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《氧驱动氢进入内核对地球内核组成的影响》

  • 来源专题：深海资源开发
  • 编译者： 徐冰烨
  • 发布时间：2025-03-25

  • 据地震学推测，如果地核完全是铁镍合金，在相应压力和温度条件下地核的密度比预期的理论密度低约5%–10%。因此，地核中应含有一定量的轻元素，主要包括硫（S）、硅（Si）、氧（O）、碳（C）和氢（H）。估算地核中轻元素的种类及相对含量，对于理解地核的现状及其演化历史至关重要，并对地震学、地磁学及行星吸积模型等研究具有深远影响。

    作为宇宙中最丰富的元素，近年来氢受到越来越多的关注，被认为可能是地核中主要的轻元素之一。实验研究表明，由于氢的亲铁性，在行星吸积过程中，有相当数量的氢（0.3%–0.6%质量分数）被捕获到地核中，这一结论也得到了理论计算的支持。进一步的研究表明，若地核中含有约1%质量分数的氢，其压缩波速和密度均能很好地匹配外地核的地震学观测数据。然而，最新研究综合多种约束条件后，认为地核中的氢含量上限约为0.3%质量分数。尽管如此，自行星早期吸积过程以来，液态外地核中实际剩余的氢含量，以及内核固化过程中有多少氢被吸收进固态内核，仍然取决于氢在内核边界（ICB）处的分配。

    中国科学院地质与地球物理研究所张志刚研究员团队对氢在内核边界处的分配进行了数值模拟研究。首先，明确了氢在固-液相之间的热力学分配关系。随后，在地核条件下，对共存的固态和液态Fe-H体系进行了大规模分子动力学模拟。接着，在不同氧含量条件下，计算了Fe-H-O三元体系的化学势，并基于热力学框架计算氢的分配系数变化。研究结果强调了考虑轻元素相互作用对于约束地核组成的重要性，并探讨了氢和氧自行星早期形成至内核固化晚期以来的潜在相互关系及其地球化学意义。研究发表于国际期刊《Geophysical Research Letters》上。


  • 原文来源：https://mp.weixin.qq.com/s/8BnaqrxuPUxUi26uNtkPiQ
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相关报告

  • 《氢的真正希望》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2019-09-02
    • 氢气有很大的前途—但不会像你认为的最强助推器那样。低碳氢和相关合成燃料将成为全球经济大部分区域脱碳的关键，使其成为将全球变暖限制在2°C以下的关键组成部分。但除了这个非常真实的潜力之外还有一些危险的炒作。公司和纳税人冒着燃烧数十亿美元的风险，实现通常被称为“氢能经济”的宏伟愿景，即氢能在整个能源领域的广泛部署，作为脱碳的核心驱动力—包括在没有经济意义的领域。如果公司和政府没有实施低碳氢的战略，他们将浪费大量资金，并可能使雄心勃勃的气候目标更难实现。 　　为了释放这种高度通用且可能零排放的能源载体的巨大潜力，企业和政府都必须加快步伐。公司需要将氢能投资集中在不适合使用更便宜技术的用例上，以及使用现有基础设施大规模部署低碳氢气的情况。就政府而言，政府需要制定一项监管制度，鼓励在规模和适当的地区部署低碳氢。 　　基于BCG专有的H2成本模型和我们评估数百个机会的经验，我们确定了未来十年最有前景的低碳氢应用：氨、钢和化学制造等工业流程，以及潜在的重型运输。 　　如果公司和政府做对了，到本世纪中叶，低碳氢和相关合成燃料的市场可能达到1万亿美元—这是从炒作到现实的明显转变。 　　大规模应用低碳氢 　　作为能量载体，氢具有固有的优点和缺点。