图片来源：JACQUES DESCLOITRES, MODIS陆地快速响应小组, 美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心
浓稠的气溶胶颗粒混合物——其中包括硫酸盐、硝酸盐、有机碳和黑碳以及粉煤灰——在这张图片中布满了印度北部上空。 |
去年四月，一场含有超过正常空气中颗粒物含量四倍的暗霾缓慢向东飘过美国，导致多个城市能见度急剧下降。有趣的是，这场雾霾起源于地球另一端的蒙古，那里发生了一场巨大的沙尘暴。这片云团大小与日本相当，它横跨太平洋和美国大陆，最终消散在大西洋上空。
这片云团的飘移不仅仅遮蔽了一些景观：它有力地证明了污染不再仅仅是城市或区域性问题。并且由于它含有大量的气溶胶——微小的颗粒物，例如灰尘和海盐，以及人为产生的硫酸盐、硝酸盐、煤烟和有机化合物——它突显了我们需要更好地理解这些颗粒如何影响我们地球的天气和气候。
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事实上，尽管气候学家和其他科学家长期以来一直关注大气中的气体，但他们并没有仔细研究所谓的凝聚相颗粒所起的作用。“在许多方面，我们的领域实际上比气相化学的研究更年轻，”夏威夷大学的气溶胶研究员巴里·休伯特说。“长期以来，人们一直认为，如果你了解了气相，你就了解了一切有趣的东西。” 即使当科学家们确实考虑了凝聚相时，大多数人也认为，由于颗粒物的寿命很短，它们的影响将是暂时的。尽管颗粒物可能对区域能见度产生影响，但它们会在真正影响气候之前就被雨水从大气中冲刷掉。
20世纪90年代初的一些粗略计算（主要基于硫酸盐，因为唯一可用的充分数据来自酸雨研究）表明，气溶胶可以通过反向散射入射太阳辐射来冷却大气。但后来的研究表明，气溶胶也可能通过其对云层覆盖和对污染中研究较少的成分（如煤烟）的行为的影响来使大气变暖。
为了寻求更清晰的图景，来自世界各地的大型科学家团队最近汇集资源，利用飞机、轮船、地面站和气球进行大型实地实验。“亚洲-太平洋区域气溶胶特性实验”（ACE-Asia）于去年的沙尘暴期间进行，是旨在调查世界各地不同地区气溶胶行为不同方面的系列实验中的第三个。与此同时，另一项大规模行动“印度洋实验”（INDOEX）专门用于查看是否可以直接测量气溶胶颗粒对气候的强迫作用。
INDOEX于1999年进行，它利用了冬季季风期间发生的独特现象，即气流将来自印度和东南亚的污染物向南带到开阔的海洋上空。然而，在赤道以南，气流主要来自南方，保持天空相对没有人为污染物。因此，飞越云层并在赤道以南飞行的INDOEX飞机能够同时采集气溶胶和更清洁的天空样本，以作为参考。
研究气溶胶并非易事。由于它们的寿命很短，它们不会在全球范围内均匀混合，因此浓度可能相差几个数量级——这使得难以准确描述它们的影响。更重要的是，根据美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的蒂姆·贝茨的说法，“气溶胶颗粒的尺寸范围非常广，颗粒对气候的影响将非常依赖于其尺寸，这使得情况更加复杂。” 最后，颗粒的成分涵盖了广泛的化学物质，这些物质可以以多种方式结合和相互作用，所有这些都会导致不同的，有时甚至是相反的辐射效应。
根据一份使用INDOEX数据并在上个月发表在《科学》杂志上的报告，人为污染产生的气溶胶也可能在削弱地球的水供应方面发挥作用。“我们非常惊讶于这层雾霾是如此巨大、如此浓厚，”斯克里普斯海洋研究所的联合首席科学家维拉巴德兰·拉马纳坦说，“它使进入海洋的阳光减少了多达10%。” 反过来，这种减少又减少了海水的蒸发，而海水的蒸发是降水的来源。“因此，正如气溶胶大量减少阳光一样，”拉马纳坦解释说，“它们可能会减缓地球的水文循环。”
该研究进一步 examined 气溶胶影响水供应的另一种方式：通过控制云的形成。 这些颗粒的存在通过提供水滴可以凝结的场所来帮助云的形成，但科学家们发现，非常小的颗粒实际上会降低云的降水效率，这意味着降雨量减少。
图片来源：加州大学圣地亚哥分校 气溶胶 通过控制云的形成和减少降雨来影响地球的水供应。 |
“当您遇到城市和工业污染时会发生什么，”ACE-Asia科学家休伯特解释说，“那就是您最终会得到非常多的小颗粒，最终得到非常大量的微小液滴，这些液滴太小而无法[从云中]沉降出来。 结果，您永远不会启动一个液滴收集另一个液滴，再收集另一个液滴，然后它变得更大并开始加速，最终产生降水的过程。” 在《科学》杂志的论文中，拉马纳坦及其同事指出，“气溶胶对降水的抑制作用延长了它们在大气中的停留时间，进一步增强了它们的影响。”
研究人员还强调需要考虑气溶胶在不同高度可能产生的不均匀吸收效应。 例如，吸收辐射的黑碳抵消了硫酸盐和有机物在大气层顶部的冷却效应。 然而，在地表，所有气溶胶都会减少太阳辐射。“目前，气候模型预测研究通常不考虑这些影响，”NCAR的研究合著者J. T. 基尔指出。“但我们需要在未来的模型预测中纳入吸收性气溶胶。”
这样的预测只能从科学家最近收集的关于气溶胶的相对丰富的数据中获益。 尽管目前没有重复ACE-Asia或INDOEX实地实验的计划，但贝茨指出，许多地面站点和激光雷达（lidar）站仍在继续收集有价值的信息。 并且由于研究人员仍在分析过去几年收集的数据，因此气溶胶行为的更清晰图景可能仍然会从雾霾中浮现出来。