氢气经济对大气甲烷的风险

实现净零碳排放的承诺重新引起了人们对氢(H₂)作为低碳能源的载体^1，2．目前,H₂主要用作工业原料，其全球生产的碳足迹很高，因为它几乎完全依赖(≈95%)化石燃料¹．然而，许多生产H₂更低的碳足迹¹．其中，低碳H₂可以通过可再生能源供电的电解水生产(绿色H₂)或来自甲烷重整加上碳捕获和储存(蓝色H₂)．H₂燃料对于直接电气化复杂的能源和运输部门(如重工业、重型公路运输、航运和航空)的脱碳尤其重要¹．H₂也被考虑用于储存可再生能源¹．由于这一潜力，占世界人口三分之一以上的国家制定了大规模H₂生产^1，2．

即使更多的以氢为基础的经济会减少CO₂减少废气排放，改善空气质量^3.，它也会增加H₂排放到大气中。H₂分子非常小，很难包含，所以它仍然是很大程度上未知的H₂将在未来的价值链中泄漏。H₂由于排气、净化和不完全燃烧也会产生排放^4，5，6．H的潜在增加₂迄今为止，碳排放受到的关注相对较少，因为H₂既不是污染物，也不是温室气体。然而，它早已为人所知^{7，8，9，10}H₂排放可能通过扰动大气中其他温室气体的浓度而产生显著的间接辐射强迫。这种间接的温室气体效应₂呼吁对全球H₂预算及其扰动的环境后果^11，12．

H₂它是大气中仅次于甲烷的第二丰富的活性微量气体，平均浓度约为530 PPB_v¹³．H₂来源包括直接排放(占总来源的≈45%)和挥发性有机化合物(≈25%)和甲烷(≈30%)氧化在对流层产生的物质。^11，14．主H₂碳汇是土壤细菌的吸收(占对流层总清除量的70-80%)和大气中与自由基OH的反应(20-30%)，后者是造成H的间接温室气体效应的原因₂．H₂与OH自由基的反应倾向于增加对流层甲烷(CH₄)和臭氧(O_3.)，这两种气体都是强效的温室气体。它还增加了平流层的水蒸气，这与平流层的冷却和对流层的变暖有关^8，15．最近的全球气候模型估计，氢的间接辐射强迫约为1.3¹⁴-1.8¹⁶10⁻⁴W m⁻²磅的\({}_{{{{{{{{\ rm {v }}}}}}}}}^{- 1} \)全球变暖潜能值(GWP)在100年的时间范围内为11±5¹⁶．因此,H₂排放远不是气候中性，其最大影响与大气CH扰动有关₄^14，16是第二重要的人为温室气体。

H₂和CH₄是紧密相连的(图;1)．首先，这两种气体从大气中的去除是由它们与OH的反应控制的，OH是大气中甲烷的主要汇(≈90%)^17，18．对流层H浓度的增加₂可降低OH的有效性，从而削弱CH₄的去除和增加CH₄他的一生和富足^14，19．其次，甲烷是氢的主要前体。也就是说,CH₄氧化产生甲醛，其光解产生H₂．森林-空气记录表明H₂可以用CH的增加来解释₄浓度^20.．

此外,H₂和CH₄在工业层面上是联系在一起的。全球约60%的H₂目前生产的是蒸汽甲烷重整(灰色H₂)，占全球天然气使用量的6%¹．在未来十年，蒸汽甲烷重整加上碳捕获和储存可能仍将是大规模H₂生产(蓝色H₂)，因为H₂可再生能源生产(绿色H₂)将需要一段时间才能投入运营并获得经济效益²．

自从CH₄是自工业时代开始以来造成大气变暖的第二大因素，而且全球都在努力减轻其大气水平²¹，对大气CH的响应进行量化是至关重要的₄增加H₂生产。

我们通过一个简单的大气模型来分析这个问题，该模型捕获了H₂和CH₄(“方法”)。瞬态动力学研究(“方法”)表明，任何H₂向大气排放脉冲导致大气CH的瞬态增长较小₄其影响持续几十年。在下一节中，我们将重点讨论对流层H₂和CH₄将对能源系统持续排放的情况做出反应，其中部分化石燃料能源份额被绿色或蓝色H₂．分析强调了大气CH₄可以减少或增加，主要取决于H₂生成途径和H₂迷失在大气中。后者通过氢发射强度(HEI)来定义，即H的百分比₂被排放到大气中。具体来说，我们找到了一个临界HEI，高于CH₄尽管化石燃料的使用减少了，但大气负担却增加了。我们评估了这一关键HEI量化的关键因素和主要不确定性。最后，我们讨论了我们的结果如何帮助政策制定者更好地了解与氢生产和使用不同场景相关的权衡。