从好的方面来说，它是多功能的：氢气可以与氧气一起燃烧产生热量，就像柴油和汽油一样，它可以在燃料电池中反应产生无排放的电力，它可以直接用于化学过程。但它有一些相当大的麻烦：氢是一种难以控制的微小分子，它的能量密度低于碳基燃料，运输和储存相对昂贵。由于目前可用的两种技术缺乏成熟度和规模，低碳氢的生产成本也很高：蓝H2和绿H2。（参见附文“氢气基础知识”。）对于低碳氢气来克服这些缺点，参与者必须确定哪些材料的氢需求将证明在大型生产设施和基础设施（以及蓝色H2，大型二氧化碳物流和存储基础设施）中的投资是合理的。他们必须避开低碳氢不太可能具有成本竞争力的应用。后一类包括用于乘用车，供暖和发电。由于其更高的能量转换效率和利用已建立的基础设施的能力，电池电动汽车已经在个人移动性方面发展成本优势，而燃料电池车辆不太可能实现。因此，氢可能仍然是用于乘用车的小众技术。在空间供暖和温水生成中，各种潜在的低碳技术，如电加热器，热泵，太阳能热，生物质和绿色区域供热，很可能比低碳氢还便宜得多。最后，氢可以说是当今最低成本效益的发电方案之一。即使人们采取经常被吹捧的方法设置电解槽，只有在有可再生能源过剩的情况下才能运行，因此也是如此。 　　氢的基础知识 　　氢可以以各种方式生产和部署。在生产方面，有3种技术： 　　黑色H2。通过天然气或矿物油的蒸汽重整产生，释放二氧化碳到大气中。这是目前最主要和最具成本效益的生产方法。 　　蓝H2。通过蒸汽重整生产，但捕获了80~90％的二氧化碳排放量。二氧化碳被压缩或液化，然后运输和储存。 　　绿色H2。可再生能源用于为水电解提供动力—将水分解为氢和氧—这一过程可产生零碳排放。 　　氢可以在各种转换过程中发挥作用： 　　化学链中的原料。氢是塑料和化肥等产品生产的一个组成部分。 　　直接燃烧中的燃料。氢气可用于简单燃烧，产生热量，运动，最终产生电力，不会产生碳排放。 　　氢燃料电池中的燃料。氢燃料电池是将氢和氧转化为电和水的电化学装置，没有排放。燃料电池可用于固定装置或车辆中。 　　合成燃料中的成分。像汽油和柴油一样，合成燃料也是碳氢化合物。但是，尽管化石碳氢化合物是温室气体排放的重要来源，但合成燃料是由非化石碳（如来自生物量和沼气厂或空气的碳）以及导致温室气体净排放量低或为零的低碳氢制成的。 　　重要的是要注意，虽然低碳氢在这些用途中具有固有的缺点，但这些应用在某些国家可能是可行的。例如，坚持采用气体加热系统的国家可能决定采用低碳氢气混合气体来限制排放。 　　低碳氢的大规模使用将主要应用于几乎没有其他可行的脱碳选择以及技术和基础设施障碍可控的应用中。在接下来的十年中，我们看到两个主要用途：工业流程和重型运输。 　　工业流程。由于几个原因，低碳氢的工业用途是最有希望的。首先，黑H2已经用作生产氨和甲醇以及用于加氢裂化和加氢处理的石油精炼厂中的输入。由于这些市场对氢气的需求已经很稳定，转向低碳氢气的过程相对简单，只需要在氢气生产方面取得进展。其次，这些市场的消费集中在工业区的许多大型终端用户中，限制了对新的氢存储和运输基础设施的投资需求。第三，大多数工业过程公司运行大型资本投资计划来取代和升级现有的氢生产设施—这样的投资周期提供了使原料脱碳的机会。由于类似的原因，低碳氢有可能使钢铁生产脱碳，尽管这需要对钢铁生产设施进行大量再投资。 　　工业应用的潜在规模是巨大的：如果全球目前的所有黑色H2消费量都被绿色H2替代，则所需的可再生能源数量将大致相当于欧盟目前每年产生的总电量（约3,500TWh）。 　　重型运输。遏制重型运输—陆地，海洋和空气的碳排放—是我们面临的最大的脱碳挑战之一。 　　对于重型公路运输而言，低碳氢与燃料电池相结合可能会在未来十年内成为可行的应用。在范围很重要的区域，压缩氢具有比锂电池更高能量密度的优点（但低于柴油）。成功部署将取决于燃料电池成本和效率的显着进步，以及沿主要运输动脉的大规模开发加油和配送基础设施。