自从人类意识到它们作为能源的价值以来，在提取和燃烧化石燃料的过程中释放的二氧化碳 (CO 2 ) 导致了地球大气的重大变化。通常伴随 CO 2的是良性气体，例如可用于追踪此类排放的氦 (He)。

长期以来，科学家们一直推测大气中He 4（氦的同位素）的数量正在增加，因为它与天然气和其他碳氢化合物存在于相同的储层中。但迄今为止，测量结果相互矛盾且不精确。现在，研究人员已经开发出一种测量惰性气体的新方法，揭示了几十年前的难题。

斯克里普斯海洋研究所大气化学家和博士后研究员Benjamin Birner说：“通过我们的测量，我们第一次能够证明该理论实际上是正确的，即大气中的氦浓度正在增加。” .

这一新发现可以引导科学家更好地识别大气中 CO 2的来源，从而指导控制排放的政策。He 4的增加也引发了对其同位素伴侣He 3 以及潜在未发现的天然气储层的质疑，该储层是一些研究和商业行业的关键资源。

氦对与化石燃料

一些矿物质天然含有铀和钍。这些放射性元素经过数百万年衰变为稳定的元素，在此过程中释放出He 4。由于He 4 是一种惰性气体，它不易与其他元素结合，随着时间的推移会慢慢从其主体晶体中泄漏出来。地壳中的流氓氦在逃逸到大气之前向地表渗透。

“如果你的地质环境适合包含天然气，那么它可能也适合捕获氦气。”

在某些情况下，上升的气体被困在不透水的盖层之下。从埋藏的烃源岩中逸出的天然气也通过地下上升并与氦一起被困住。“当人类出现并从这些储层中提取气体时，他也被解放了。随着工业时代开始以来化石燃料使用量的增长，他应该充斥着大气。科学家们一直在寻找它。不幸的是，迄今为止，相互矛盾的数据混淆了大气中氦气长期上升的任何证据——一些研究测量了增加，而另一些研究显示几乎没有变化。

精确的He 4 测量

Birner 及其同事开发了一种计算He 4 的新方法，其精度高于以往任何研究。

首先，他们获得了样本。由于氦气的泄漏性质，空气样本难以储存，科学家不得不挖掘古老空气的创造性来源。过去的一项研究从化油器内部抽取空气并密封金属滚球游戏球。“氦不会通过金属扩散。所以你必须找到一些好的金属盒子，”洛林大学的地球化学家伯纳德马蒂说，他没有参与这项研究。自 1970 年代以来，Birner 及其同事将科学家们偶尔收集的金属罐中储存的气体用于其他实验。

然后，该小组测量了He 4 和氮 (N 2 )的比例随时间的变化。多年来，大气中的氮含量保持相对稳定；因此，样品之间比率的任何变化都表明He 4 的量发生了变化。根据这项研究，研究人员发现可追溯到 1974 年的空气样本中的He 4 显着增加——比地球自然过程的预期高出两个数量级。这一增长也大于商业和研究应用所释放的少量。

“我认为我们将更多地了解世界如何从氦气中运作。”

由于He 4 现在可以被精确测量并且明显增加，因此科学家可以追踪相关温室气体（如二氧化碳）的来源。4与煤炭和石油等其他化石燃料相比，天然气中的 He 浓度最高。Birner 说，通过测量空气样本中He 4 和碳的含量，科学家们希望确定有多少总排放量来自天然气燃烧，而不是汽车或燃煤电厂。

令人惊讶的是，对于地球的自然碳排放，科学家们还有很多需要了解。Marty 说，用氦气追踪碳的精确方法可以帮助他们确定有多少是大自然泵入大气的。

新数据解决了长期以来关于大气中He 4 的争论。“他们是伟大的测量，”马蒂说。但是，他补充说，它们提出了一个有趣的问题。

早期的研究，包括 Marty 及其同事的一些研究，调查了空气样本中He 3 与He 4 的比率，以获得大气中的He 4 浓度。He 3 是一种天然存在的氦的稳定同位素。可用的最精确的He 3/ He 4 测量表明，该比率在大气中随时间而变化。这项研究中的研究人员独立观察到He 4 增加的事实意味着He 3 也必须增加。

He 3他在地球上是稀有的；它主要是从我们星球形成过程中遗留下来的地幔水库中释放出来的。它也是由宇宙射线轰击、太阳风和星际气体以及制造核武器产生的。但这些来源都无法解释进入大气层的数量。“这个信号大约是地质通量的 10 倍，我们不知道如何解释这个额外的He 3 的来源，”Birner 说。

“人们曾考虑飞到月球上开采He 3。这就是资源的重要性。”

He 3 用于低温、核燃料和医学成像等应用。近几十年来，随着对世界供应的需求增加，它已成为一种稀缺资源。因此，未发现的He 3来源的前景很有趣。“人们曾考虑飞到月球上开采He 3。这就是资源的重要性，”Birner 说。“这在未来将变得更加重要，因为理论上核聚变反应堆可以在He 3 上运行。”