发射的场景

在这里，我们研究了向更多以氢为基础的能源系统过渡将如何影响甲烷和氢的对流层负担，其中氢取代了当前部分化石燃料能源(2019年≈490 ExJ)²²)．为了达到这个目标，我们估计CH₄和H₂源的变化,\({{\三角洲}}{年代 }_{{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ 4}} \)而且\({{\三角洲}}{年代 }_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ 2}} \)，其中Δ表示与当前对流层条件的差异(“方法”)。这种化石燃料的替代减少了CH₄和H₂(图源。1)．H的上升₂生产产生额外的H₂故意(例如，排气)和非故意(例如，逸散)损失造成的排放，以及可能的CH₄与蓝色有关的排放物₂生产。

H的变化₂排放可以从替代化石燃料产生的氢气量和HEI，即H的百分比来估计₂被排放到大气中。由于整个氢气价值链的排气、净化、不完全燃烧和泄漏，可能会发生损失。未来全球H的HEI₂价值链是非常不确定的。文献值范围为1 ~ 12%^4，9，23，但在大尺度上不太可能出现上限，因为它既不安全，又太昂贵。具体H₂基础设施建议HEI在0.1到6.9%之间，这主要取决于氢气生产和运输的途径⁶．为了解释这些不确定性，并探索更广泛的可能场景，这里我们将HEI从0到10%的总产氢(图2)。2a).此范围的下界和上界代表一个完全密封和高度泄漏的全局H₂分别是价值链。有一个完美密封的氢价值链，H₂由于化石燃料的使用减少，排放量只会减少。相反，高度泄漏的H₂价值链，加上H₂在能源市场上，可能会使氢排放量增加到目前总来源的几倍，约为80 Tg H₂年⁻¹．

CH的变化₄排放量不仅取决于被氢取代的化石燃料能源的百分比，还取决于氢的生产途径。对于绿色H₂，即从可再生资源中获得的氢，我们将CH标度₄基于氢使用导致化石燃料消耗减少的排放(图。2b).目前与化石燃料开采和分配相关的甲烷排放估计在80-160 Tg CH范围内₄年^{−118，24，25}在煤炭、石油和天然气行业中分布相对平均²⁶．这里我们使用了自上而下的111 Tg/年估算¹⁸．

蓝色H₂，由蒸汽甲烷重整(SMR)引起₄来源不仅解释了化石燃料消耗的减少，还解释了与蓝氢生产相关的甲烷排放(排气、不完全燃烧、逸散)。这些排放量取决于CH的含量₄需要产生H₂即SMR工艺的原料和能量需求(“方法”)，以及CH₄泄漏率。全球天然气供应链的准确平均泄漏率仍不确定。原因之一是国家排放清单通常低估了实际排放量^{27，28，29，30.}．更详细的研究依赖于美国和加拿大的实地测量，估计平均泄漏率约为2%^{28，29，30.}，不同运营商之间存在较大的空间异质性³¹．尽管国家库存显示，委内瑞拉和土库曼斯坦等国家的泄漏率更高²⁶，这里我们取2%作为最大全局CH₄我们设想的泄漏率，因为减少甲烷的努力可能会降低未来的全球泄漏率²¹更重要的是，因为不是所有产生的氢都是蓝色H₂．对此，蓝色H₂含2% CH₄泄漏率也可以解释为绿色H等产量的组合₂和蓝色H₂含4% CH₄泄漏率。我们用0.2%作为CH的下界₄泄漏率，因为这已被宣布为2025年的几家能源公司的目标³²．1%代表蓝色H的中间情景₂生产。

数字2b为结果CH₄与绿色和蓝色相关的排放₂甲烷泄漏率分别为0.2%、1%和2%。不同的泄漏速率对甲烷的排放有很大的影响。与化石燃料能源系统相比，CH₄蓝色H区排放量减少₂情景中甲烷损失为0.2%，但蓝色H中甲烷损失大幅增加₂假设甲烷损失为2%。用蓝色H代替化石燃料₂甲烷损失为1%时，对CH基本无净影响₄排放。

