全球暖化未爆彈，埋藏在海底的甲烷冰

甲烷也是溫室效應的重點

通常，大家在討論地球暖化時都會先想到二氧化碳的影響。這是因為近年地球暖化加劇的主因就是工業革命之後，大量的二氧化碳等溫室氣體逸散到大氣，改變大氣濃度的組成。但是在溫室氣體（會造成溫室效應的氣體）中，甲烷對於溫室效應的影響力其實緊接在二氧化碳之後。

含量第二  但效果是第一名的 25 倍

雖然甲烷在大氣中的含量不比二氧化碳來得高（根據統計，2015 年美國排放的溫室氣體，二氧化碳占 82%，第二名的甲烷則為 10%），但一個單位分子的甲烷可產生的溫室效應效果，卻是二氧化碳的 25倍。

▲ 甲烷冰是甲烷和水分子構成的結晶，外觀看起來像是冰塊卻可以燃燒。綠色球體代表甲烷，紫色小球是水分子，只有特定的立體結構才能組成穩定的甲烷冰。（Source：GEOMAR）

發現甲烷的新形態：甲烷冰

甲烷冰（Methane hydrates）是甲烷水合物的別名，看起來像冰塊卻又可燃，所以又稱為「可燃冰」（flammable ice 或 burning ice）。因為甲烷冰一定要在高壓低溫的環境下才能穩定存在，所以甲烷冰多半蘊藏在海床裡。

科學家認為，甲烷冰是自然界「儲存」甲烷的方式：甲烷可以和水結合形成甲烷冰，儲存在海床裡，才能讓大氣中的甲烷含量維持在一定濃度，達成平衡。而且，1 立方公尺的甲烷冰蘊含的甲烷含量，是一大氣壓下氣態甲烷的 164 倍。

▲ 這是剛從海底開採出來的甲烷冰，外觀看起來就像白色的冰塊。（Source：Petroleum Geology）

開採過程一個不小心  就會加劇溫室效應

然而，只要甲烷冰一離開低溫高壓的環境，甲烷冰中的甲烷和水就會分開。

這讓甲烷冰的開採出現難題：只要開採過程不小心讓甲烷從甲烷冰釋放出來，就會讓甲烷逸散到大氣，加劇溫室效應，讓地球暖化更嚴重。

▲ 現在有德國科學家發現，比起地球暖化，挪威的冰河更容易讓甲烷冰分解。圖為 2016 年，挪威的布隆史川德冰河（Blomstrand Glacier）。（Source：達志影像）

海水溫度上升  加速甲烷冰融化？

同時，科學家也擔心全球暖化讓海水溫度上升，是否會讓蘊藏在海床的甲烷冰融化，如果甲烷因此逸散到大氣，就會加劇全球暖化的速度。

但在找出海水溫度上升是否會讓甲烷冰融化之前，科學家必須要先找出甲烷冰能穩定儲存在海床裡的原因，或其他可能會讓甲烷冰融化的因素。

冰河沉降比暖化更厲害

德國的基爾亥姆霍茲海洋研究中心（Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel，GEOMAR）研究團隊發現，挪威冰河大幅沉降比起暖化的海水溫度更會使甲烷冰變成甲烷和水。

▲ 研究團隊為了要找尋甲烷冰和冰河沉降之間的關聯，來到挪威。因為挪威的海底有不少麻坑地形，科學家認為麻坑形成和地底的氣體有關。圖為麻坑地形樣貌。（Source：Flickr/Alexander Synaptic CC BY 2.0）

研究就從麻坑開始

研究團隊首先來到挪威的聶加（Nyegga）地區，他們認為這個地方是最適合研究海床上氣體和液體動力學的地方。這裡除了蘊含大量甲烷冰，海底還有不少像火山口的麻坑（pockmark），麻坑和蘊藏在地底的氣體有關：當地底氣體要爆發出來的時候，就會形成麻坑地形。

選擇聶加地區當研究開始還有另一個原因：因為這個地方已有不少現成的測量數據，能省下許多力氣。

最後一次冰河期  甲烷冰變得不穩定

研究團隊利用最後一次冰河時期（距今 3 萬到 1 萬 5,000 年前）的數據進行電腦模擬，因為冰河時期短時間內就能累積大量沉積物，且冰河時期海平面上升，就會增加海底壓力。