燃料电池卡车的前景也将部分取决于一个不可预测的因素：电动卡车的范围和充电速度的重大飞跃将严重限制氢气在该应用中的竞争力。 　　对于空运和海运而言，氢基合成燃料具有相当大的前景，但在更长的时间范围内（超过2030年）。尽管这种碳中性燃料的生产是昂贵的，但它们可以用于普通内燃机或涡轮机中，因此可以成为航空和海运等高排放应用中汽油和柴油的可行替代品。合成燃料将主要与先进的生物燃料竞争，例如来自蓝藻或有机废物的燃料，这些燃料仍处于商业开发的早期阶段。 　　不确定性和重大机遇。虽然低碳氢最具吸引力的前瞻性应用是工业过程和重型运输，但潜在用途范围很广，氢技术不断发展。活跃在该领域的公司，如氢气设备制造商，公用事业公司以及可在运营中使用氢气的工业公司，应密切关注市场。鉴于我们在低碳氢市场发展的早期阶段，监管发展和技术进步可能很快导致在其他领域部署氢的机会。 　　但即使低碳氢的使用集中在工业过程和重型运输中，其潜力也是巨大的。我们的模型表明，如果在最合适的应用中部署低碳氢，并且全球排放量符合巴黎2°C的目标（一个巨大的“如果”），那么到2050年，低碳氢和氢基合成燃料的全球市场将达到1万亿美元。 　　低成本低碳氢的途径 　　如果没有可靠的，具有成本效益的生产方式，确定低碳氢的正确用途几乎没有意义。为了提供有关如何实现这一目标的见解，我们建模并确定了使绿色和蓝色H2成本具有竞争力所需的条件。虽然这不容易实现，并且需要监管帮助（包括有效的碳价格），但我们看到了好消息：有一条明确的途径可以使其与黑色H2竞争。 　　正确地得到比例方程。绿色和蓝色H2都面临挑战，需要不同的规模才能具有竞争力。 　　虽然绿色H2可以零排放生产，但今天的生产过程并不具有成本效益，因为大多数配置的设备都是分量表并且运营成本很高。具有成本效益的运营取决于两个发展： 　　？电解槽技术需要成熟，与目前部署的典型5~10兆瓦机组相比，单元尺寸需要增加到100~300兆瓦。这样的开发将使电解槽成本降低50％以上（安装系统降至500欧元/kWel以下）并将效率（生产H2单位所需的电量）提高5个百分点，超过70％。 　　？氢气生产装置应使用可再生能源配置，允许高电解槽利用—每年大约5,000小时或更长时间。 　　最终，符合此处所述要求的绿色H2生产设施将达到一定的规模，以减少每年数十万吨的二氧化碳排放量。 　　蓝色H2面临两个主要挑战。第一个问题涉及实现高二氧化碳捕集率和低每吨存储成本的技术障碍。解决这些问题需要利用蒸汽重整过程的不同部分并进入长期储存场所—例如，那些处于枯竭的海上天然气田的储存场所。第二个挑战是公众对储存设施发展的抵制—这是大多数欧洲国家争论不休的主题。 　　公司正在投资回收捕获的二氧化碳的技术，包括塑料制造—这种努力可以消除对储存的需求。虽然这些技术将增强碳捕获的商业案例，但这些技术的可行性和适用性仍然不确定。 　　蓝色H2项目比绿色H2项目需要更多的基础设施，包括二氧化碳捕集，物流和最终存储。因此，蓝色H2设施必须达到比绿色H2更大的规模才能具有成本效益。我们预计蓝色H2设施需要能够每年减少数百万吨的二氧化碳排放量，才能实现物质规模经济。在这个规模下，我们估计总碳捕获和储存成本可降至100欧元/吨以下，可能低至50欧元/吨，具体取决于捕获率，二氧化碳物流和储存地点的位置。 　　长期技术权衡。虽然每个项目都有独特的经济效益，但商品价格将是所有技术生存能力的关键决定因素。使用我们的模型，假设到2030年蓝色和绿色H2的成本效益部署如上所述，我们可以评估在各种情况下，3种类型的黑色、蓝色和绿色氢气如何相互对应。（见图表）。 　　低碳氢的长期可行性 　　黑色和蓝色氢气之间的竞争取决于碳捕获和储存的进展以及碳的成本。绿色与黑色的竞争力取决于电解技术的进步和3种商品的成本：可再生能源、天然气和碳。