作为一个具体案例，我们还对H₂和CH₄在一系列净零情景下，与未来制氢估计相关的排放变化。H₂预计产量将从目前的90 Tg/年增加到2050年的530-660 Tg/年^2，33，34．因此，我们认为全球H上升500 Tg/年₂生产，在能量上相当于目前化石燃料能量的15%。数字3.a表示如何，取决于H₂生产途径和氢气和甲烷泄漏率的不同，这两种气体的排放变化会有很大差异。

对流层的反应

对于前面的排放情景，我们评估了对流层氢和甲烷平衡浓度的变化，即Δ[H₂Δ[CH .₄］．达到平衡的时间尺度由气体的平均寿命决定(“方法”)。在补充图中报告了OH的稳态浓度的相应变化。1而且2．

H₂经济导致对流层H升高₂由于额外的排放(图;2c).作为氢价值链排放的函数，这种增加的强度变化很大。浓度变化可以小于100 ppb_v到2000 ppb以上₂经济，即从目前的H +300%₂对流层的水平。

大气CH的响应₄甲烷排放变化与氢排放增加导致甲烷汇减弱共同作用的结果。为了区分这两种机制，关注化石燃料被绿色H取代的情景是有用的₂．在完全密封的绿色H₂价值链(HEI = 0%)， [CH₄[答案]₂都是因为化石燃料排放的减少。当H₂排放增加(HEI > 0)， Δ[CH₄]也增加了。直到HEI超过一个临界阈值时，大气中的甲烷就会增加，即Δ[CH₄> 0，尽管甲烷排放量更低。这个临界HEI在绿色H的8-10%范围内₂因为它对被H取代的化石燃料能源的百分比有微弱的非线性依赖₂(参见补充图。3.)．

蓝色H₂含0.2% CH₄泄漏率与绿色H相差不大₂情况下，临界HEI在7-8%之间。对于蓝色H的情况₂含1% CH₄泄漏率，因为甲烷排放量基本没有变化(图;2b)，甲烷响应仅与高H导致的OH有效性降低有关₂浓度。这个蓝色H的临界HEI没有定义₂因为甲烷负担在所有情况下都在增加。蓝色H的最坏情况₂含2% CH₄泄漏率表明，对流层中这两种气体的浓度存在巨大差异，并且显著增加，由于大气中OH含量的下降，存在微弱的非线性效应。

大气甲烷对未来H₂生产^2，33，34作为H的函数显示了质的相似的结果₂生产途径和H₂消失在大气中(图;3.b).仅在绿色和蓝色H中观察到甲烷减缓方面的积极影响₂如果H₂排放强度远低于10%。否则，对流层甲烷负担就会增强。

我们还评估了CO的变化₂浓度(Δ[有限公司₂e])，对CH平衡浓度的变化产生等效辐射强迫₄(无花果。2c和3.b).我们使用CH的辐射效率₄包括对O_3.平流层₂O³⁵．在蓝色H的最坏情况下₂2% CH产量₄损耗和10% H₂损失，平衡CH的上升₄由于未来H₂生产就像添加9 ppm的CO₂(图;3.b).对于同样的蓝色H₂， CH的上升₄在完全取代化石燃料之后，就相当于增加了约70 ppm的CO₂(无花果。2c).这相当于约50%的CO₂从工业化前(278 ppm)增加到现在(417 ppm)。因为目标是将全球平均气温上升控制在1.5以下^∘C需要本世纪中叶最大的CO₂接近450 ppm，这些结果支持了之前对蓝H可持续性的担忧₂³⁶除非能够将无组织排放保持在足够低的水平。

甲烷减排的关键HEI

临界氢发射强度(HEI_cr)是评估用氢取代化石燃料是否会减轻或增加对流层甲烷负担的关键₄．在这里，我们研究如何HEI_cr受到氢生成途径和CH₄- h₂-OH平衡:(i) OH汇在对流层气体中的分配;(ii) H₂被土壤细菌吸收。推导了HEI的解析解_cr详见“方法”。

OH极短的寿命使其大气动力学的量化极具挑战性。间接方法通常用于估计OH浓度、来源和汇分配^37，38，39．使用一系列OH分区估计^38，40，我们研究了HEI的依赖性_cr不同的OH过量值(E_哦)，E_哦是被对流层中除氢气、甲烷和一氧化碳外的其他气体消耗掉的多余的OH。数字4为HEI的准线性响应_cr来E_哦．我们强调在E_哦相当于OH源的变化，因为我们保留了当前的平均OH浓度，这是相对较好的反建模约束^37，41．

