使用Carbon-14估算化石燃料的全国二氧化碳排放量的突破

由于用于生产水泥的化石燃料和材料不含放射性碳，因此相关的排放物以放Δ射性碳场中14 C较低的区域出现，可以使用大气传输模型追溯到地表源。该地图描绘了空气样本中14 C耗尽的区域，因此显示了化石燃料排放的影响。

用Carbon-14追踪化石燃料的排放

来自NOAA和科罗拉多大学的研究人员设计了一种突破性的方法，可以利用环境空气样本和科学家数十年来迄今所依赖的众所周知的碳同位素来估算化石燃料中二氧化碳的全国排放量。

在《美国国家科学院院刊》上发表的一篇论文中，他们报告了有史以来第一次全国规模的化石燃料衍生的二氧化碳（CO2）排放量估算，该排放是通过观测CO2及其天然存在的放射性同位素Carbon-14来获得的。 NOAA的全球温室气体参考网络收集的空气样本。

碳14（或14C）是一种非常稀有的碳同位素，主要由宇宙射线产生，其半衰期为5700年。化石燃料中的碳已经埋藏了数百万年，因此完全没有14C。仔细的实验​​室分析可以确定离散空气样本中CO2的14C消耗程度，这反映了化石燃料燃烧和水泥生产（也没有14C）的贡献，也称为“化石CO2”贡献。研究团队知道了采样的地点，日期和时间，使用大气传输模型来消除化石燃料燃烧产生的其他自然源和汇的二氧化碳变化，并追踪化石的人为变化地表的二氧化碳源。

该研究小组使用了大气中CO2及其放射性碳含量（14C）的测Δ量值，以“掩盖”化石燃料燃烧和水泥生产中的CO2对观测总量的贡献。该图显示了2010年夏季美国全境的CO2浓度。

主要作者Sourish Basu说：“这是一种基于我们在大气中实际观察到的评估排放清单的新的，独立的，客观的方法。” Sourish Basu是NOAA研究期间的CIRES科学家。他现在是马里兰州NASA戈达德太空飞行中心的科学家。

虽然化石CO2排放与大气14C之间的联系已为人所知，但基于大气14C的全国性排放估算的构建要求同时开发精确的测量技术和排放估算框架，这在过去15年来一直处于领先地位NOAA科学家约翰·米勒（John Miller）和科罗拉多大学的科学家斯科特·雷曼（Scott Lehman）多年。

该论文的作者之一雷曼（Lehman）说：“碳14使我们能够拉开面纱，并隔离化石燃料燃烧产生的二氧化碳。”“它为我们提供了一个示踪剂，我们可以追踪到地面上的来源。“然后我们可以将它们加起来，并与不同时间和空间范围内的其他排放估算值进行比较”

CIRES科学家Duane Kitzis在这张2017年的照片中接近了NOAA全球温室气体参考网络的一部分，位于科罗拉多州Niwot Ridge的空气采样站。2003年在这里收集了第一个对碳14进行分析的空气样本，作为对估算周围空气中化石燃料排放量的新方法进行研究的一部分。

准确计算燃烧化石燃料产生的二氧化碳排放量多年来一直困扰着科学家。当前使用的两种主要方法-区域运动中使用的“自下而上”的清单和“自上而下”的大气研究-每种方法各有优缺点。

“自下而上”的估算，例如美国EPA温室气体排放和汇清单中使用的估算，是通过计算各种工艺和燃料类型的CO2排放量，然后根据化石燃料使用记录按比例增加排放量得出的。相反，“自上而下”的估算是基于大气中排放气体浓度的测量变化以及将表面源区域与测量位置相连的风型。

自下而上的清单可以提供比自上而下的方法更多的细节，但是其准确性取决于始终跟踪所有排放过程及其强度的能力，这是一项固有的难题，其不确定性难以量化。自上而下的研究受到大气密度和我们对大气环流模式的了解的限制，但隐含地解释了所有可能排放二氧化碳的经济领域。

该小组为美国建立了2010年年度和每月自上而下的化石CO2排放估算值，这是第一年有了足够的大气样本以提供可靠的结果。作为比较点，他们将其数字与美国环境保护署（EPA）最近发布的2010年排放量自下而上的估算值进行了比较。该小组对美国2010年全年总排放量的估算比EPA的中央估算高5％。新的估算值也大大高于全球和区域二氧化碳研究中常用的其他清单的估算值。另一方面，大气结果似乎与北亚利桑那大学研究人员开发的Vulcan美国排放数据产品的最新更新一致。

由于这些是使用新观测系统构建的第一个估算值，因此科学家警告称，应将其视为临时估算值。现在，他们正忙于将这种方法应用于以后几年的测量中，以确定随着时间的推移，他们看到的差异是否很强。

据科学家称，这种方法的好处之一是，随着14C测量网络的扩大，有可能计算来自不同地区的排放量-这些信息将增加EPA的国家总量。加利福尼亚州和东部区域温室气体倡议等成员国的州已经创建了自己的温室气体减排目标，使用自上而下的方法独立评估区域排放的能力将有助于评估区域减排工作。

NOAA科学家约翰·米勒（John Miller）说：“使用这种独立方法对年度和区域总量以及多年趋势进行独立验证，将增强人们对排放报告准确性的信心，并有助于指导未来的减排战略。”

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参考：Sourish Basu，Scott J. Lehman，John B. Miller，Arlyn E. Andrews，Colm Sweeney，Kevin R. Gurney，Xiaomei Xu，John Southon和Pieter P.Tans，2020年6月1日，美国国家科学院院刊。DOI：
10.1073 / pnas.1919032117

这项研究得到了NOAA，NASA和能源部的支持。研究小组的其他成员包括来自北亚利桑那大学和加州大学尔湾分校的科学家。