蓝氢和绿氢的竞争力取决于碳捕获、储存和电解方面的相关技术进步，以及可再生能源和天然气的成本。（因为蓝色和绿色都是低碳的，所以碳价格的影响可以忽略不计。）当我们观察西欧过去十年的天然气和电力价格时，我们可以看到，在许多情况下，我们上面概述的大规模绿色H2业务将与黑色H2竞争。 　　我们的分析表明，存在具有成本竞争力的低碳氢的可行途径。在蓝色和绿色之间做出选择的公司需要考虑技术进步和商品价格的前景。无论他们选择何种技术，他们都需要一个以智能和监管支持为特征的环境。 　　建立正确的监管制度 　　公共部门在氢气中的作用与私营公司一样重要。在过去的十年中，在各种应用和行业中已经有数百个低碳氢试点项目—其中大多数都获得了大量的公共补贴。国际能源署估计，仅在欧洲就有150个公共资助的氢气示范项目，每年约有7亿美元的公共研究资金流向氢气。资金分散在过多的使用案例中，其中许多用例的长期可行性有限，而且工作量通常是次级量表。监管机构现在应该进入下一阶段，支持扩大低碳氢气。他们需要向能够真正发挥作用的领域提供支持，而不是机会性地在整个市场上提供补贴。要做到这一点，他们应该首先确定低碳氢是减少碳排放的最佳经济选择的应用。一旦确定了这些“排放痛点”，政府就应该激励公司投资一系列初始项目。该监管制度应该有三个重要组成部分： 　　？一般而言，二氧化碳排放量，特别是黑色H2产生的二氧化碳排放量应该定价。 　　？对于可用于低碳氢的地区，政府应提供赠款以支持对大型设施的投资。这种支持将是碳减排的关键且最终具有成本效益的驱动因素。 　　？为了促进绿色H2的发展，政府应该建立支持性的电力监管。这应该包括免除使用电网费和征税的可再生能源的大型电解槽，类似于铝，纸和氯等能源密集型行业经常享有的豁免。与此同时，各公司需要提出比其他无碳替代品成本最低的大型低碳氢项目。作为雄心勃勃的气候保护议程的一部分，这些项目将有最好的机会获得公众支持。 　　企业如何在氢气行业中取胜 　　我们相信，在未来十年内，我们将看到第一个大规模，低碳氢应用。为了塑造这些机会，并使自己定位以从中获益，氢气参与者应该将几个因素整合到他们的战略中： 　　？坚持长期生存。寻求快速、单一资产措施以减轻其碳足迹的公司最好使用诸如能源效率、电气化和可再生能源采购等策略，而不是低碳氢。低碳氢领域的成功参与者将从长远的角度出发，投资于资产、技术和能力，这些资产、技术和能力在今天是一个合理的商业案例，但在长期内有潜力提供具有吸引力的大规模投资机会。 　　？合作使经济学发挥作用。今天很少有低碳氢项目单独由一方执行时可能产生有吸引力的回报。因此，公司必须在氢能和能源价值链上合作。例如，公用事业和技术专家可以与拥有和运营排放基础设施但缺乏电力市场和低碳氢技术的工业公司一起开发低碳氢机会。如果做得好，没有一个合伙人会在这些项目上获得超额回报—但没有人会遭受沉重的损失。 　　？评估端到端系统价值。低碳氢市场上的公司需要在从原料到最终用途的整个价值链上优化其系统。例如，风电场和太阳能发电厂的业主在某些情况下可以将其可再生能源资产直接与电解槽相连，从而在两端产生效益：可再生能源公司通过签订长期合同来降低市场风险，而低碳氢电厂则以低成本、绿色电力锁定市场。 　　？建立在竞争优势的基础上。降低低碳氢气并不适合所有人。在资产和能力方面具有竞争优势并且能够以这些优势为基础的公司将占上风。例如，追求蓝色H2的公司应该确保他们能够利用地下储存设施，天然气基础设施和石化专业知识网络，并且能够获得产量。拥有或访问这些资产和功能可以实现更快的扩展，并有助于降低技术和商业风险。 　　？让监管机构保持开放和诚实。扩大和部署低碳氢解决方案并非易事。这需要私营部门全身心投入的支持这些项目。公司应该与监管机构进行基于事实的对话，监管机构重点关注实现足够规模的重要性，并对未来的挑战保持诚实。