的黑_cr蓝色H要低得多₂比绿色H₂因为与蓝色H相关的甲烷排放₂生产。对于当前对流层条件，我们发现HEI_cr是9%左右的绿色H₂，蓝色H约为7%₂甲烷泄漏率为0.2%，蓝色H为4.5%₂甲烷泄漏率为0.5%。蓝色H₂甲烷泄漏率为1%时为HEI_cr这接近于零，因为用这种氢取代化石燃料并没有减少甲烷排放(图2)。3.b).对于更高的甲烷泄漏率，无论H值如何，甲烷负担都会增加₂排放，使HEI_cr是负的。

H₂土壤细菌的吸收是评价HEI的另一个关键过程_cr以及整体CH₄- h₂-OH动力学，因为它占H的70-80%₂对流层删除¹¹．尽管最近研究了摄取模型^42，43对H .₂氧化细菌⁴⁴在美国，由当地水文气候和生物条件驱动的吸收的空间异质性阻碍了对全球平均吸收速率的自下而上估计。在大气研究中，为了获得观测到的表面氢浓度的合理模拟，通常会调整平均吸收速率^14，45．为了解释这些潜在的不确定性来源，我们展示了摄取速率±20%的变化如何影响临界HEI(图中带)。4)．一个更强的生物汇(虚线)减少了H对OH的消耗₂从而增加HEI_cr．较弱的生物汇(虚线)具有相反的效果。

关于气候变化对H₂最近的研究表明，温度的升高预计会略微促进全球范围内的吸收¹⁴，而降雨状况的变化将是H₂局部范围内的吸收变化⁴³．从生物角度看，H₂-氧化细菌到极端环境⁴⁶这表明它们在未来仍将广泛存在，但其空间异质性可能会因气候和人为压力而改变。

这是评价HEI的另一个不确定因素_cr与CH₄与化石燃料使用相关的排放。由于这些发射与HEI之间存在准线性关系_cr(Eq。16)在“方法”中)，化石燃料甲烷排放的相对不确定性相同(图。1)适用于高等教育机构_cr．

全球净零转型的成功取决于氢作为一种可扩展的低碳能源载体，可以在几个难以电气化的能源和运输部门取代化石燃料。20多个政府和许多公司已经宣布了氢生产战略，随着促进氢采用的政策框架的推广，这一数字可能会增加^1，2．实现这一转变仍需要大量投资，因为目前的氢动力与净零目标相比不足。氢理事会²据估计，已宣布的制氢项目投资(1600亿美元)与2030年实现净零路径所需投资(7000亿美元)之间存在5400亿美元的缺口。

虽然更多以氢为基础的经济的积极影响是相对确定的(例如，更低的CO₂但是，由于潜在的间接温室气体效应，氢气排放到大气中的后果仍然存在相当大的不确定性^14，19．在这里，我们重点讨论了更多以氢为基础的能源系统对对流层甲烷的影响，甲烷是第二重要的温室气体。

我们已经展示了用绿色氢或蓝色氢替代化石燃料能源如何对对流层CH产生截然不同的后果₄，这取决于流失到大气中的氢的数量以及与制氢相关的甲烷排放量(图2)。2而且3.)．具体来说，对流层CH₄只有当H₂损失保持在临界HEI以下。

绿色H大约是9±3%₂(无花果。4)．同样的临界值也适用于其他H₂不需要使用化石燃料的颜色，如白色或橙色H₂从地下沉积物中提取^12，47．蓝色H的临界HEI₂由于CH₄与蓝色H₂生产。我们发现甲烷排放在一个蓝色的H₂如果甲烷供应链的平均泄漏率超过1%，那么其经济性可能高于化石燃料经济性。此外，CH₄和H₂排放可能会对对流层的CH负担产生不希望看到的后果₄．这可能是近期内的一个潜在问题，考虑到蒸汽甲烷重整将被用来弥补增加H₂需求和有限的绿色H₂生产能力²．我们的结果表明，包括氢排放将加剧蓝H的温室气体足迹₂³⁶．

