蒽基重氮甲烷

当谈到全球气候变暖时，二氧化碳首先会占据头条，但考虑到甲烷作为一种强效温室气体的地位，其在全球变暖和气候变化中的作用也不应被低估。2022年10月，联合国世界气象组织发布的年度温室气体公报警告称，使地球变暖的三种主要温室气体，即二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的大气水平在2021年都达到了历史新高，其中，从将近四十年前开始系统监测以来，2021年的甲烷浓度同比增幅最大。甲烷如何影响地球气候决定不同温室气体对气候影响的两个关键特征分别是气体在大气中停留的时间长度和吸收能量的能力。甲烷在大气中的寿命比二氧化碳短得多，停留时间大约是12年，而二氧化碳在大气中的时间长达几个世纪，不过甲烷在大气中吸收的能量却比二氧化碳多得多。因此在大气中，甲烷是仅次于二氧化碳的第二大人为因素产生的温室气体。甲烷的来源可以大致分为两类:自然来源和人类活动产生的甲烷排放。前者主要来自湿地、森林火灾等。后者包括农业、能源和石化工业的排放，以及人类排泄物的产生和处置等。在过去的200年里，由于人类活动的急剧增加，大气中甲烷的浓度以惊人的速度激增。事实上，现代的甲烷监测方法已经表明，目前环境中的甲烷含量大约是工业革命之前的2.5倍。长久以来，科学界对甲烷排放量的估计具有高度的不确定性。2000年至2007年期间，大气中甲烷的浓度似乎趋于稳定，这就引发了关于大气中甲烷是否为气候变化主要驱动因素的持续争论。但在2007年之后，大气中甲烷浓度开始持续上升。目前的测量结果表明，大气中甲烷浓度还将继续上升。《全球甲烷预算》提供的最新综合评估显示，每年全球甲烷排放量约为580亿吨，这包括来自自然来源的排放(约占排放量的40%)，以及来自人类活动的排放(称为人为排放，占60%)。2022年2月斯坦福大学的科学家在《环境研究快报》（Environmental Research Letters）发表研究结论称，在100年的时间尺度上人类或许大大低估了甲烷这种“短期气候污染物”对气候的影响。去除甲烷的理由甲烷之所以令人担忧，是因为它对气候有着巨大的影响。2021年8月《自然》（Nature）发表的一篇文章中称，大气中二氧化碳含量是甲烷的两百多倍，甲烷虽然在大气中只占很小的一部分，但在释放后的头20年里，甲烷在地球大气中吸收热量的能力是二氧化碳的80倍左右。它的分解速度也比二氧化碳快得多，平均寿命约为10年，而二氧化碳的平均寿命为数百年。自前工业化时代以来，甲烷对全球变暖的贡献高达0.5℃，仅次于二氧化碳。甲烷的化学结构在吸收热量方面非常有效，这意味着在大气中甲烷含量稍微增加一点，就会对地球变暖的程度和速度产生重大影响。这是一个令人生畏的现实，但也提供了巨大的机会。由于甲烷在大气中停留的时间短，所以当排放减少时，它在大气中的浓度下降相对较快，这就能极大地抑制温度上升，因此有专家认为减少甲烷排放或许是改变未来10年全球气温变化路径的最容易的方法。2021年联合国的一份报告认为，减少人为造成的甲烷排放是迅速降低全球变暖速度的最具成本效益的战略之一，并为将气温上升限制在1.5℃的全球努力作出重大贡献。为了减少甲烷排放，科学家们一直在研究两个相关的问题。首先，甲烷的主要来源是什么?其次，最严重的影响在哪里?牲畜是最大的来源，占全球总量的31%。石油和天然气紧随其后，排放26%。其他来源包括垃圾填埋场、煤矿、稻田和水处理厂。在甲烷的自然排放源中，特别值得注意的是，虽然永久冻土系统不是最大的甲烷排放源，但它极易受到气候变化的影响。在一个更温暖的未来，这些系统排放的甲烷比例可能会显著增加，有研究估计，每年从北半球冻原陆地生态系统释放进入大气的甲烷约占全球自然界释放甲烷总量的25%。另一方面，减少牲畜产生的甲烷是一项巨大的挑战。人们可以少吃肉，但说服人们改变饮食习惯往往是困难的。此外，随着收入的增加，低收入和中等收入国家的肉类消费也在增加。从这个角度看，遏制其他行业的排放似乎相对容易一些。考虑到能源和石化工业是甲烷排放的两个主要来源，人类摆脱对化石燃料的依赖或许会成为控制地球大气中甲烷浓度的巨大一步。只要二氧化碳继续被排放到大气中，世界就会继续变暖。但控制甲烷和其他强效温室气体的排放可能会减轻负担。2021年9月27日发表在《皇家学会哲学汇刊A》（Philosophical Transactions A）上的分析显示，如果消除人类3年时间造成的强效温室气体的排放，将使全球表面温度降低约0.21℃，同时可以减少大气臭氧水平，每年可以防止约5万人过早死亡。这一发现打开了与二氧化碳去除直接比较的大门，科学界已经开展相关研究，并可能有助于塑造未来的国家和国际气候政策。南方周末特约撰稿 祝叶华

