過去30年以來不斷上升的全球氫氣排放正在間接推升地球變暖，加劇甲烷這一強效溫室氣體的增溫效應。這項由美國斯坦福/奧本大學助理教授歐陽祖濤與斯坦福大學Robert Jackson教授，英、法、澳、中、日、荷、加、瑞、奧、德等11國大學以及美國國家海洋與大氣管理局，Aerodyne Research Inc，Spark Climate Solutions等研究機構支持，攜由國際科學家組成的 Global Carbon Project，提供了首份關于全球氫氣源與匯的全面核算。這項于2025年12月發表在Nature的研究The Global Hydrogen Budget通過結合觀測、排放清單和排放指數、以及自下而上的模型推演發現：長期被視為替代燃料的氫氣（H2），在排放后的前 20 年里對大氣的間接增溫效應約是二氧化碳（CO2）的 37 倍。自 1990 年以來，盡管土壤吸收了約 70% 的氫氣排放，但大氣中氫氣濃度上升所造成的氣候影響已接近法國等工業化國家的累積排放。

全球氫氣的源匯及分布差異

自 1990 年以來，地球上氫氣的主要來源包括前體化合物在大氣中的光氧化和分解，工業氫氣生產過程中的泄漏和燃燒，以及農業種植豆科作物（如大豆、花生等）固氮過程的副產物。而通過光氧化和分解產生氫氣的化合物中就包括甲烷。由于化石燃料、農業活動和垃圾填埋場排放的增加，甲烷在大氣中的濃度迅速上升，形成了一個惡性循環：甲烷在大氣中氧化分解出氫氣，因此甲烷越多，產生的氫氣也越多。而氫氣增多又會延長甲烷在大氣中的存在時間，從而造成更大破壞。該研究表明，近30年大氣中氫氣增加的最大驅動因素是甲烷在大氣中的氧化分解：這一來源的氫氣年排放量約增加了400萬噸，于2020年達到每年2700萬噸。其他自然來源，如野火、火山活動等則隨年份波動，在 1990 至 2020 年間沒有出現明顯、持續的趨勢。而地球上主要氫匯包括被羥基自由基（OH）氧化以及土壤微生物對氫氣的吸收。在近十年，全球氫源據計算約為每年69.9 ± 9.4 萬億克，而氫匯則為每年68.4 ± 18.1 萬億克。

在空間分布上，全球尺度的氫源相較氫匯而言分布的更不均衡。最高的氫氣排放密度位于東南亞和東亞，而熱帶地區則在氫源總量上占據約60%。這與更高的溫度和更強的光照加速前體化合物的產生與氧化分解等有關。全球尺度的氫匯則相對分布更均衡，熱帶地區同時也是最大的氫匯地區，占據總量約50%。

氫氣加劇甲烷的溫室效應

與包括二氧化碳和甲烷在內的溫室氣體不同，氫氣本身不會在地球的大氣層中吸收熱量。然而通過與其他分子的相互作用，氫氣在釋放后的前 100 年中間接加熱大氣層的速度可以達到二氧化碳的 11 倍，在前 20 年內則約為 37 倍。其中，氫氣最主要的作用方式是消耗大氣中的天然“清潔劑”，比如羥基自由基（OH）。這些OH本可消耗大氣中的甲烷。因此，氫氣排放越多，大氣中的清潔劑就越少，甲烷的存留時間就會更長，從而加劇了溫室效應。除了延長甲烷的存留時間外，氫氣與OH的反應還會產生臭氧、平流層水汽等溫室氣體，并影響云和顆粒物的形成。自工業化前至 2003 年，大氣中氫氣濃度增加了約 70%，隨后短暫穩定，但在約2010 年后再次上升。其中，1990至2020年間氫氣排放的增加主要源于人類活動。

在該研究中，根據地球系統模型OSCAR演算得出的全球地表空氣溫度（GSAT）表明：在2010-2020年間，大氣中氫氣的增加提升了約0.02攝氏度的全球地表空氣溫度。而對未來的氣候影響則取決于人類對氫氣作為一種新型能源的使用規模、泄露情況、以及對其前提化合物特別是甲烷的排放監管等。

局限和展望

關于氫氣源與匯的全面核算，該研究指出當下對于氫收支計算不確定性在于土壤對大氣中氫氣的作用和相互關系。其中土壤對氫氣的吸收和分解定量最易受該研究中的模型參數所影響。而大氣中甲烷氧化分解生成氫氣的機制和模擬定量則較為成熟、確定性較高。總體而言，高精度、高時空分辨率的氫氣實地觀測以及廣泛認可的排放清單依然稀缺，特別是對于工業泄露、農業活動、土壤與植物源匯的觀測有待開展并用于模型的提升和模擬結果的優化與復核。該研究的Discussion部分明確指出，相較精準、成熟、系統的甲烷濃度及通量觀測技術，能滿足當下先進氫氣觀測需求的儀器僅有美國Aerodyne于2024年研發生產的H2-TILDAS光譜儀，而適用于高空、衛星遙感和通量的氫氣觀測條件尚未出現。

該研究的通訊作者，斯坦福大學Robert Jackson教授組將在未來幾年依托Aerodyne H2-TILDAS進行一系列氫氣在生產、使用、和泄露方面的觀測；而Aerodyne的高級科學家、該研究的合作者郭方舟博士和作者奧本大學的歐陽祖濤教授也將在近年展開土壤中氫氣的源與匯的一系列分析實驗和外場觀測。

作者介紹

斯坦福大學博士后、奧本大學助理教授歐陽祖濤博士為論文作者，斯坦福大學Michelle and Kevin Douglas教務長講席教授、Global Carbon Project主席Robert Jackson博士為論文通訊作者，論文合作者包括Global Carbon Project及其合作機構的30多位教授和研究人員等，具體見文章作者所屬單位列表。

大氣化學：2025年12月31日