除了CH₄反馈,H₂预计排放也会影响臭氧(O_3.)和平流层水汽(H₂O)，对空气质量和辐射强迫都有负面影响。考虑到这些影响，我们可以提供基于氢和基于化石燃料的能源系统的辐射强迫之间的比较。因为两个H₂和CH₄短命气体与CO相比₂在美国，这种比较的时间跨度至关重要⁴⁸．这里我们考虑的是20年和100年的时间范围。H的GWP₂估计在11±5(100年)和33\ ({} _ {-13} ^ {+ 11} \)(20年)¹⁶．CH的GWP₄估计是28(100年)和80(20年)³⁵．在设想中，氢经济将取代目前的化石燃料工业₂排放量可能在23到370 Tg H之间₂年⁻¹，表示H₂发射强度从1到10%(图;2a).这些排放将对当前CO产生0.7-12%(100年)和2-35%(20年)的辐射强迫影响₂化石燃料排放(≈35 Pg CO .₂年⁻¹)．如果全局H₂经济依赖于蓝色₂当甲烷泄漏率为2%时，甲烷排放造成的额外辐射强迫影响约为当前CO的10%(100年)和27%(20年)₂化石燃料的排放。因此，在最坏的情况下，在100年的时间里，氢经济高达22%的气候效益可能会被天然气的损失所抵消。在20年的时间跨度内，这一比例可能高达65%。如果天然气供应链的泄漏率高于2%，这些数值在区域范围内可能会更高。

为了使氢气的气候效益最大化，尽量减少H₂和CH₄整个制氢供应链的损失必须成为优先考虑的问题。在甲烷方面，一些政府和公司已经承诺减少石油和天然气部门的泄漏，因为这可能是近期减缓气候变化最具成本效益和影响力的行动²¹．国际能源机构(IEA)估计，随着最近天然气价格的上涨，减少全球天然气和石油部门的甲烷排放可以在没有净成本的情况下实现⁴⁹．因此，对有限的几家公司来说，实现这一缓解只是一个政治意愿问题。

在氢燃料方面，全球价值链仍有待建立。这为提前解决氢排放问题提供了优势。一方面，能源公司将极大地关注将氢泄漏造成的经济损失和安全风险降至最低。然而，另一方面，许多技术挑战仍然需要解决。首先,H₂即使技术进步，遏制仍是一个问题。小H的高扩散率₂这种分子已经挑战了科学界测量氢离子的能力₂大气中的浓度⁵⁰在冰原冰冷的空气中⁵¹．其次，H₂损失是必需的，目前没有商业上可用的传感技术能够检测小H₂PPB级别的泄漏⁴⁸．第三，全球空间监测，这将为实际甲烷排放的量化带来急需的透明度^27，31，也将需要新的技术，因为H₂，不像CH₄或公司₂，不吸收红外辐射。由于所有这些原因，未来温室气体排放的不确定性₂价值链依然庞大。

我们的多功能大气模型允许广泛探索氢基能源系统的场景。高分辨率三维大气化学模型的模拟更全面，但对计算的要求更高，可以为特定场景改进我们的结果。特别是，一个更详细的模型可以提高H₂通过计算CO和NO等其他化学物质的排放变化来替代化石燃料_x，影响CH₄- h₂-哦动力学。进一步的分析也可以细化由于H的排放清单的潜在变化₂取代不同的化石燃料。

该模型

随着人类活动对大气化学变化的增加，详细的三维大气化学模型已成为评价大气与气候强迫相互作用的关键^52，53．尽管如此，由于其通用性，简化的大气化学模型也被证明对研究控制大气气体之间耦合的基本过程及其可能扰动的后果非常有用(例如，参考文献)。54，55，56，57，58，59)．通过CH获得的见解₄Prather等人的-CO-OH模型。⁵⁴特别是，导致IPCC对CH的全球变暖潜能值修正了40%₄⁶⁰．在这里，我们通过添加大气H的质量平衡方程来扩展Prather的开创性模型₂．目的是找出控制H的关键成分₂CH对流层动力学的反馈₄(无花果。1)．

所考虑的化学反应是

与R表示反应速率，[⋅]浓度，以及k_我速率系数。我们只说明了我们所关心的产品，即CO和H₂由CH氧化产生₄（1)．H₂CH生产₄氧化有屈服α≈0.37¹³．X包含了除CH之外的所有其他物种₄CO和H₂，消耗OH。根据上述反应，建立了CH₄- h₂-CO-OH系

