2005 年 12 月 12 日

收錄於： Arctic and Antarctic Greenhouse gases Climate Science— david @ 12:52 PM

大量的甲烷 (CH 4 ) 在地球表面凍結成冰狀稱為甲烷冰，即甲烷水合物 (methane hydrate) 。該水合物幾乎可與任何氣體化合，由水分子形成籠形 (cage) 結構，將氣體團團圍住， ( 「氣水包合物 ( clathrate ) 」一詞通常是描述含有氣體的固體，被籠形結構所包圍，若該結構主要由水分子構成，即稱之為水合物 ( hydrate )) 火星上有二氧化碳，而地球充滿甲烷水合物，而多數都沉積在海床底下，但有些就成為永凍層。

甲烷冰看起來似乎是很不穩定的物質，如果天氣過於暖化，就會溶解並浮在水面上。甲烷是一種強烈的溫室氣體，它可以降解成二氧化碳，變成另一種溫室氣體，累積在大氣中，就像燃燒石化燃料產生二氧化碳一樣。而且其囤積量不容小覤，可能遠比傳統燃料生成量為多，可以想見，氣候變化會影響此類二氧化碳的囤積量，但我們對災難電影中甲烷冰的潛在危險性，了解有多少呢？


海洋水合物 -- 大部份的甲烷水合物沉澱在海裡，因此被稱為地層囤積。有機碳是來自上百萬年前的浮游生物殘骸，在數百公尺深的海床底下，細菌從死去的浮游生物製造出甲烷。假如甲烷的產生速度夠快，有一些即被凍結成甲烷冰。有數十億噸的甲烷，便以這種形式囤積在海裡﹝資料來源： Buffett and Archer, 2004; Milkov, 2004 ﹞為對照起見，碳生成量最大的傳統燃媒，其標準產碳量僅約 5000G 噸﹝資料來源 ： Rogner, 1997 ﹞

有時甲烷在地底會移動並聚集在某些地方，形成所謂的結構性水合物囤積。譬如墨西哥灣，基本上是個有漏洞的油田﹝資料來源 ： MacDonald et al., 2005 ﹞。 氣體的游移與聚集，意味著濃縮度會提高，甚至會高到形成塊狀礦床的程度，變成純塊狀的水合物。第二個後果是該些水合物，可以在離海底較近的地方、甚至在海床底下被找到。

氣候過於暖化會使水合物溶解。在海平面 500 公尺以下 ( 在北極為 200 公尺 ) 的海水算夠冷，在海床底下，溫度會隨深度增加而遞增，沿地溫梯度增加。若在某一深度的地底，因為太過暖化，而水合物未能埋在比原來更深的地底，就會溶解。在一個穩定的水合物區域下方，通常有一層氣泡層。氣泡所反射聲波震動訊號，可以在全球的地震勘測清楚取得﹝資料來源 ： Buffett, 2000 ﹞氣泡層的丘陵與山谷，和海床的丘陵與山谷幾乎平行，所以這一層被稱為 海底仿擬反射 層 ( BSR ) 。



現在讓我們為 沉積柱 上方的水加溫。最後得到的地熱新溫度曲線圖，其斜率幾乎與之前的一致。水合物穩定區將因 沉積層 溫度的升高而變得更薄。

值得密切注意的是，它是從底部變薄，而不是由頂端表面變薄。水合物的原穩定區基地部分，出現自發性的溶解。

假如穩定區仍然存在，則其在沉積柱內的範圍，也要比在最新釋放出的甲烷氣泡中為淺，才能形成冷阱， 以防止甲烷氣體散失。然而在地震研究上常發現 ” 無反射區 ( wipeout zones )” ，這是海底仿擬反射的死角，且在海底仿擬反射之外的沉積層，其所有層狀結構都呈平滑狀。該些區域被認為是氣體已突破沉積結構，散發到海水裡﹝資料來源： Wood et al., 2002 ﹞有一理論主張流體往上移動時會增溫，導致甲烷在正常穩定區無法結冰。地球海洋內的沉積表面已經有破洞，稱為坑洞﹝資料來源： Hill et al., 2004 ﹞，說明了這些爆出的氣體為什麼看起來像來自表面。


另外還有發生崩移的可能性，當水合物溶解產生氣泡時，體積會增大。這種說法是認為氣泡能使結晶彼此脫落，導致沉積柱 ( 層 ) 不穩定。眾所皆知最大的海底崩移為 Storegga( 挪威語：巨大的邊緣 ) ，就在挪威附近沿海﹝ 資料來源： Bryn et al., 2005; Mienert et al., 2005 ﹞這個 崩移效應挖鑿出約 250 公尺 高、超過數百公里寬的沉積層，幾乎跨越挪威到格陵蘭島之間的一半距離。挪威邊境大概每 10 萬年， 會發生與冰河週期同步的類似地層滑動。﹝ 資料來源 ： Solheim et al., 2005 ﹞

