然而，几乎在同一时间，另一种变化却让科学家感到困惑。在二氧化碳之后，人类排放的第二大温室气体——甲烷——开始以异常速度上升。2020年，甲烷浓度的增长率达到每十亿分之16.2，是自20世纪80年代初开始系统监测以来的最高值。一项发表在《科学》杂志上的研究指出，这两种看似矛盾的变化，很可能在大气化学层面紧密相连。

甲烷并不会在大气中自然消失。早在20世纪60年代末，科学家就已确认，大气中存在一种关键的“清洁机制”。羟基自由基是一种高度活跃、寿命极短的分子，能与甲烷发生反应，将其分解为水蒸气和二氧化碳。北京大学教授、该研究的合著者彭淑士解释说，羟基自由基本身的存在时间不足一秒，必须依靠阳光驱动的一连串化学反应不断生成，才能持续发挥作用。

这些反应中不可或缺的成分，正是氮氧化物。讽刺的是，氮氧化物恰恰是人们长期试图减少的空气污染物。2020年大范围封锁期间，汽车停驶、工厂停工，全球氮氧化物水平下降了约15%到20%。结果是，羟基自由基的生成速度大幅减慢，大气清除甲烷的能力随之下降。彭和他的同事估算，这种“甲烷汇”的削弱，可能解释了2020年甲烷异常激增中约80%的增量。

空气变得更干净了，但甲烷却在大气中停留得更久，持续增强温室效应。问题随之而来：剩下的甲烷究竟来自哪里？在疫情初期，不少人猜测，这可能是石油和天然气行业的超级排放事件，或是封锁期间基础设施维护不足导致的泄漏。

但新的研究结果否定了这种直觉判断。

即便大气清除能力下降解释了大部分激增，仍有约20%的增长，以及2021年和2022年更大比例的增量，来自地表排放本身的增加。为了找出这些排放的来源，研究团队分析了来自多颗卫星以及全球地面监测站的海量数据。

甲烷的“指纹”隐藏在其同位素组成中。化石燃料来源的甲烷通常较“重”，含有更高比例的碳-13；而由动物肠道、垃圾填埋场，尤其是湿地微生物产生的甲烷则较“轻”，富含碳-12。当研究人员分析美国国家海洋和大气管理局全球气瓶网络的数据时，发现甲烷激增期间，大气中的甲烷明显变轻。这几乎排除了管道泄漏或发电厂排放的可能性，指向了生物来源。

换句话说，这并不是机器在“漏气”，而是微生物在大量繁殖。

时间点同样耐人寻味。疫情爆发的同时，地球正经历一次相对罕见的气候过程——拉尼娜现象。作为厄尔尼诺—南方涛动的冷位相，拉尼娜通常会增强热带地区的降水。从2020年到2023年，它连续影响了北半球三个冬季，使全球多地异常潮湿。

借助温室气体观测卫星和先进的大气模型，研究人员将轻甲烷的排放源追踪到热带非洲和东南亚的广阔湿地。在南苏丹的苏德沼泽、刚果盆地等地区，创纪录的降雨淹没了大片土地。水浸、缺氧的环境为产甲烷微生物提供了理想条件，使甲烷生成速度显著加快。研究团队估计，仅热带非洲和亚洲的湿地，就贡献了2020年至2022年全球甲烷排放增长的约30%。

长期以来，甲烷被视为气候政策中“相对容易”的突破口。它在大气中的寿命比二氧化碳短得多，因此人们普遍认为，只要切断人为排放源，大气中的甲烷浓度就能较快下降。然而，这项研究揭示的现实更加复杂。

首先，是气候反馈本身的风险。如果气温上升和降水模式变化持续扩大自然湿地的排放规模，人类可能会被迫与一个无法轻易关闭的生物源“赛跑”。其次，则是研究中浮现出的清洁空气悖论。

随着社会逐步摆脱化石燃料、改善城市空气质量，氮氧化物水平必然下降。这对公共健康而言无疑是胜利，但同时也意味着，大气自然清除甲烷的能力会同步减弱。

这一结论在政治语境中极易被误读。它似乎暗示，燃煤电厂、大排量汽车和私人飞机正在“帮助”清除温室气体。但彭对此给出了明确回应：干净的空气是不可妥协的前提。

真正的含义在于，如果大气的自净能力因空气质量改善而下降，人类就必须在甲烷减排上付出更大的努力。为了弥补羟基自由基减少带来的影响，我们可能需要比此前设想的更加激进地削减人为甲烷排放。彭直言，这是政策制定者几乎唯一的选择。

本文译自：arstechnica，由olaola编辑发布

封面图片：unsplash/Mara F

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那么，为什么同样的纬度，欧洲城市冬季会比北美温暖？答案与 洋流、大气环流和地理环境 有关。