結果發現，原本蘊藏在海底的甲烷冰變得很不穩定，有很多甲烷從甲烷冰裡跑了出來。

▲ 左圖為甲烷冰層很穩定的層層堆積在海床上，底下的黃色圓點代表氣體分子。如果地層受到擠壓（紅色箭頭），原本蘊含在地層底下的氣體（黃色圓點）就會像火山爆發一樣離開海底。地層受到擠壓，同時也會有地方（墨綠色）塌陷，從外面看起來表面就會出現一個坑一個坑的樣子，形成麻坑地形。（Source：Flickr/GRID Arendal CC BY 2.0）

因為變化速度太快

研究團隊的卡斯坦斯博士（Dr. Jens Karstens）表示，甲烷冰只會穩定存在於特定水深，當有大量沉積物產生時，甲烷冰就會從最底部開始解離成甲烷和水，同時，又會在最上層形成新的甲烷冰。

然而，如果海底的甲烷濃度已經飽和，再加上變化速度太快，這些從甲烷冰底部解離出來的甲烷，就不會在上層形成新的甲烷冰，而會直接逸散出去，就像這次的模擬結果。

甲烷冰還可以阻止海嘯發生？

另一方面，1990 年代起科學家也注意到在海底大陸坡藏有大量甲烷冰。

海底大陸坡的甲烷冰常會誤認成是水泥，於是科學家推測，這些在大陸坡的甲烷冰有強化地盤的效果，讓大陸坡不容易鬆動、滑移而引發海嘯。

▲ 科學家猜測，如果海床的甲烷冰可讓地盤更穩固，那個地方就不容易引發海嘯。圖為 2018 年在美國加州高速公路旁的海嘯注意標誌。（Source：達志影像）

不，甲烷冰讓地盤鬆動了

GEOMAR 的團隊又接著進行下一個實驗，結果發現甲烷冰真的和海底地盤滑移有關。但甲烷冰並沒有讓地盤變得更堅固，反而間接讓沉積在甲烷冰上層的地盤鬆動了。

這個水深不對

GEOMAR 的埃爾格博士（Dr. Judith Elger）解釋，他們注意到水深不太對。不論海水溫度升高或海平面下降，甲烷水合物一開始先從大陸坡的上層開始解離，但是最常見的海底地盤滑移是發生在更深的位置。

▲ 甲烷冰層讓地層更容易鬆動的示意圖。右下角深褐色的區域是地下穩固的地層，和土黃色地層之間夾著甲烷冰層。如果甲烷冰層出現裂縫，讓氣體可以逸散到海洋（右上角藍色氣泡），就會讓甲烷冰層以上的地層鬆動、坍方。（Source：Flickr/GRID Arendal CC BY 2.0）

撐不住就會有裂縫

研究團隊發現，如果甲烷冰在海底形成堅固的不透水層，就能讓氣體和其他流體在不透水的甲烷冰層底下自由活動。但隨著時間經過，甲烷冰層底下的流體壓力過大，甲烷冰層支撐不住就會產生裂縫。

裂縫釋放了壓力

這些甲烷冰層的裂縫變成底下流體的通道，讓壓力可以釋放、轉移到甲烷冰層上的沉積層，就使甲烷冰層上的沉積層鬆動、坍方。

▲ GEOMAR 的研究團隊利用斯瓦巴群島 3 萬年前的地震波數據，進行這次的甲烷冰研究。圖為斯瓦巴群島的朗伊爾城。（Source：Flickr/Torbjørn Taskjelle CC BY 2.0）

從地震波看見裂縫

研究團隊表示，他們以 3 萬年前的斯瓦巴（Svalbard）群島水深 750~2,200 公尺的地震波數據進行電腦模擬。

從電腦模擬的結果，可從地震波數據看到甲烷冰層裂縫產生的流體通道。

▲ 要實際觀察海床的甲烷冰，就必須要潛入海底鑽取。（Source：Flickr/Ocean Networks Canada CC BY 2.0）

研究還沒結束

GEOMAR 的研究發現海底的甲烷冰層對冰河沉降和地質鬆動之間的關係，這些都是之前不曾考慮過的因素。

埃爾格博士表示，接下來可以利用歷史地震波數據，來調查其他地區的海底是否也有類似甲烷冰層的裂縫。

• Glacigenic sedimentation pulses triggered post-glacial gas hydrate dissociation
• Why did gas hydrates melt at the end of the last ice age?
• Stable gas hydrates can trigger landslides

（本文由 地球圖輯隊 授權轉載；首圖來源：World Mirror）