p 　　据麦姆斯咨询报道，IBM研究人员已研制出吸收光谱平台，可以扩展到红外光谱“指纹区”。IBM公司Thomas J. Watson研究中心的团队展示了一种基于硅光子技术的芯片级光谱仪，对甲烷的探测灵敏度达100ppm。 /p p 　　 p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 59ffd03c487bc.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201711/noimg/4bf995e7-8ea9-4ed8-97e3-82b78498828a.jpg" / /p p 　　该平台采用光纤连接1650 nm半导体激光器和砷化镓铟(InGaAs)近红外探测器来探测甲烷浓度，并使用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)。 /p p 　　这种方式为未来用于气体泄漏检测和废气偷排监测等应用提供低成本、高灵敏度的甲烷探测器解决方案。IBM研究人员表明，光谱范围可以从中红外扩展到8um波长区域，也就是能探测到分子振动的“指纹区”，因此潜在应用范围变得更加广泛了。 /p p 　　在刚刚出版的Optica论文中，团队谈到“研究结果表明，我们有潜力提供可以量产的、低成本的集成光子芯片传感器，并满足大气中气体成分和污染物测量对灵敏度和分子特性要求。” /p p strong 　　可扩展性问题 /strong /p p 　　最先进的TDLAS系统已经证明了其探测ppm级气体的能力，手持式设备使用方便，但制造的可扩展性相对缺乏，因此目前想要在大型网络更广泛地部署有难度。 /p p 　　IBM团队的首席研究员William Green表示，“该方法使用了为光通信应用开发的元器件，对目前数万美元成本的甲烷传感光谱仪来讲，成本大幅降低。此外，由于没有运动部件，也没有精确温度控制的基本要求，这种传感器可以运行多年且几乎不需要维护。” /p p 　　典型的用户可能包括石油和天然气公司，他们能够立即发现和测量泄漏，而不再依赖常规的专业检查。 /p p 　　“在天然气开采和传输过程中，当油井设备故障、阀门卡住或管道出现裂纹时，甲烷会泄漏到空气中，”Green补充道，“我们正在开发方法来使用这种芯片级光谱创建传感器网络，例如可以分布在井场网络。这些传感器的数据由IBM的物理分析软件处理，能自动查明泄漏的位置，并量化泄漏量。” /p p 　　虽然甲烷只是构成地球大气层的气体混合物中很小的一部分，但它的温室效应远远强于我们耳熟能详的二氧化碳。据联合国世界气象组织(WMO)的数据，后者的浓度已经上升到800000年来的最高水平。 /p p 　　WMO在10月30日发布的《温室气体公报》中也提到甲烷浓度已经上升到1853 ppb，相比1984年的1650 ppb水平有所上升，相比工业革命前的水平已经增加两倍。 /p p strong 　　倏逝场 /strong /p p 　　IBM团队的光谱仪设计使用了从长度为10厘米但非常窄的硅波导中逸出的倏逝光，来探测甲烷周围的空气。过去曾采用倏逝波的方法来监测火山气体，其中混合物浓度可以预示火山即将喷发的可能性，还可以用于发现人体呼出气体中细菌感染的迹象。 /p p 　　IBM团队的Eric Zhang解释：“尽管硅光子学系统，尤其使用折射率变化的传感方法，我们已经深究过。我们工作的创新之处是使用此系统从低浓度甲烷中检测出很弱的吸收信号，以及我们这套传感器芯片对噪声的全面分析和最低的检测限。” /p p 　　目前IBM的这套装置用光纤连接，但并没有将激光器或探测器集成到芯片中。该团队正在朝着取消光纤并开发一套完全集成装置的方向努力。 /p p 　　Green在一份声明中称：“我们的工作表明所有在硅光子制造、封装的知识和元器件设计都可以用于光学传感器，原则是用这些技术创建适用于全新应用的量产、低成本的传感器。” /p p 　　从他们的期刊论文结论中可以知道，IBM团队认为光谱仪可以扩展到近红外以外的波长区，他们是这么写的：“事实上，新的波导结构可以避免隐埋氧化物吸收，硅的透明度达8μm，这样光谱仪就适用于中红外范围的分子，芯片级硅光子集成传感器成为用于宽频带、多组分检测的使能平台。” /p /p

近日，大连化物所质谱与快速检测研究中心（102组群）李海洋研究员团队利用自主研发的光电离飞行时间质谱，提出了二氯甲烷真空紫外光电离中的竞争新机制，对研究大气平流层臭氧消耗机制和有害卤代烃的光降解提供了参考。二氯甲烷（CH2Cl2）是一种用途广泛的有机溶剂，也常用作生产过程中的反应介质，但其沸点低、极易挥发，因此带来的环境危害和健康危害等问题也日益突出。在太阳发射光谱中，存在非常强的真空紫外光，可以使二氯甲烷光解产生对臭氧层破坏性非常强的氯原子，因此二氯甲烷的光化学过程对研究平流层臭氧消耗机制具有重要的意义。本工作中，李海洋团队根据不同气压和不同浓度下二氯甲烷光电离产物的差异，提出了二氯甲烷真空紫外光电离的机制：主要的两种光电离产物是CH2Cl+和CHCl2+，CH2Cl+由两个互相竞争的通道——离子对和光解辅助的光电离产生，离子对通道在高数密度下被有效淬灭；CHCl2+由光解和自由基反应产生的CHCl2•自由基通过光电离产生。本工作建立了定量描述二氯甲烷光电离产物的动力学模型，进一步加深了对二氯甲烷在真空紫外波段复杂光化学行为的理解，揭示了光解离在卤代烃真空紫外光电离过程中的重要性。相关研究以“Ionization of Dichloromethane by a Vacuum Ultraviolet Krypton Lamp: Competition Between Photoinduced Ion-Pair and Photodissociation-Assisted Photoionization”为题，于近日发表在《物理化学快报》（The Journal of Physical Chemistry Letters）上。该工作的第一作者是大连化物所博士研究生于艺。该工作得到了国家自然科学基金、中科院科研仪器设备研制项目、大连化物所创新基金等项目的支持。