博德萊窪地位於撒哈拉沙漠南緣，是一個可怕的、被遺棄的地方。狂風呼嘯穿過附近的提貝斯提山脈和恩內迪高原，當它們匯入幾乎與加利福尼亞州一樣大的乾旱荒地時，速度加快。這裡曾經有一個巨大的淡水湖。現在，這個湖泊已經萎縮成昔日的小水坑。在大部分地貌上，空無一物。
看起來是這樣。但是，當風掃過古老的湖床時，該地區的大部分地區數千年來都沒有被淹沒過，它們將數萬億個微小顆粒捲入空中，形成巨大的白色旋渦雲。然後，塵埃開始了一段神秘的旅程——或者一系列神秘的旅程——科學家們正試圖更好地瞭解這些旅程。
僅僅幾十年前，研究人員還沒有過多關注塵埃。像我們其他人一樣，他們清理傢俱下面，偶爾會注意到漂浮的絮狀灰塵——通常包括死昆蟲、植物碎屑和廚房碎屑的混合物。研究地球大氣層的科學家更感興趣的是人造顆粒物——汙染。很少有人意識到，數百萬公噸的土壤或礦物粉塵在任何給定的時間都在全球範圍內迴圈，影響氣候，為海洋施肥，併為亞馬遜雨林等其他地方提供重要的養分。
纖維和廚房碎屑。研究地球大氣層的科學家更感興趣的是人造顆粒物——汙染。很少有人意識到，數百萬公噸的土壤或礦物粉塵在任何給定的時間都在全球範圍內迴圈，影響氣候，為海洋施肥，併為亞馬遜雨林等其他地方提供重要的養分。
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約瑟夫·M·普羅斯佩羅是先驅者之一。他是邁阿密大學海洋與大氣化學榮譽退休教授，被譽為美國塵埃研究的祖父。然而，他也回憶說，當他在 20 世紀 60 年代和 70 年代初發表論文，暗示非洲塵埃大量跨越大西洋輸送到美洲時，他的一些同事懷疑這是否是一個具有重要科學意義的主題。“人們過去常常覺得塵埃這個話題很有趣，”他說。
他是一個孤獨的企業家，在巴貝多和其他原始地點監測塵埃站，分析和測量他可以在空氣過濾器中捕獲的東西。然而，最終人們的興趣增長了，部分原因是衛星照片越來越清晰地顯示了普羅斯佩羅和其他一些人所描述的情景：巨大的顆粒羽流，寬達數百公里，像大規模風暴中的海浪一樣從非洲大陸上 swept 下來，落在在大西洋的另一邊。與此同時，人們對氣候變化的興趣日益濃厚，並且人們清楚地認識到，塵埃在調節地球溫度方面發揮著關鍵作用。
“現在關於塵埃的科學論文太多了，根本看不完，”普羅斯佩羅說。據一項統計，從 20 世紀 70 年代初到 2001 年，關於撒哈拉塵埃的出版物每四年翻一番。德克薩斯大學埃爾帕索分校地質科學副教授托馬斯·E·吉爾幫助維護一個塵埃資料庫，他說他很難跟上。“你認為這是一個深奧的話題，但每週我都會看到大約 50 到 100 篇關於某種形式的塵埃的出版物。”
所有這些研究都在告訴我們什麼？塵埃的故事實際上是關於試圖弄清楚我們居住的星球正在發生什麼變化的挑戰。它表明，地球生態系統一個區域的影響如何對其他區域產生巨大的影響。“我們的科學工具越鼓勵我們找到一個答案，它們就越引導我們提出三個以上的問題，”弗吉尼亞大學環境研究教授羅伯特·J·斯瓦普說。斯瓦普是 1992 年一篇關於亞馬遜地區非洲塵埃的開創性論文的合著者，他說對塵埃的研究得出一個結論：“我們需要尊重自然的複雜性。”
