2022年1月，宏加東加-宏加哈阿派火山在南太平洋爆發，其威力堪稱現代史上最強大的火山事件之一。然而，研究人員現已揭露該次爆發一個意想不到的後果：巨大的火山雲似乎有助於摧毀火山本身產生的部分甲烷污染。
這項發現的影響可能遠超單一火山爆發。科學家們日益關注減少大氣中甲烷的方法，因為甲烷是全球暖化的主要因素，且其在大氣中的壽命遠短於二氧化碳。了解大自然如何加速甲烷分解的過程，最終可能幫助研究人員開發減緩短期暖化的新策略。
火山雲中的奇特訊號
研究人員利用衛星觀測了這次爆發產生的巨大羽煙，並在此過程中做出發現。他們偵測到異常高濃度的甲醛，這種化學物質提供了關於火山雲內部正在發生什麼的重要線索。
甲醛是在大氣中甲烷分解的化學反應過程中短暫產生的。由於其壽命很短，異常大量的甲醛可以作為化學指紋，顯示甲烷的分解正在積極進行。
「當我們分析衛星影像時，我們驚訝地看到一個甲醛濃度創紀錄的火山雲。我們能夠追蹤該火山雲長達10天，一路延伸到南美洲。由於甲醛只存在數小時，這表明該火山雲一定持續了一週以上，不斷地在分解甲烷，」研究的第一作者、來自Acacia Impact Innovation BV的Maarten van Herpen博士解釋道，該研究發表在《Nature Communications》上。
「眾所周知，火山在爆發時會釋放甲烷，但直到現在，人們還不知道火山灰也能部分清除這種污染，」他補充道。
根據研究人員的計算，該火山在爆發期間釋放了約300吉克（Gg）的甲烷。這大約相當於兩百萬頭牛的年甲烷排放量。
同時，該羽煙每天清除約900百萬克（Mg）的甲烷，這相當於兩百萬頭牛的每日排放量。
鹽、陽光與意外的化學反應
研究人員認為，其解釋涉及火山灰、海水和陽光的特殊組合。基本的化學原理最早由科學家於2023年發現，儘管是在一個非常不同的環境中。
在那項早期研究中，科學家發現橫跨大西洋的撒哈拉塵埃會與海浪拍打產生的海鹽混合。這些物質結合後形成微小的空氣懸浮粒子，稱為鹽霧氣溶膠。氣溶膠是懸浮在大氣中的微小粒子。
當陽光照射到這些粒子時，化學反應會釋放出氯原子。氯具有高度反應性，能夠攻擊甲烷分子並幫助其分解。這項發現為科學家對對流層（地球大氣層中天氣發生的最低主要層）化學的理解增加了一個先前被低估的過程。
「新穎之處——而且完全出乎意料——是同樣的機制似乎發生在高層平流層的火山羽煙中，那裡的物理條件完全不同，」哥本哈根大學化學系的Matthew Johnson教授說，他是兩項發現的研究人員之一。
Hunga Tonga火山爆發為這種化學反應創造了異常有利的條件。由於火山在海洋下方爆發，它將大量的鹽水與火山灰一起炸向高空。其中一些物質到達了平流層，即對流層上方的那個大氣層。
研究人員提出，陽光照射到這種混合物產生了高反應性的氯。這些氯原子隨後與羽煙中的甲烷反應，幫助分解了爆發期間釋放的部分甲烷。從太空中偵測到的異常大量的甲醛提供了該過程正在發生的證據。
甲烷目前佔全球暖化的約三分之一。儘管其豐度遠低於二氧化碳，但甲烷的吸熱效率極高。在20年期間，甲烷的效力約為二氧化碳的80倍。
這兩種溫室氣體之間還有一個重要區別。甲烷通常在大氣中停留約10年，然後被化學反應清除，而一部分二氧化碳可能會長期影響氣候。
相對較短的大氣壽命使甲烷成為快速氣候行動的特別有吸引力的目標。今天減少甲烷排放量，大約十年內就能開始產生明顯的氣候效益。
因此，研究人員有時將甲烷減排描述為氣候變遷的「緊急煞車」，因為快速降低甲烷水平有助於減少未來幾十年的暖化，並可能降低跨越危險氣候臨界點的風險。
然而，減少甲烷並不能取代減少二氧化碳。長期的溫度穩定仍然需要大幅減少二氧化碳排放。
科學家能否複製火山的行為？
這項發現也可能為研究人員和公司提供靈感，他們正在研究如何刻意加速甲烷的分解。
一個新興的氣候研究領域專注於大氣甲烷清除。除了僅僅預防新的甲烷排放外，科學家們正在探索化學過程是否能安全地提高大氣中現有甲烷的分解速率。
Hunga Tonga可能提供了一個戲劇性的自然示範，展示了一種可能的機制。
然而，一個主要的挑戰是證明任何提出的技術確實能清除甲烷。大氣甲烷分佈在廣闊的區域，使得相對較小的變化難以準確測量。
「你如何證明甲烷已被從大氣中清除？你如何知道你的方法有效？這非常困難。但在這裡，我們通過表明甲烷分解實際上可以使用衛星進行觀測來解決這個問題，」該研究的資深作者、荷蘭皇家氣象研究所的Jos de Laat博士說。
這些發現也可能迫使科學家重新考慮全球甲烷預算的計算。
甲烷預算本質上是該氣體的核算系統。科學家估計有多少甲烷從濕地、農業、化石燃料和地質活動等來源進入大氣，然後與通過大氣化學和其他過程清除的量進行比較。
根據研究人員的說法，大氣塵埃以前並未完全納入這些計算中。如果火山灰和其他形式的礦物塵埃能夠加速甲烷分解，那麼關於甲烷在大氣中移動的估計可能需要進行調整。
「我們現在知道，大氣塵埃——例如來自火山爆發的塵埃——會影響甲烷預算，即進入大氣的甲烷量與清除量的預算。由於以前沒有考慮到塵埃，因此修正這些估計的數據非常重要，」Matthew Johnson說。
衛星觀測化學反應的展開
研究人員使用了歐洲太空總署「哨兵-5P」衛星上先進儀器TROPOMI的測量數據。TROPOMI每天掃描地球大氣層，監測與空氣污染和氣候變化相關的氣體。
然而，在平流層的火山羽煙中偵測到甲醛，將該儀器的性能推向了其標準測量通常設計條件之外。
「從TROPOMI在平流層火山羽煙中提取甲醛，遠超出了儀器的標準操作條件——我們必須仔細校正衛星對信號異常高度的靈敏度，並考慮高濃度二氧化硫的干擾。正確進行這些校正對於確認我們所見的真實性至關重要，」比利時皇家空間空氣動力學研究所的Isabelle De Smedt博士說。
這些校正使研究人員能夠得出結論，異常強烈的甲醛信號是真實的，並且可以用來追蹤火山雲內甲烷的分解。
該團隊認為，這項發現可能會鼓勵工程師研究是否能夠安全有效地複製Hunga Tonga火山爆發後觀察到的自然化學反應。
「對於工業界來說，嘗試複製這種自然現象是一個顯而易見的想法——但前提是必須證明其安全有效。我們的衛星方法可以提供一種方法來幫助弄清楚人類如何減緩全球暖化，」Matthew Johnson總結道。
任何操縱大氣化學的嘗試都需要仔細研究，以了解潛在的意外後果。但Hunga Tonga為研究人員提供了一個罕見的真實世界案例，展示了大規模甲烷分解的發生，以及一種從太空監測該過程的可能性。
該科學文章發表在《Nature Communications》上。