例如，一家综合公用事业公司与钢铁公司合作，与国家政府进行讨论，以推动钢铁在20年内减少碳排放。这种对话最终导致政府支持在钢铁生产中使用低碳氢的项目—这些努力符合政府减少碳排放和促进该国钢铁部门长期竞争力的目标。 　　从炒作到现实 　　低碳氢气是一个巨大的商机。如果各国兑现承诺将全球变暖限制在2°C，那么低碳氢可能会成为一个万亿美元的市场。即使这种需求只占其中的一小部分，但潜在的商业机会对公司来说太大了，特别是在能源领域，从旁观看。这就是为什么大型工业公司，设备公司，公用事业公司和投资者必须在今天采取行动，发展对低碳氢技术的系统性理解—成本、可能的发展轨迹以及他们在某些目标应用中与其他技术的竞争地位。通过深入了解低碳氢在经济意义上的位置，他们可以开发出合适的技术和投资组合，以便将资源用于风险最低的最佳机会。那些了解何处以及如何利用低碳氢能源的人将在快速增长的市场中为自己创造一个位置—并且在此过程中将成为应对气候变化的重要推动力。这并不容易，但对于获胜者而言，这将是值得的。
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  • 《地球的气候有多敏感？二氧化碳对臭氧层影响的新研究告诉你答案》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2020-09-23
    • 对未来几个世纪的全球变暖做出更好预测的一个方法是回顾过去的气候变化。来自Geomer Helmholtz海洋研究中心、美国和英国大学的一个研究小组目前对3000多万年前始新世时期的气候进行了更详细的观察，当时全球气温比现在高出14度左右。其结果是：大气中的二氧化碳对温暖地球的影响可能比先前假设的更大。这项研究最近发表在《Nature communications》（自然通讯）上。 始新世于5600万至3400万年前开始持续，这是地球历史上最近的一次温室效应期，与全球变暖有关，在南极洲可以找到温带雨林，鳄鱼占据了覆盖北美和欧洲部分地区的潮湿沼泽地。然而，在始新世时期，气候急剧降温，随着南极冰川作用，气候结束于转变为我们目前所经历的冰库气候。地球科学家研究可始新世的重要时间间隔，以研究气候系统在比今天温暖得多的情况下的行为。 到目前为止，还不清楚这一时期气候的发展与二氧化碳的关系。最近的气候模型研究也表明温暖的气候比寒冷的气候对二氧化碳的变化更敏感。随着二氧化碳的增加和地球的持续变暖，这对我们未来的气候有着特别重要的意义。在发表在《自然通讯》杂志上的这项新研究中，来自GEOMAR Helmholtz海洋研究中心基尔分校以及南安普顿大学、加的夫大学、开放大学、布里斯托尔大学和加利福尼亚大学的科学家首次对此进行了广泛的测试。根据表层水的酸度（pH）和对海洋方解石饱和状态的估计，作者计算了大气二氧化碳在始新世是如何演化的。所用数据是通过研究始新世沉积在海底的古代海洋浮游生物化石贝壳中的硼同位素组成获得的，由IODP计划所收集。 新的二氧化碳记录为始新世气候演化提供了一个新的和全面的观点，并为二氧化碳水平与温暖气候状态之间的联系提供了有力的证据。它揭示了火山作用、岩石风化和有机物质埋藏如何影响二氧化碳的自然浓度，进而影响气候。通过将这一新的二氧化碳记录与气候如何冷却的信息进行比较，这项研究还揭示了气候敏感性在始新世是如何演变的。 研究人员认为他们的新数据集很好地说明了平衡的气候敏感性似乎与地球温度有关，气候敏感性描述了当大气中的二氧化碳增加一倍时全球温度升高的程度。根据IPCC（政府间气候变化专门委员会）最新报告公布的结果，二氧化碳浓度翻番会导致全球变暖1.5-4.5℃。 （王琳 编译）
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