4和CO2混合物的总OLR降低。每条曲线都给出了在固定的CH4和CO2摩尔浓度之和下，相对于透明大气的OLR减少情况，在曲线上以ppmv为单位表示。结果被绘制成CH4摩尔浓度与两种气体总摩尔浓度的函数。这个比值等于大气中以CH4形式存在的碳与大气总碳的比值。OLR减少值越大，温室效应越强。

克尔施文克等人提出，马克甘耶尼雪球是在一次甲烷大灾难中产生的，氧化作用将甲烷转化为二氧化碳，并将温室效应降低到足以形成雪球的程度。由于一些其他机制的产甲烷活动减少，甲烷崩溃有时也被认为是新元古代雪球的触发因素。要让这些情景像预期的那样发生绝非易事，因为当甲烷和二氧化碳在大气中的丰度相似时，甲烷对温室效应的贡献要比二氧化碳小得多。只有当甲烷最初的浓度足够小时，甲烷转化为二氧化碳才会减少温室效应，但如果甲烷的浓度太小，甲烷对总量的贡献就会降低温室效应是太小了，影响不大。让我们使用图4.35中的数据，通过一些说明性的案例来说明甲烷转化为二氧化碳将如何影响气候。raybet雷竞技最新如果采用更精确的辐射模型，或者引入水蒸气的影响，详细的数字会发生变化，但基本结论将保持不变。

例如，假设我们开始的大气中含有36650 ppmv的甲烷，在吸收了300 W/m2的太阳辐射的情况下，这足以维持280K的表面温度。如果这些都通过氧化转化为CO2，那么根据图4.35,OLR将下降到255 W/m2。为了重新建立辐射平衡，地球的温度必须远远超过最初的280K。在这种情况下，它非但没有引起雪球，反而甲烷氧化会产生一个热脉冲，然后随着二氧化碳的下降逐渐恢复到原来的温度硅酸盐风化．

接下来，让我们考虑一个更普遍的情况，并确定将CH4转化为CO2以大幅减少温室效应的必要条件。由于在考虑的浓度范围内，CH4和CO2的吸收特征没有显著重叠，因此可以通过单独计算每一种气体的OLR还原AOLR的总和来获得这两种气体的综合影响。我们想问这样一个问题:如果我们有一定数量的碳原子用来向大气中排放温室气体，净温室效应如何取决于我们在CH4和CO2之间分配这些原子的方式?由于每个分子都有一个碳，这个问题可以通过改变CH4的摩尔浓度来解决，同时保持CH4和CO2的摩尔浓度的总和不变。这类计算的结果如图4.36所示。对于任何固定的大气总碳含量，当作为甲烷比例的函数绘制时，OLR减少有一个广泛的最大值，除了在全甲烷或全二氧化碳大气的极端附近变化不大。通过将甲烷氧化为二氧化碳而大幅减少温室效应的唯一情况是，初始CO2浓度非常高，初始CH4比例约为总量的10%至90%，CH4几乎完全转化为二氧化碳。例如，总碳浓度为10000ppmv，将CH4浓度从1000ppmv降低到1ppmv，温室效应从104W/m2降低到80w /m2。由于曲线是如此平坦，从80%甲烷的大气开始几乎同样有效:在这种情况下，温室效应从101 W/m2降低到80 W/m2。如果大气中的碳总量为100,000 ppmv，那么最大的温室效应发生在甲烷含量约为25%的大气中，其值为151 W/m2。 Reducing the methane to 1 ppmv brings down the greenhouse effect 36 W/m2, to 115 W/m2. In the Paleoproterozoic or Archaean, when the net greenhoue effect needed to be high to offset the Faint Young Sun, it is possible that a methane crash could have reduced the greenhouse effect enough to initiate a snowball, but it is essential that in a methane crash, the methane concentration be brought almost all the way down to zero; a reduction of methane from 50% of the atmosphere to 10% of the atmosphere would not do much to the greenhouse effect. By the time of the Neoproterozoic, when the太阳光度如果维持开放水域条件所需的总温室效应更高更少，那么甲烷灾难引发冰川作用的可能性就小得多。关于可能引发雪球的大气转变的进一步评论将在第8章给出。

继续阅读:再来看看失控的温室

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