理解這種複雜性的一種方法是追蹤一小撮來自撒哈拉沙漠的粒子穿過大西洋的假想路徑。在途中，一旦我們的塵埃粒子到達它們的下一個目的地（沒有最終目的地），我們可以檢查它們如何與周圍世界相互作用。
我們從博德萊開始，因為它被廣泛認為是地球上最塵土飛揚的地方。更廣闊的撒哈拉沙漠和附近的薩赫勒地區也做出了貢獻：非洲塵埃每年夏天都會被帶到美國南部和東部大部分地區，並且佔佛羅里達州塵埃的 75% 到 80%。當邁阿密下雨時，當地居民從他們的車輛上擦去一層紅色顆粒殘留物時，他們正在擦去來自非洲的長途運送物。走過巴哈馬群島或佛羅里達群島，您將踩在非洲的土地上。
地球每年排放估計 20 億公噸的塵埃，其中一半以上來自非洲的沙漠和旱地。中國排放的塵埃傳播到夏威夷和北美西部；巴塔哥尼亞將塵埃送到南極洲。落在格陵蘭島的大部分塵埃來自亞洲，但當乾旱導致 20 世紀 30 年代美國的塵暴時，這些塵埃似乎也到達了格陵蘭島的冰川。
非洲的大部分空氣傳播塵埃在西風帶的推動下，進行了 6400 公里的跨越大西洋之旅。據估計，每年大約有 4000 萬公噸的塵埃，其中富含維持生命的礦物質，包括鐵和磷，覆蓋著亞馬遜雨林，其中一半可能起源於博德萊。
在升空之前，博德萊塵埃一直處於地質等候室中。隨著每一層被撇去，新的一層就會暴露出來。在土壤表面上鬆動塵埃顆粒並使其開始彈跳所需的風速因表面和氣候條件而異，但一般來說，閾值在每秒 4 到 12 米的範圍內。當顆粒開始碰撞時，它們會鬆動其他顆粒。最小的顆粒向上漂浮。一旦漂浮在空中，塵埃就開始混合——首先是來自博德萊的其他旋渦顆粒，然後是來自非洲其他地方的塵埃和汙染。最終，它成為穿過大西洋的巨大塵埃鋒的一部分。
當我在邁阿密大學的辦公室與普羅斯佩羅會面時，他拉開電腦上的衛星照片給我看這種現象，並搖了搖頭。“這有點亂，”他說，指著非洲和大西洋上空各種顏色和來源的羽流。“從數量上來說，很難指出那裡發生了什麼。一切都混在一起了。整個北非都在不斷地被吹走。”
一旦進入空氣中，可能已經存在了數千年的塵埃突然開始調節地球的氣候。它吸收來自太陽的輻射，包括一些從地球反射回來的輻射，從而使大氣變暖。它還將其他輻射反射回太空，從而產生冷卻效果。輻射被吸收或反射的比例反過來又取決於塵埃的化學成分、礦物學和大小，以及光的波長。在大多數情況下，塵埃傾向於反射來自太空的短波輻射，並吸收來自地球表面的長波輻射。如果顆粒與煙塵混合，它們會吸收更多的熱量。
其他因素也發揮作用。在海洋等較暗區域上空傳播的塵埃會冷卻地球，因為它會反射一些本來會被地表吸收的光。然而，在冰和沙等淺色區域上空傳播的塵埃往往會產生變暖效應，因為它通常比地表吸收更多的光。如果塵埃落在雪或冰上，會導致更多的變暖。“任何氣溶膠、任何塵埃、任何汙垢都會使雪變黑，”加州大學歐文分校地球系統科學教授查理·曾德說。“如果你早上走過一片雪地，在小塊雪地上放一點汙垢，把它放在那裡，下午再回來，那部分雪就會凹陷下去。”我採訪過的幾位科學家認為，大氣塵埃的總體影響可能是地球的冷卻，但還遠不足以補償溫室氣體變暖效應。
