可燃冰探索新边界，解码碳循环之谜
可燃冰探索新边界，解码碳循环之谜
《荀子》的《天论》篇中提到：“万物各得其和以生，各得其养以成”。这反映了中国传统文化中的“天人观”，它告诫我们，只有发挥主观能动性了解、尊重、重视自然运行规律，才能利用和改造自然，与自然万物和谐共生。目前，可燃冰开发面临技术、经济和环境等方面的多重挑战。在战略机遇与风险挑战并存的时期，更需要各学科之间不断融合与交叉，揭开可燃冰在全球碳循环系统中的神秘面纱。在能源转型的浪潮中，我们应不断上下求索，寻找可燃冰开发利用新机制，以寻求一条更加可持续的能源绿色发展道路。
可燃冰（NGH）：未来能源的关键角色
可燃冰（NGH）广泛分布在全球陆地冻土区和海洋沉积物中，是未来应对全球能源需求和碳排放问题的重要能源资源之一。然而，NGH在全球能源与碳循环中的确切作用与扮演的角色仍存在较大争议。一方面，NGH开发可减少对传统能源的依赖，有助于实现能源结构多元化转型。另一方面，NGH分解所释放的甲烷对全球气候及生态环境可能产生不可逆影响。解决这一争议性问题是推动可持续能源绿色发展的关键所在。
复杂自适应系统（CAS）框架下的可燃冰研究
本文引入复杂自适应系统（CAS）的概念，通过构建涵盖NGH的CAS框架（图1），阐述NGH作为不同系统中的主体（Agent），在分子尺度的热力学系统以及地质尺度的冷泉生态系统中所扮演的关键角色。复杂自适应系统（CAS）是由多个微观自适应主体（Agent）组成的复杂宏观系统，主体是具有自适应行为、竞争、合作和演化特性的实体单元，各主体间相互作用，共同塑造系统的复杂动态行为。
分子尺度复杂自适应系统（热力学系统）
在分子尺度复杂自适应系统中，不同分子通过氢键、成链键、离子作用力和毛细管作用力等相互作用。多孔介质中的NGH体系统计缔合流体理论分子热力学方程（简称SAFT方程）利用统计力学将微观分子作用参数与体系宏观的热力学性质联系起来，可用于预测多元气体组分水合物体系的相平衡条件。值得注意的是，在复杂的海洋环境下，需考虑其他主体，例如海洋生物、深海沉积物、矿物质组分、液体成分等产生的影响。譬如，生物膜或沉积物的内部孔隙可以作为NGH形成的成核位点，通过在SAFT方程中引入毛细作用力的影响，可探究生物膜表面亲疏水性质对NGH相平衡条件的影响。因此，从分子热力学角度探索NGH在不同环境（如深海、冻土区、油气输运管道）中的自适应性对于NGH的勘探开发和实际应用均十分重要。
地质尺度复杂自适应系统（深海冷泉系统）
在冷泉复杂自适应系统中，NGH可以调节着生态系统中的甲烷通量。一方面，气候变化引起的海平面波动可能导致NGH分解，从而释放大量甲烷气体。此外，NGH分解还可能破坏沉积物结构，产生新的孔隙和裂缝。深层甲烷通过这些孔裂隙向较浅的沉积物中运移，与微生物群落相互作用，共同维持深海冷泉生态CAS系统稳定性。另一方面，人为干扰（如资源勘探、开发、二氧化碳封存等）加剧了CAS系统演化的复杂性。并带来沿海农业、渔业、海洋交通和旅游业等方面的经济影响。因此，在评估NGH资源开发潜力与影响时，应综合考虑深海冷泉生态CAS及沿海生态资源环境等潜在影响。
可燃冰开发的跨学科挑战与机遇
综上，NGH开发涉及地质学、化学、工程学等多个学科领域，并在能源转型、深海生态和沿海经济方面具有重要影响。为应对这些挑战，国际社会需要加强跨学科合作，建立新的NGH开发与管理模式。
总结与展望
鉴于NGH在复杂自适应系统中“局部行为，全局影响”（图1）的特殊性，我们提出了“局部行为，全局部署”的研究框架，旨在指导未来NGH可持续开发和高效管理。这一框架要求在开发NGH资源的同时，充分考虑其对环境、生态和经济的影响，以推动能源的可持续绿色发展。该框架倡导加强跨学科整合，增强NGH在广泛应用场景的适应性；其次，扩大促进资源开发和环境保护共同演化的新海洋生态位；最后，提出新的基于NGH主体的自下而上的资源开发策略。
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Energy第1卷第3期以Editorial发表的“Role of natural gas hydrate in regulating the global energy and carbon cycle” (投稿: 2024-01-31；接收: 2024-06-05；在线刊出: 2024-06-06)。
引用格式：Kou X., Li X., and Wang Y. (2024). Role of natural gas hydrate in regulating the global energy and carbon cycle. The Innovation Energy 1(3), 100031.
作者简介
李小森，国家杰出青年科学基金获得者、中国科学院天然气水合物重点实验室主任。中国可再生能源学会天然气水合物专委会主任。主要从事天然气水合物基础、开采机理及技术和控制方法，二氧化碳捕集和封存等方面的研究。发表论文400多篇，其中SCI论文320篇，他引10000多次，H指数为63。授权发明专利92件。以第一完成人获国家技术发明二等奖、广东省自然科学一等奖、广东省技术发明一等奖、广东省自然科学二等奖等。
The Innovation 简介
The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球58个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承"好文章，多宣传"理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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