大西洋洋流：热量输送的“巨型传送带”

英国国家海洋学中心公海物理学负责人 Ben Moat 指出，大西洋的洋流系统把热量从热带地区输送到欧洲。这条名为 大西洋经向倾覆环流（AMOC） 的海洋环流，就像一条巨型传送带，将大量温暖海水输送到北大西洋。Moat 形象地说，这相当于每秒移动约 1,700 万立方米水和 1.2 拍瓦热量，相当于一百万个发电厂同时运转产生的热量。

这种温暖海水不断加热大气，使欧洲冬天比北美同纬度地区温和许多。

西风：大气中的“风扇加热器”

伦敦大学学院海洋与气候科学教授 David Thornalley 补充说，盛行的西风将北大西洋上升的暖空气从海洋吹向欧洲内陆，像一台“风扇辅助加热器”。冬季西风尤其强劲，使得英格兰西南部等地区的冬季气候相对温暖，与加拿大和美国中部内陆城市相比差异明显。

海洋的储热效应：冬季的天然暖气

欧洲大陆相对狭窄，四面环水，靠近海洋地区的冬天也因此比大陆深处更温暖。海水在夏天积累热量，冬天释放出来，加热上方大气层，起到天然暖气的作用。相比之下，北美内陆地区远离海洋，冬季缺乏这种“缓冲”，温度骤降明显。

总结

虽然同样纬度的北美和欧洲城市在地理位置上差不多，但洋流、大气环流以及靠近海洋的地理环境，让西欧冬天比北美温和许多。这也解释了为何伦敦的冬天舒适，而卡尔加里或温尼伯等北美城市则寒冷刺骨。

本文译自：livescience  .由olaola编辑发布

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从技术角度看，这个模型的分辨率是1.25公里，而不是精确的1公里。但即便如此，它的规模依然惊人：模型覆盖了地球上所有陆地和海洋，总计约3.36亿个“地表单元”，在此基础上还叠加了相同数量的“大气单元”，总数达到6.72亿个计算格点。每一个格点都代表地球系统中的一个小部分，模型会对每个格点运行相互关联的计算，以模拟地球上的主要动力过程。

研究团队将这些过程划分为“快”和“慢”两类。“快”的系统包括能量与水循环——也就是天气变化。这类系统变化极快，想要准确捕捉，模型的空间分辨率必须足够高，1.25公里正好可以满足这种需求。研究人员使用了德国气象局与马克斯·普朗克气象研究所联合开发的 ICON（Icosahedral Nonhydrostatic）模型作为基础。

“慢”的过程则包括碳循环、生物圈变化和海洋地球化学反应，这些系统反映的是以年甚至几十年为单位的气候趋势，而不是雷暴在几分钟内从一个格点移动到下一个格点的变化。正是将这两种截然不同时间尺度的过程结合在一起，构成了这项研究的最大突破。此前能同时处理这些复杂系统的模型，其分辨率通常都在40公里以上，而此次团队成功将分辨率提升到了1.25公里，这在气候科学领域堪称飞跃。

要实现这一点，研究人员不仅依靠了强大的硬件，还进行了深度的软件工程优化。原始的ICON模型是用Fortran语言编写的，几十年来不断被添加新功能，代码结构复杂、难以在现代计算架构中高效运行。为此，团队采用了一种称为“数据中心并行编程”（DaCe）的新框架，使得老代码能够在现代超级计算机上高效执行。

运行这套系统的硬件来自欧洲两台顶级超级计算机——德国的 JUPITER 和瑞士的 Alps。它们都搭载了英伟达（NVIDIA）最新的 GH200 Grace Hopper 芯片。这种芯片同时集成了 GPU（用于高并行任务）和 ARM 架构的 CPU（用于控制与逻辑运算）。研究人员巧妙地将模型中的“快”过程放在 GPU 上运行，而“慢”过程则由 CPU 处理，两者协同工作，极大提升了整体效率。

最终，团队利用20,480个GH200芯片，仅用一天时间就模拟了145.7天的全球气候变化过程。整个模型涉及近1万亿个“自由度”，也就是需要计算的物理量的总数。这一计算规模前所未有，足以说明这套系统的庞大与精密。

不过，普通气象台暂时还无法使用这种级别的模型。因为要运行它，需要巨额的资金和极为稀缺的计算资源。而目前，这些高端算力更多被用于生成式人工智能训练，而非科学模拟。

尽管如此，这项研究仍然具有里程碑意义。它展示了当代科学家如何用最前沿的技术，将地球的复杂系统以近乎真实的方式复刻在计算机中。或许在不久的将来，地球的数字孪生体不再只是科研中的实验模型，而能真正成为人类理解气候变化和自然系统的关键工具。

这项研究目前已作为预印本发表在 arXiv 上。

本文最初发表于 今日宇宙.阅读原文。

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