在哪里R_d=k_d[H₂是H₂土壤细菌的吸收，这在全球H .₂因为它约占对流层移除的70-80%^11，43，61；R_年代=k_年代(CH₄]占CH的较小汇₄即土壤吸收、平流层损失和与氯自由基的反应⁶²．为了简单起见，我们忽略了H的较小下沉₂，即平流层损失(去除的≈1%⁶³)和CO，即土壤吸收和平流层损失(<10%的清除⁶⁴)．

准稳态(即d[⋅) / dt= 0)提供了固定对流层浓度的来源。OH的正解发生在\({年代 }_{{{{{{{{\ rm{哦 }}}}}}}}} > ( 2 + \α)({年代 }_{{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ 4}} - {R} _{年代})+{年代 }_{{{{{{{{\ rm{有限公司 }}}}}}}}}+{ 年代 }_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ d R 2}}, {} _ {} \)，即当有足够的OH氧化所有CO源时，CH的部分₄未被较小的汇平衡的源，以及H₂没有被土壤吸收平衡的来源。过量的OH被除CH以外的其他气体消耗₄CO和H₂，可以定义为\ ({E }_{{{{{{{{\ rm{哦 }}}}}}}}}={ R }_{{{{{{{{\ rm {X }}}}}}}}}/({ R }_{{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ {4}} + R }_{{{{{{{{\ rm{有限公司 }}}}}}}}}+{ R }_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ 2}}) \)．表中总结了代表平均对流层条件的数值1．的价值年代_哦而且年代_有限公司在所有情况下都保持不变。

线性稳定性和暂态动力学

我们研究了H₂关于对流层系统(5) - (8)．大气对化学扰动响应的时间尺度和模式由系统的特征值和特征向量定义^54，55．指示与c（t)系统的解向量(5) - (8)，即小扰动的时间动力学\(\帽子{{{{{{{{\ bf {c }}}}}}}}}\)周围c的发展,

在哪里J系统的雅可比矩阵是c．对于平衡溶液c₀表示当前对流层浓度的线性化系统的特征值和特征向量或模式(9)在表中报告1．因为所有的特征值都是实数和负数(λ_我< 0)为平衡溶液c₀为稳定节点。因此，任何小扰动在时间上逐渐衰减，时间尺度由特征值的负倒数定义。

由于系统方程是耦合的，因此衰减时标(\(-{\λ}_{我}^ {1}\))并不一定对应于气体稳态平均寿命(τ_我)．CH的₄特别是，扰动衰减的时间尺度比其稳态寿命所预测的要大得多，即，= \ \ (R \,——{\λ }_{{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ 4}} ^{1} /{\τ }_{{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ 4}} > 1 \)．这种机制被称为CH₄反馈效应^55，65，对提高CH的全球变暖潜能值和环境影响起着至关重要的作用₄排放。大气化学的详细模型通常提供R在1.3 - -1.4⁶⁵．我们发现一个略高的反馈因子，即R≈1.5，与之前使用Prather盒模型的结果一致^54，55，57．H的衰减时间尺度₂而摄动则对应于H₂平均寿命，即\(-{\λ }_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ 2}} ^{1} \大约{\τ }_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ 2}} \)，这与详细的大气化学模型的结果一致¹⁹．

而模态特征值分析则正确地捕捉了解的渐近稳定性c₀，它不描述有限时刻的摄动动力学，即在渐近衰减之前。仍然在线性化系统的范围内(9)，可以通过分析解的时间演化来获得更完整的图像，特别注意瞬态增长现象的出现，这已知发生在模态非正交的系统中，如目前的情况。当瞬时增长足够大时，甚至可以触发非线性，使平衡解不稳定⁶⁶．

数字5为对流层CH的瞬态生长期₄以及H扰动10%后的CO₂浓度。具体来说，H的脉冲₂导致OH含量下降，CH含量增加₄持续几年，而H₂扰动随时间尺度衰减\({\τ }_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ 2}} \)．CH的₄积聚然后衰变的方式相同，将直接脉冲CH₄时间尺度由CH定义₄反馈的效果。用解析术语来说，对流层CH的摄动₄主要是由于H的激发₂和CH₄模态由\ \(δ [{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ 4}] \大约2.76 {{{{{rm \ {e }}}}}}^{{\ λ }_{{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ -2.82 t 4}}} {{{{{rm \ {e }}}}}}^{{\ λ }_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ t} + 0.06 {2}} {{{{rm \ {e }}}}}}^{{\ λ }_{{{{{{{{\ rm{有限公司}}}}}}}}}t} \)．

