圖片來源：JACQUES DESCLOITRES, MODIS陸地快速響應小組, 美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心
濃稠的氣溶膠顆粒混合物——其中包括硫酸鹽、硝酸鹽、有機碳和黑碳以及粉煤灰——在這張圖片中佈滿了印度北部上空。 |
去年四月，一場含有超過正常空氣中顆粒物含量四倍的暗霾緩慢向東飄過美國，導致多個城市能見度急劇下降。有趣的是，這場霧霾起源於地球另一端的蒙古，那裡發生了一場巨大的沙塵暴。這片雲團大小與日本相當，它橫跨太平洋和美國大陸，最終消散在大西洋上空。
這片雲團的飄移不僅僅遮蔽了一些景觀：它有力地證明了汙染不再僅僅是城市或區域性問題。並且由於它含有大量的氣溶膠——微小的顆粒物，例如灰塵和海鹽，以及人為產生的硫酸鹽、硝酸鹽、煤煙和有機化合物——它突顯了我們需要更好地理解這些顆粒如何影響我們地球的天氣和氣候。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業： 訂閱。 透過購買訂閱，您將幫助確保未來能繼續看到關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的報道。
事實上，儘管氣候學家和其他科學家長期以來一直關注大氣中的氣體，但他們並沒有仔細研究所謂的凝聚相顆粒所起的作用。“在許多方面，我們的領域實際上比氣相化學的研究更年輕，”夏威夷大學的氣溶膠研究員巴里·休伯特說。“長期以來，人們一直認為，如果你瞭解了氣相，你就瞭解了一切有趣的東西。” 即使當科學家們確實考慮了凝聚相時，大多數人也認為，由於顆粒物的壽命很短，它們的影響將是暫時的。儘管顆粒物可能對區域能見度產生影響，但它們會在真正影響氣候之前就被雨水從大氣中沖刷掉。
20世紀90年代初的一些粗略計算（主要基於硫酸鹽，因為唯一可用的充分資料來自酸雨研究）表明，氣溶膠可以透過反向散射入射太陽輻射來冷卻大氣。但後來的研究表明，氣溶膠也可能透過其對雲層覆蓋和對汙染中研究較少的成分（如煤煙）的行為的影響來使大氣變暖。
為了尋求更清晰的圖景，來自世界各地的大型科學家團隊最近彙集資源，利用飛機、輪船、地面站和氣球進行大型實地實驗。“亞洲-太平洋區域氣溶膠特性實驗”（ACE-Asia）於去年的沙塵暴期間進行，是旨在調查世界各地不同地區氣溶膠行為不同方面的系列實驗中的第三個。與此同時，另一項大規模行動“印度洋實驗”（INDOEX）專門用於檢視是否可以直接測量氣溶膠顆粒對氣候的強迫作用。
INDOEX於1999年進行，它利用了冬季季風期間發生的獨特現象，即氣流將來自印度和東南亞的汙染物向南帶到開闊的海洋上空。然而，在赤道以南，氣流主要來自南方，保持天空相對沒有人為汙染物。因此，飛越雲層並在赤道以南飛行的INDOEX飛機能夠同時採集氣溶膠和更清潔的天空樣本，以作為參考。
研究氣溶膠並非易事。由於它們的壽命很短，它們不會在全球範圍內均勻混合，因此濃度可能相差幾個數量級——這使得難以準確描述它們的影響。更重要的是，根據美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的蒂姆·貝茨的說法，“氣溶膠顆粒的尺寸範圍非常廣，顆粒對氣候的影響將非常依賴於其尺寸，這使得情況更加複雜。” 最後，顆粒的成分涵蓋了廣泛的化學物質，這些物質可以以多種方式結合和相互作用，所有這些都會導致不同的，有時甚至是相反的輻射效應。
根據一份使用INDOEX資料並在上個月發表在《科學》雜誌上的報告，人為汙染產生的氣溶膠也可能在削弱地球的水供應方面發揮作用。“我們非常驚訝於這層霧霾是如此巨大、如此濃厚，”斯克裡普斯海洋研究所的聯合首席科學家維拉巴德蘭·拉馬納坦說，“它使進入海洋的陽光減少了多達10%。” 反過來，這種減少又減少了海水的蒸發，而海水的蒸發是降水的來源。“因此，正如氣溶膠大量減少陽光一樣，”拉馬納坦解釋說，“它們可能會減緩地球的水文迴圈。”
該研究進一步 examined 氣溶膠影響水供應的另一種方式：透過控制雲的形成。 這些顆粒的存在透過提供水滴可以凝結的場所來幫助雲的形成，但科學家們發現，非常小的顆粒實際上會降低雲的降水效率，這意味著降雨量減少。
圖片來源：加州大學聖地亞哥分校 氣溶膠 透過控制雲的形成和減少降雨來影響地球的水供應。 |
“當您遇到城市和工業汙染時會發生什麼，”ACE-Asia科學家休伯特解釋說，“那就是您最終會得到非常多的小顆粒，最終得到非常大量的微小液滴，這些液滴太小而無法[從雲中]沉降出來。 結果，您永遠不會啟動一個液滴收集另一個液滴，再收集另一個液滴，然後它變得更大並開始加速，最終產生降水的過程。” 在《科學》雜誌的論文中，拉馬納坦及其同事指出，“氣溶膠對降水的抑制作用延長了它們在大氣中的停留時間，進一步增強了它們的影響。”
研究人員還強調需要考慮氣溶膠在不同高度可能產生的不均勻吸收效應。 例如，吸收輻射的黑碳抵消了硫酸鹽和有機物在大氣層頂部的冷卻效應。 然而，在地表，所有氣溶膠都會減少太陽輻射。“目前，氣候模型預測研究通常不考慮這些影響，”NCAR的研究合著者J. T. 基爾指出。“但我們需要在未來的模型預測中納入吸收性氣溶膠。”
這樣的預測只能從科學家最近收集的關於氣溶膠的相對豐富的資料中獲益。 儘管目前沒有重複ACE-Asia或INDOEX實地實驗的計劃，但貝茨指出，許多地面站點和雷射雷達（lidar）站仍在繼續收集有價值的資訊。 並且由於研究人員仍在分析過去幾年收集的資料，因此氣溶膠行為的更清晰圖景可能仍然會從霧霾中浮現出來。