最近一次是出現在穩定區因水溫增高而變薄的 2-3 千年之後﹝ 資料來源 ： Mienert et al., 2005 ﹞，即約在 8150 年前。地層滑動由水底數百公尺深的地方開始，剛好在陸坡邊緣， Mienert 由此計算出水合物穩定帶 (HSZ) 的最大變化。 Storegga 崩移區包含的甲烷氣水包合物囤積量，根據地震 BSR 分析的結果，與 200-300 公尺 HSZ 的基地所在相符合，並且坑洞也指出氣體自沉積處爆出的現象。

但是，也有其他對 Storegga 抱持 振振有詞 的假設，認為它跟水合物一點關係也沒有。該冰河沉積棚係 芬諾斯堪迪亞 ( Fennoscandian) 冰床的迅速囤積結果，﹝ 資料來源： Bryn et al., 2005 ﹞ 快速沉積活動對裝載於沉積柱內的孔隙水， 比因為沉積增加而排除的 孔隙水 來得快，有 些觀點認為，沉積柱的浮動係仰賴自身的孔隙水。這種機制可以充分解釋，為什麼挪威邊境的陸塊，世界各地也一樣，會因氣候的變化，同步導致崩移的現象。

Storegga 崩移曾為現在的英國帶來海嘯，但未有任何跡象顯示與氣候有關。那時甲烷流失並未到達災變量，沉積層移動約 2500 立方公里的體積，假設由崩移量中，平均有 1% 的水合物藉由孔隙水釋放出來，即有 0.8G ton 的含碳甲烷獲得釋放，即便所有的水合物都釋放到大氣中，對氣候的衝擊將比火山爆發略小一點 ( 在此以輻射平衡計算甲烷的影響 ) 。

? 實際上，事實已不言可喻， Storegga 崩移現象，在 8.2 千年的氣候異常如影隨形，但並未有任何跡象顯示它們之間有所關聯。 8.2 千年的氣候異常是長達一世紀酷冷時期，大致原因是淡水從 Aggasiz 冰湖釋放到北大西洋，同時甲烷濃度下降 75ppbv ，並非上升。

甲烷可以三種可能的形式脫離沉積層，即溶解、氣泡與水合物。甲烷溶化後在好氧深層海水裡，化學性質不穩定，但可以維持幾十年的光景 ( 比高流體環境短一些 ) ﹝ 資料來源： Valentine et al., 2001 ﹞，所以如果甲烷在海洋中被釋放處淺一些，就有很好的機會可以逃脫到大氣中。氣泡甲烷則很典型地，在溶解之前，只能上升幾百公尺。水合物則在水中載浮，就像一般的浮冰一樣，其將甲烷帶到大氣的效率，比氣泡為佳﹝資料來源： Brewer et al., 2002 ﹞。

海洋中大部分水合物的溶解過程相當漫長。需耗費數十年到幾世紀，才能暖化海平面下 1000 公尺 深的海水，且需要超過好幾百年使熱氣擴散到沉積層裡，也就是穩定區基地所在。北冰洋也許就是一個特例，由於水域較冷，導致穩定區較淺，而且位於高緯度，也使暖化比預期中更為強烈。

永凍土 -- 最近各位也許已在論文中讀過很多有關永凍土的資訊。永凍土被定義為終年結冰的土 ( 事實上，技術定義上是過去 2 年呈結冰狀態的土 ) ，有時靠近沉積層表面的區域會在夏天融化。在永凍土的文獻中，該區域稱為活躍區，而且據觀測顯示，它會隨著時間增加而擴大。﹝資料來源 ： Sazonova et al., 2004 ﹞。地表土壞的融化，是高緯度北極地帶，之所以被預期會成為陸地對氣候的改變反應最劇烈區域的理由之一﹝ 資料來源： Bala et al., 2005 ﹞
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另外一個原因是，高緯度氣溫的改變，比起全球變動平 均值更為劇烈，特別是在高北緯度。曾有一則有關北極陸地永凍土融化的趣聞，例如在費爾班克斯市 (Fairbanks) 附近傾斜的建築和「醉林」﹝資料來源： Pearce, 2005; Stockstad, 2004 ﹞，另外還有 更多阿拉斯加的油管是固定在永凍土上。

水合物有時是與永凍土的積存有關，但並非接近地表的永凍土，因水合物需要高壓環境。另一個決定因素是水合物在土壤中是否具有滲透性。有時凍結和流動的地下水，會在土中形成一個密封的冰層，因此造成下方孔隙間的壓力升高。有報告指出，水合物在一處永凍土的核心裡﹝資料來源： Dallimore and Collett, 1995 ﹞，係位於密封冰層的下方。亦有報告指出，湖泊突然被抽乾，會對地表層密封冰層，造成很明顯的破壞。地表層密封冰層的始祖，是在西伯利亞，一個非常大規模的複合冰層。﹝資料來源： Hubberten and Romanovskii, 2001 ﹞

