Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Nature, рост глобальных выбросов водорода за последние три десятилетия привёл к повышению температуры на планете и усилению воздействия метана — одного из наиболее мощных парниковых газов.
Исследование, проведённое международным консорциумом учёных, известным как Global Carbon Project, впервые предоставляет всесторонний учёт источников и поглотителей водорода.
«Водород — это мельчайшая молекула в мире, и он легко утекает из трубопроводов, производственных объектов и мест хранения», — сказал учёный из Стэнфордского университета Роб Джексон, старший автор статьи в Nature и председатель консорциума.
«Лучший способ уменьшить нагрев от водорода — избегать утечек и сокращать выбросы метана, который в атмосфере распадается на водород», — добавил он.
В чём проблема водорода
В отличие от углекислого газа и метана, водород сам по себе не задерживает тепло в атмосфере Земли. Однако, взаимодействуя с другими газами, он косвенно нагревает атмосферу примерно в 11 раз быстрее, чем углекислый газ, в течение первых 100 лет после выброса и примерно в 37 раз быстрее в течение первых 20 лет.
Основной способ, с помощью которого водород способствует глобальному потеплению, — это потребление природных детергентов в атмосфере, которые разрушают метан.
«Больше водорода означает меньше детергентов в атмосфере, из-за чего метан сохраняется дольше и, следовательно, климат нагревается дольше», — сказал ведущий автор исследования Зутао Уян, доцент по моделированию экосистем в Обернском университете, начавший работу в качестве докторанта в лаборатории Джексона в Школе устойчивого развития Стэнфордского университета.
Помимо продления срока удержания тепла метаном, реакции водорода с природными детергентами также производят парниковые газы, такие как озон и стратосферный водяной пар, и влияют на образование облаков.
Источники выбросов водорода
Исследователи подсчитали, что концентрации водорода в атмосфере увеличились примерно на 70% с доиндустриальных времён до 2003 года, затем ненадолго стабилизировались, прежде чем снова выросли примерно в 2010 году.
Основные источники включают разрушение химических соединений, в том числе метана, который сам по себе быстро накапливается в атмосфере из-за растущих выбросов от ископаемого топлива, сельского хозяйства и свалок.
Поскольку метан распадается на водород в атмосфере, больше метана означает больше водорода. Больше водорода, в свою очередь, означает, что выбросы метана сохраняются дольше, нанося больше вреда.
«Самой большой движущей силой увеличения содержания водорода в атмосфере является окисление увеличивающегося количества атмосферного метана», — сказал Джексон, профессор Мишель и Кевина Дугласа в Стэнфорде.
По оценкам авторов, с 1990 года ежегодные выбросы водорода из этого источника выросли примерно на 4 миллиона тонн и достигли 27 миллионов тонн в год к 2020 году.
Другие важные источники водорода с 1990 года включают утечки при промышленном производстве водорода и процесс азотфиксации, который фермеры используют для выращивания бобовых культур, таких как соевые бобы.
Удаление водорода из атмосферы
Наиболее подробные данные в исследовании охватывают десятилетие, закончившееся в 2020 году, и основаны на нескольких наборах данных и моделях, а также на факторах выбросов водорода и газов-предшественников, таких как метан и другие летучие органические соединения.
Авторы обнаружили, что 70% всех выбросов водорода были удалены в течение этого периода почвой, в основном за счёт того, что бактерии потребляли водород для получения энергии.
В целом накопление водорода в атмосфере Земли внесло свой вклад в увеличение средней глобальной температуры всего на долю градуса (0,02 градуса Цельсия) с момента промышленной революции. Это увеличение температуры сопоставимо с эффектом от совокупных выбросов промышленно развитой страны, такой как Франция.
Более 90% производства водорода сегодня требует огромных затрат энергии. Его получают в основном путём газификации угля или парового риформинга метана, которые имеют большие углеродные следы.
Однако теоретически возможно производить водород с помощью возобновляемых источников энергии и практически без выбросов углерода. Большинство сценариев по декарбонизации мировых энергетических систем в ближайшие десятилетия предполагают, что производство низкоуглеродного водорода резко возрастёт.
«Нам нужно более глубокое понимание глобального водородного цикла и его связи с глобальным потеплением, чтобы поддержать климатически безопасную и устойчивую водородную экономику», — сказал Джексон.