空氣中的塵埃也以間接方式影響氣候。例如，它在雲的形成中起著至關重要的作用。空氣中的水分不會自行形成液滴。它需要附著在顆粒上。科學家們對塵埃作為“凝結核”的作用程度存在分歧。康奈爾大學教授、大氣模型開發者娜塔莉·馬霍瓦爾德堅信，水和冰都會在塵埃上凝結。美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 地球物理流體動力學實驗室的氣候模型製作者保羅·吉諾克斯同意塵埃充當冰的冷凝器，但他認為水只會凝結在與硫酸鹽混合的塵埃上，而硫酸鹽主要來自汙染。
至少在一點上，馬霍瓦爾德和吉諾克斯意見一致：我們在雲的形成方面存在巨大的知識差距。當大量微小顆粒懸浮在大氣中時，它們可以幫助形成大量水滴，但由於這些水滴非常小，因此不太可能以降雨的形式落下。此外，小液滴雲比大液滴雲更亮——因此它們會將更多的輻射散射回太空。然而，如果塵埃顆粒吸收熱量，它們吸引的水分會更快蒸發。雲不會持續那麼久。“塵埃可能會使降水更容易或更難發生，這取決於大氣中的其他物質在做什麼，”馬霍瓦爾德說。“這比你想象的還要複雜。”吉諾克斯指出，即使是最好的計算機模擬也無法給我們提供完整的影像：“我們知道物理過程，但很難精確評估正在發生的事情。”
雲對地球氣候的重要性再怎麼強調也不為過——不僅僅是因為它們產生雨雪。地球表面大約 60% 在任何給定時間都被雲層覆蓋。雲的形成和性質的微小變化可能會極大地改變它們在將光和熱反射回太空中所起的作用。據估計，如果“短波雲強迫”增加 5%，地球的冷卻程度將足以補償 1750 年至 2000 年間溫室氣體的所有增加。
當然，塵埃已經在全球範圍內旋轉了地球存在的整個時期。那麼，現在它產生的影響應該比以前更大還是更小呢？馬霍瓦爾德認為，在地球的大部分地區，現在的塵埃運動比最近歷史上的任何時候都多。“看起來我們在 20 世紀地球大部分地區的塵埃量增加了一倍左右，”馬霍瓦爾德說。“我們不確切知道是什麼原因導致了 20 世紀的增長，但人類活動可能是導致這種變化的原因。”
內華達州沙漠研究所-裡諾分校的約瑟夫·R·麥康奈爾一直在研究因果關係問題。為了獲得答案，他分析了格陵蘭島和南極洲冰層中嵌入的塵埃。他首先採集冰芯，長度從 20 米到 3 公里不等，具體取決於他想探測的時間回溯深度。然後他將它們空運到他的實驗室。他有兩臺價值 40 萬美元的機器——高解析度質譜儀——用於測量冰中發現的元素的濃度。這些元素包括鋁和稀土元素，例如鈰，它們存在於塵埃中，但不存在於海鹽、工業汙染或火山和森林火災的排放物中。
這些機器的工作原理如下：來自冰芯的冰川水被注入到與太陽表面一樣熱的等離子體中——約 6000 開爾文。“這幾乎使所有物質都汽化，我們根據每個殘留元素的原子質量和電荷來計算其電離原子，”麥康奈爾說。“它非常靈敏。有些元素濃度低至百萬分之四。我們已將其應用於覆蓋近幾個世紀的淺層冰芯，現在正將其應用於跨越上一個冰河時代的深層冰芯。”
麥康奈爾試圖測量的是隨時間推移的塵埃水平，以便他弄清楚可能是什麼原因導致塵埃水平上升和下降。從他的結果來看，巴塔哥尼亞的荒漠化和土地利用變化（包括 20 世紀初綿羊養殖的擴張）與南極洲同期塵埃水平翻倍相對應。人們可能會傾向於爭論一個簡單的因果過程：土地過度使用導致荒漠化，從而產生更多塵埃，然後加劇氣候變化。然而，麥康奈爾警告說，“塵埃有很多驅動因素。”