侵蝕複合冰層最重要的方式是由側蝕旁蝕，經由熱喀斯特 (thermokarst) 侵蝕過程溶解永凍土﹝ 資料來源： Gavrilov et al., 2003 ﹞。冰層暴露於海洋暖化的水中。當冰塊融化，陸地崩塌，曝露更多的冰。西伯利亞北海岸已被侵蝕數千年之久，然而，侵蝕速率仍在增加當中。整個島嶼消失在歷史洪流中﹝資料來源 ： Romankevich, 1984 ﹞。西伯利亞大陸棚的甲烷溶解濃度，比在大氣中的濃度，高出 25 倍之多，表示逸出的甲烷係由沿岸侵蝕進入大氣中﹝資料來源： Gornitz and Fung, 1994 ﹞。人類對永凍土內甲烷冰的總含量，所知有限，估計從 7.5 到 400G ton C( 本估計值由﹝ Gornitz and Fung, 1994 ﹞匯編 ) 。

未來 。最精采的災難電影模式，可能是在一段和甲烷存在週期相當的時間裡，釋放出大量足以改變大氣濃度的甲烷，這對甲烷濃度會形成增強效果。甲烷釋放的規模到何種程度堪稱為大，甲烷量必須加計因輻射驅力而倍增的一氧化碳，約相當於目前甲烷濃度的十倍威力。這才叫災難電影。或者，到 2050 年，最糟糕的聯合國政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 模式，和想像得到的最好的」替代方案」，其輻射能量作用力的差別平均值，僅約每平方米 1 瓦 (1 W/m2) 。在這種情況下，甲烷產生的輻射驅力，將導致其無法維持在低於「危險」邊緣 2 度，而到達高出工業革命前的水平。在此我預估當今甲烷濃度約 6ppm 為 1 W/m2 。以 6ppm 的甲烷濃度而言，在現實世界中確實是大難臨頭。

大氣中一般含有約 3.5Gton C 甲烷，若在瞬間釋放 10Gton C ，將會突破之前的 6ppm 濃度。這種浩劫很可能比任何被提過的災難還要大。


海底崩移會釋放約十億噸，坑洞爆炸則略少。永凍土水合物正在溶解，但沒有人想到它們會突然爆炸。根據記載，在五千五百萬年前，沉積層發生所謂的古／始新世交替時期最大暖流 (Paleocene Eocene Thermal Maximum) ， ( 據宣稱 ) 釋放幾千 Gton C 甲烷到大氣及海洋中，使中深層的海水升溫攝氏 5 度。要推測在這麼久之前的發生速度實非易事，但最佳的推測是，那些甲烷的釋放期間係超過一千年之久，換言之，不是突發事件。﹝資料來源： Zachos et al., 2001; Schmidt and Shindell, 2003 ﹞

我們的未來還有另一個可能性，即甲烷會年復一年，慢慢地長時期散放到大氣中。甲烷不間斷地釋放，即決定大氣中甲烷的累積濃度。若來源倍增，濃度就會或多或少倍增。 ( 可能略多一些，因為實際上甲烷的周期增長 ) 。甲烷會氧化成二氧化碳，形成另一種可以累積千百萬年的溫室氣體，石化燃料所產生的二氧化碳亦然。由甲烷的慢性釋放模型經常可以看出，累積的二氧化碳，對暖化的貢獻與甲烷不分軒輊。

人為所產生的甲烷像種稻、石化燃料產業和畜牧，使大氣中的甲烷濃度，已經超過工業革命之前的水平，目前甲烷狀態尚呈現穩定，但是相對於現階段的活動，其持穩原因則尚不明確。永凍土的甲烷水合物含量尚不明朗，但不需要太多的甲烷，例如 100 年釋放 60 Gton ，即可讓大氣中的甲烷濃度再增加兩倍。沉積的泥煤，也許可以和永凍土水合物溶解產生的甲烷相比擬，當冰凍幾千萬年的泥煤解凍時，它仍舊含有能催化甲烷產生的甲烷氧化﹝資料來源： Rivkina et al., 2004 ﹞，便開始將泥煤轉變成二氧化碳和甲烷。那也就不難想像泥煤裡， 60 GtonC 經過 100 年後，會是什麼局面。在現存的濕地和沼澤地，甲烷的產生，受到雨量和氣溫的改變，產生的變化也很重要。已有預測顯示，海洋水合物在溶解，但速度很緩慢﹝資料來源： Harvey and Huang, 1995 ﹞。速度較明顯 的，似乎只有北極和墨西哥灣。


所以，最後的重點不是要策劃一場災難電影，而是在傳達潛在的危機，對該危機的正面回饋，是否能扭轉「危險」人類所致氣候改變的結果，只有一線之隔。這才是可怕之處。

我已上傳一份有關水合物及氣候改變的詳細資料，供同行審閱和刊物發表，請按此前往 。