在传统的全球变暖潜能值公式中使用这个结果³⁵得到H的GWP值₂由于直接CH₄在100年的时间范围内，扰动约为7.8，在20年的时间范围内为22。据估计，大约有一半的H₂间接辐射强迫是由于直接CH₄扰动，另一半是O_3.平流层₂H₂和H₂全身的CH₄扰动¹⁴．考虑到这一点，得出H的总全球变暖潜能值₂100年有15.6个，20年有44个。这些数值处于最近估计的GWP100(11±5)和33的上限范围内\ ({} _ {-13} ^ {+ 11} \)用详细的大气化学模型得到GWP20¹⁶．值得注意的是H₂CH脉冲₄的大小相对较小，因为大多数额外的H₂被土壤细菌氧化，而不是被OH氧化。因此，受气候变化和人类活动压力影响的生物汇的稳定性是影响未来H₂排放，在正文中进一步讨论。

临界氢发射强度

我们在这里推导出临界H的显式表达式₂发射强度(HEI_cr)用于甲烷减排，定义为抵消H₂化石燃料的替代。该表达式是由H对化石燃料能源的无限小替代推导出来的₂(dE(ExJ/yr)，但很接近有限替代化石燃料能源的临界HEI(见补充图)。3.)．作为第一步，我们微分系统(5) - (8)处于平衡状态(d[⋅) / dt= 0)对E．这个收益率

在下标E表明d⋅/ dE．\({[{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ 4}]} _ {E} \, 0 = \ \)因为临界H的定义₂排放强度，使甲烷浓度保持不变。我们只考虑H₂和CH₄资料来源因E,而年代_哦,E=年代_{有限公司,E}= 0。这些变化可以估计为

其中，HEI和MEI分别为氢气和甲烷排放强度(绿色H₂）;\({\埃塔 }_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ 2}} \)是H₂热值较高;rCH的量是多少₄需要生产一个单位的蓝色H₂；\({{{{{{{{\ rm {ff }}}}}}}}}_{{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ 4}} \)而且\({{{{{{{{\ rm {ff }}}}}}}}}_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ 2}} \)CH的平均含量是多少₄和H₂化石燃料能源每ExJ的排放量;\ ({ }_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ 2}} \)而且\ ({ }_{{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ 4}} \)是转换因子。

代入方程式。（14)， (15)输入系统(10) - (13)，经过一些代数运算，就得到了临界H₂排放强度

对大气成分的依赖嵌入在哪里\ (A = {k} _ {d} ({k} _ {4 }[{{{{{{{\ rm {X }}}}}}}}]+{ k} _ {2 }[{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ 2}] + 2 {k} _ {1 }[{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ {k} _ {4}]) + 2 }[{{{{{{{\ rm{哦 }}}}}}}}]\ 左((\α+ 2){k} _ {1 }[{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ 4 + {k} _ {4}) }[{{{{{{{\ rm {X }}}}}}}}]\ 右)\)而且B= 8k₁k₂(CH₄(哦)。参数定义如下:\({\埃塔 }_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ 2}} = 0.143 \)ExJ / Tg\({}_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ 2}} \)，r= 3.2公斤\({}_{{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ 4}} \)/公斤\({}_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ 2}} \)，\({{{{{{{{\ rm {ff }}}}}}}}}_{{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ 4}} = 0.225 \)Tg\({}_{{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ 4}} \)/ ExJ,\({{{{{{{{\ rm {ff }}}}}}}}}_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ 2}} = 0.0225 \)Tg\({}_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ 2}} \)/ ExJ,\ ({ }_{{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ 4}} \ = \ 0.43 \)磅/ Tg,\ ({ }_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ 2}} \ = \ 8 { }_{{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ 4}} \)．的值r，我们用3.7 kg天然气来估计kg H₂⁶⁷，其中包括原料和能源需求，我们假设按重量计算，85%的天然气由甲烷组成。\({{{{{{{{\ rm {ff }}}}}}}}}_{{{{{{{{{\ rm {CH }}}}}}}}}_{ 4}} \)而且\({{{{{{{{\ rm {ff }}}}}}}}}_{{{{{{{{{\ rm {H }}}}}}}}}_{ 2}} \)为整体CH₄和H₂由于化石燃料的使用和全球化石燃料能源的排放。