大氣中氦氣含量正在增加

自從人類意識(shí)到它們作為能源的價(jià)值以來(lái)，在提取和燃燒化石燃料的過(guò)程中釋放的二氧化碳 (CO 2 ) 導(dǎo)致了地球大氣的重大變化。通常伴隨 CO 2的是良性氣體，例如可用于追蹤此類排放的氦 (He)。

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們一直推測(cè)大氣中He 4（氦的同位素）的數(shù)量正在增加，因?yàn)樗c天然氣和其他碳?xì)浠衔锎嬖谟谙嗤膬?chǔ)層中。但迄今為止，測(cè)量結(jié)果相互矛盾且不精確?，F(xiàn)在，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種測(cè)量惰性氣體的新方法，揭示了幾十年前的難題。

斯克里普斯海洋研究所大氣化學(xué)家和博士后研究員Benjamin Birner說(shuō)：“通過(guò)我們的測(cè)量，我們第一次能夠證明該理論實(shí)際上是正確的，即大氣中的氦濃度正在增加。” 

這一新發(fā)現(xiàn)可以引導(dǎo)科學(xué)家更好地識(shí)別大氣中 CO 2的來(lái)源，從而指導(dǎo)控制排放的政策。He 4的增加也引發(fā)了對(duì)其同位素伴侶He 3 以及潛在未發(fā)現(xiàn)的天然氣儲(chǔ)層的質(zhì)疑，該儲(chǔ)層是一些研究和商業(yè)行業(yè)的關(guān)鍵資源。

氦與化石燃料

一些礦物質(zhì)天然含有鈾和釷。這些放射性元素經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年衰變?yōu)榉€(wěn)定的元素，在此過(guò)程中釋放出He 4。由于He 4 是一種惰性氣體，它不易與其他元素結(jié)合，隨著時(shí)間的推移會(huì)慢慢從其主體晶體中泄漏出來(lái)。地殼中的流氓氦在逃逸到大氣之前向地表滲透。

“如果你的地質(zhì)環(huán)境適合包含天然氣，那么它可能也適合捕獲氦氣。”

在某些情況下，上升的氣體被困在不透水的蓋層之下。從埋藏的烴源巖中逸出的天然氣也通過(guò)地下上升并與氦一起被困住。“當(dāng)人類出現(xiàn)并從這些儲(chǔ)層中提取氣體時(shí)，他也被解放了。隨著工業(yè)時(shí)代開(kāi)始以來(lái)化石燃料使用量的增長(zhǎng)，他應(yīng)該充斥著大氣?？茖W(xué)家們一直在尋找它。不幸的是，迄今為止，相互矛盾的數(shù)據(jù)混淆了大氣中氦氣長(zhǎng)期上升的任何證據(jù)——一些研究測(cè)量了增加，而另一些研究顯示幾乎沒(méi)有變化。

精確的He 4 測(cè)量

Birner 及其同事開(kāi)發(fā)了一種計(jì)算He 4 的新方法，其精度高于以往任何研究。

首先，他們獲得了樣本。由于氦氣的泄漏性質(zhì)，空氣樣本難以儲(chǔ)存，科學(xué)家不得不挖掘古老空氣的創(chuàng)造性來(lái)源。過(guò)去的一項(xiàng)研究從化油器內(nèi)部抽取空氣并密封金屬滾球游戲球。“氦不會(huì)通過(guò)金屬擴(kuò)散。所以你必須找到一些好的金屬盒子，”洛林大學(xué)的地球化學(xué)家伯納德馬蒂說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。自 1970 年代以來(lái)，Birner 及其同事將科學(xué)家們偶爾收集的金屬罐中儲(chǔ)存的氣體用于其他實(shí)驗(yàn)。

然后，該小組測(cè)量了He 4 和氮 (N 2 )的比例隨時(shí)間的變化。多年來(lái)，大氣中的氮含量保持相對(duì)穩(wěn)定；因此，樣品之間比率的任何變化都表明He 4 的量發(fā)生了變化。根據(jù)這項(xiàng)研究，研究人員發(fā)現(xiàn)可追溯到 1974 年的空氣樣本中的He 4 顯著增加——比地球自然過(guò)程的預(yù)期高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這一增長(zhǎng)也大于商業(yè)和研究應(yīng)用所釋放的少量。

“我認(rèn)為我們將更多地了解世界如何從氦氣中運(yùn)作。”

由于He 4 現(xiàn)在可以被精確測(cè)量并且明顯增加，因此科學(xué)家可以追蹤相關(guān)溫室氣體（如二氧化碳）的來(lái)源。4與煤炭和石油等其他化石燃料相比，天然氣中的 He 濃度最高。Birner 說(shuō)，通過(guò)測(cè)量空氣樣本中He 4 和碳的含量，科學(xué)家們希望確定有多少總排放量來(lái)自天然氣燃燒，而不是汽車或燃煤電廠。 

令人驚訝的是，對(duì)于地球的自然碳排放，科學(xué)家們還有很多需要了解。Marty 說(shuō)，用氦氣追蹤碳的精確方法可以幫助他們確定有多少是大自然泵入大氣的。

新數(shù)據(jù)解決了長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于大氣中He 4 的爭(zhēng)論。“他們是偉大的測(cè)量，”馬蒂說(shuō)。但是，他補(bǔ)充說(shuō)，它們提出了一個(gè)有趣的問(wèn)題。

早期的研究，包括 Marty 及其同事的一些研究，調(diào)查了空氣樣本中He 3 與He 4 的比率，以獲得大氣中的He 4 濃度。He 3 是一種天然存在的氦的穩(wěn)定同位素?？捎玫淖罹_的He 3/ He 4 測(cè)量表明，該比率在大氣中隨時(shí)間而變化。這項(xiàng)研究中的研究人員獨(dú)立觀察到He 4 增加的事實(shí)意味著He 3 也必須增加。

He 3他在地球上是稀有的；它主要是從我們星球形成過(guò)程中遺留下來(lái)的地幔水庫(kù)中釋放出來(lái)的。它也是由宇宙射線轟擊、太陽(yáng)風(fēng)和星際氣體以及制造核武器產(chǎn)生的。但這些來(lái)源都無(wú)法解釋進(jìn)入大氣層的數(shù)量。“這個(gè)信號(hào)大約是地質(zhì)通量的 10 倍，我們不知道如何解釋這個(gè)額外的He 3 的來(lái)源，”Birner 說(shuō)。

“人們?cè)紤]飛到月球上開(kāi)采He 3。這就是資源的重要性。”

He 3 用于低溫、核燃料和醫(yī)學(xué)成像等應(yīng)用。近幾十年來(lái)，隨著對(duì)世界供應(yīng)的需求增加，它已成為一種稀缺資源。因此，未發(fā)現(xiàn)的He 3來(lái)源的前景很有趣。“人們?cè)紤]飛到月球上開(kāi)采He 3。這就是資源的重要性，”Birner 說(shuō)。“這在未來(lái)將變得更加重要，因?yàn)槔碚撋虾司圩兎磻?yīng)堆可以在He 3 上運(yùn)行。”