氣候本身就是驅動因素之一，但其作用尚不完全清楚。氣溫升高，透過減少土壤溼度和加劇荒漠化，可能會導致塵埃水平升高，這可能只是一個短期現象。從長遠來看，多塵時期與降溫有關。麥康奈爾發現證據表明，例如，在 10 世紀至 13 世紀期間（北大西洋地區氣候溫和、降水較多的時期），南極洲的塵埃較少，而在 13 世紀至 19 世紀期間（氣候適度降溫、降水較少的時期），南極洲的塵埃較多。他對格陵蘭島中部冰記錄的研究表明，在 20 世紀 30 年代之前，三個世紀以來塵埃水平呈上升趨勢，隨後出現神秘的下降。
但是，我們假想的從非洲滾滾而出的塵埃粒子——地球上規模最大、持續時間最長的塵埃遷移的一部分——不僅在大氣中發揮著至關重要的作用。它們還像巨大的肥料噴霧一樣，覆蓋著海洋和陸地。
當它們向西移動時，許多塵埃顆粒落入大西洋。在這裡，它們發揮著與在大氣中不同的氣候調節功能，但也有冷卻效果：它們提供鐵，刺激浮游植物的生長，浮游植物消耗二氧化碳，死亡並將碳帶到黑暗的海洋深處。在那裡，碳與大氣隔離了數個世紀。
海洋包含地球上未儲存在岩石中的碳的近 85%，而海洋浮游植物“負責……地質時期內所有固存碳的大部分”，2011 年發表在《風沙研究》上的一篇論文指出。然而，儘管海洋的大片區域氮和磷等營養物質濃度很高，但它們也缺乏鐵，從而限制了浮游生物繁殖的數量。這就是風力傳播的塵埃發揮作用的地方。非洲塵埃的鐵含量很高。
幾年前，人們對發現鐵在碳迴圈中的重要作用——以及塵埃的間接作用——感到非常興奮，以至於一些科學家開始夢想雄心勃勃的地球工程專案。他們的想法是這樣的：在南部海洋和西北太平洋的大片區域，這些區域被稱為高營養、低葉綠素區，浮游生物繁殖大大減少，我們人類可以傾倒大量鐵。然後浮游生物會瘋狂繁殖，消耗二氧化碳，死亡並沉入海底。再見，溫室氣體問題。
然而，人們很快就看到了這種方法的危險。“可能會產生許多意想不到的後果，”普羅斯佩羅說。其中包括水柱中微生物當前物種分佈的劇烈變化。這不一定是壞事，但影響是不可預測的；新的生態系統通常不如它們取代的生態系統多樣化和富有生產力。此外，如果在缺鐵但其他營養物質豐富的區域傾倒鐵，新的浮游生物羽流不僅會將二氧化碳拉到深處，還會將磷和氮也拉到深處。這些營養物質將不再在海洋中其他需要它們的地方使用。
其他新知識進一步削弱了鐵解決方案。“我們看待海洋生物化學的方式發生了徹底的改變，”康奈爾大學的馬霍瓦爾德說。“我們 10 年前認為正在發生的事情與我們現在看到的情況完全不同。”更大的啟示之一是，“並非所有塵埃在鐵的可用性方面都是相同的。”事實證明，大氣中的酸——來自生物質燃燒和其他汙染——與塵埃相互作用，使鐵更易溶解。因此，當我們燃燒燃料和廢物時，我們會促進大氣和海洋中可用鐵的產生。“由於人類的活動，沉積在海洋中的鐵量可能已經增加了一倍左右，”馬霍瓦爾德說。“與此同時，海洋中的沉積鐵量比以前認為的要大得多。從大陸架流出的鐵要多得多。因此，大氣中的鐵不如我們想象的那麼重要。”
對於那些一直穿越大西洋的顆粒來說，這段旅程可能需要一週或更長時間。在夏季的邁阿密看到非洲塵埃霧霾，或者在亞馬遜的暴雨過後在您的車輛上發現一層這樣的顆粒是很常見的。這就是弗吉尼亞大學的斯瓦普在 20 世紀 80 年代後期對塵埃輸送這個話題產生興趣的原因。當他還是巴西的研究生時，他和其他人注意到，在連續幾天的降雨之後，灰塵會繼續積聚在他們的白色大眾汽車上。“我們在內陸 1000 英里處，那裡會下傾盆大雨，每天三到五英寸，”斯瓦普回憶道。“我們在雨後檢視我們的汽車，發現紅色灰塵。我們當時想，‘這是怎麼回事？’”
這個問題與另一個長期以來一直困擾著亞馬遜的問題有關。該盆地由古老的土壤組成，這些土壤不斷受到暴雨的侵襲，這些暴雨可能早已沖走了許多關鍵養分。那麼亞馬遜是如何得到補充的呢？它如何保持如此肥沃？有些人認為它可能會隨著植物物質的分解而自我補充。另一些人認為這是不可能的，並想知道它最初是如何變得如此肥沃的。“亞馬遜的大部分肥力可以用非洲塵埃的輸送來解釋，這是一個非常可行的假設，”美國地質調查局的科學家丹尼爾·穆斯說。“否則，亞馬遜如何在如此炎熱、潮溼和古老的景觀中，在土壤高度淋溶的情況下，支撐如此令人難以置信的植物和動物物種多樣性呢？ ”
新的研究證實了其他地區也存在類似的洲際塵埃沉積物。穆斯採集了加勒比海幾個島嶼土壤的“地球化學指紋”。“在某些地方，非洲塵埃是土壤的唯一來源；在另一些地方，它是部分來源，”他說。一些島嶼由石灰岩、珊瑚礁和沙子組成，但它們的表土卻富含不相關的粘土和鋁矽酸鹽。穆斯說，有兩種可能的來源：來自加勒比海火山活動區的火山灰或來自非洲的塵埃。在包括巴貝多在內的一些地方，土壤由兩者組成。在另一些地方，如巴哈馬群島和佛羅里達群島，幾乎全部來自非洲。“我們對巴貝多不同年齡化石礁的研究表明，[非洲塵埃輸送] 過程已經持續了數十萬年，”穆斯說。
這個過程會持續多久？這是您需要了解的關於我們旅行的塵埃顆粒的最後一件事：它們不僅對地球氣候產生深遠的影響，而且地球氣候也可能對它們產生深遠的影響。“塵埃與其他氣溶膠不同，因為大氣中的塵埃——與人造汙染不同——取決於氣候本身，”普羅斯佩羅說。“如果氣候變化影響風速和降雨量，它可能會產生巨大的影響。塵埃對風和雨的微小變化非常敏感。它是最終的反饋迴路。”
冰芯和其他記錄中可以看到這種關係的證據。冰期比間冰期多塵得多。“但我們仍在試圖弄清楚其中的因果關係，”穆斯說。“是冰期導致了更多的塵埃，還是更多的塵埃導致了冰期？存在各種各樣的反饋。情況很快變得非常複雜。”這就是為什麼氣候變化的科學解決方案——像鐵解決方案這樣簡單而優雅的生物工程壯舉的夢想——如此令人煩惱。“在所有反饋中又存在反饋，我們可能會產生哪些意想不到的反饋？”穆斯說。“我們可能會解決一個問題，同時又製造另一個問題。”
普羅斯佩羅已經注意到一些意想不到的怪異事情正在發生。在 20 世紀 70 年代和 80 年代，巴貝多和邁阿密的塵埃濃度與北非的乾旱和降雨高度相關：乾旱越多，塵埃越多。但所有這一切從 20 世紀 90 年代開始發生了變化。“現在根本沒有任何相關性，我們不知道發生了什麼，”普羅斯佩羅說。“我感到擔憂和困惑。”他擔心塵埃可能又是一個指標，表明我們複雜的地球系統可能正在失控，使得預測變得不可能，未來變得越來越不確定。