博德莱洼地位于撒哈拉沙漠南缘，是一个可怕的、被遗弃的地方。狂风呼啸穿过附近的提贝斯提山脉和恩内迪高原，当它们汇入几乎与加利福尼亚州一样大的干旱荒地时，速度加快。这里曾经有一个巨大的淡水湖。现在，这个湖泊已经萎缩成昔日的小水坑。在大部分地貌上，空无一物。
看起来是这样。但是，当风扫过古老的湖床时，该地区的大部分地区数千年来都没有被淹没过，它们将数万亿个微小颗粒卷入空中，形成巨大的白色旋涡云。然后，尘埃开始了一段神秘的旅程——或者一系列神秘的旅程——科学家们正试图更好地了解这些旅程。
仅仅几十年前，研究人员还没有过多关注尘埃。像我们其他人一样，他们清理家具下面，偶尔会注意到漂浮的絮状灰尘——通常包括死昆虫、植物碎屑和厨房碎屑的混合物。研究地球大气层的科学家更感兴趣的是人造颗粒物——污染。很少有人意识到，数百万公吨的土壤或矿物粉尘在任何给定的时间都在全球范围内循环，影响气候，为海洋施肥，并为亚马逊雨林等其他地方提供重要的养分。
纤维和厨房碎屑。研究地球大气层的科学家更感兴趣的是人造颗粒物——污染。很少有人意识到，数百万公吨的土壤或矿物粉尘在任何给定的时间都在全球范围内循环，影响气候，为海洋施肥，并为亚马逊雨林等其他地方提供重要的养分。
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约瑟夫·M·普罗斯佩罗是先驱者之一。他是迈阿密大学海洋与大气化学荣誉退休教授，被誉为美国尘埃研究的祖父。然而，他也回忆说，当他在 20 世纪 60 年代和 70 年代初发表论文，暗示非洲尘埃大量跨越大西洋输送到美洲时，他的一些同事怀疑这是否是一个具有重要科学意义的主题。“人们过去常常觉得尘埃这个话题很有趣，”他说。
他是一个孤独的企业家，在巴巴多斯和其他原始地点监测尘埃站，分析和测量他可以在空气过滤器中捕获的东西。然而，最终人们的兴趣增长了，部分原因是卫星照片越来越清晰地显示了普罗斯佩罗和其他一些人所描述的情景：巨大的颗粒羽流，宽达数百公里，像大规模风暴中的海浪一样从非洲大陆上 swept 下来，落在在大西洋的另一边。与此同时，人们对气候变化的兴趣日益浓厚，并且人们清楚地认识到，尘埃在调节地球温度方面发挥着关键作用。
“现在关于尘埃的科学论文太多了，根本看不完，”普罗斯佩罗说。据一项统计，从 20 世纪 70 年代初到 2001 年，关于撒哈拉尘埃的出版物每四年翻一番。德克萨斯大学埃尔帕索分校地质科学副教授托马斯·E·吉尔帮助维护一个尘埃数据库，他说他很难跟上。“你认为这是一个深奥的话题，但每周我都会看到大约 50 到 100 篇关于某种形式的尘埃的出版物。”
所有这些研究都在告诉我们什么？尘埃的故事实际上是关于试图弄清楚我们居住的星球正在发生什么变化的挑战。它表明，地球生态系统一个区域的影响如何对其他区域产生巨大的影响。“我们的科学工具越鼓励我们找到一个答案，它们就越引导我们提出三个以上的问题，”弗吉尼亚大学环境研究教授罗伯特·J·斯瓦普说。斯瓦普是 1992 年一篇关于亚马逊地区非洲尘埃的开创性论文的合著者，他说对尘埃的研究得出一个结论：“我们需要尊重自然的复杂性。”
理解这种复杂性的一种方法是追踪一小撮来自撒哈拉沙漠的粒子穿过大西洋的假想路径。在途中，一旦我们的尘埃粒子到达它们的下一个目的地（没有最终目的地），我们可以检查它们如何与周围世界相互作用。
我们从博德莱开始，因为它被广泛认为是地球上最尘土飞扬的地方。更广阔的撒哈拉沙漠和附近的萨赫勒地区也做出了贡献：非洲尘埃每年夏天都会被带到美国南部和东部大部分地区，并且占佛罗里达州尘埃的 75% 到 80%。当迈阿密下雨时，当地居民从他们的车辆上擦去一层红色颗粒残留物时，他们正在擦去来自非洲的长途运送物。走过巴哈马群岛或佛罗里达群岛，您将踩在非洲的土地上。
地球每年排放估计 20 亿公吨的尘埃，其中一半以上来自非洲的沙漠和旱地。中国排放的尘埃传播到夏威夷和北美西部；巴塔哥尼亚将尘埃送到南极洲。落在格陵兰岛的大部分尘埃来自亚洲，但当干旱导致 20 世纪 30 年代美国的尘暴时，这些尘埃似乎也到达了格陵兰岛的冰川。
非洲的大部分空气传播尘埃在西风带的推动下，进行了 6400 公里的跨越大西洋之旅。据估计，每年大约有 4000 万公吨的尘埃，其中富含维持生命的矿物质，包括铁和磷，覆盖着亚马逊雨林，其中一半可能起源于博德莱。
在升空之前，博德莱尘埃一直处于地质等候室中。随着每一层被撇去，新的一层就会暴露出来。在土壤表面上松动尘埃颗粒并使其开始弹跳所需的风速因表面和气候条件而异，但一般来说，阈值在每秒 4 到 12 米的范围内。当颗粒开始碰撞时，它们会松动其他颗粒。最小的颗粒向上漂浮。一旦漂浮在空中，尘埃就开始混合——首先是来自博德莱的其他旋涡颗粒，然后是来自非洲其他地方的尘埃和污染。最终，它成为穿过大西洋的巨大尘埃锋的一部分。
当我在迈阿密大学的办公室与普罗斯佩罗会面时，他拉开电脑上的卫星照片给我看这种现象，并摇了摇头。“这有点乱，”他说，指着非洲和大西洋上空各种颜色和来源的羽流。“从数量上来说，很难指出那里发生了什么。一切都混在一起了。整个北非都在不断地被吹走。”
一旦进入空气中，可能已经存在了数千年的尘埃突然开始调节地球的气候。它吸收来自太阳的辐射，包括一些从地球反射回来的辐射，从而使大气变暖。它还将其他辐射反射回太空，从而产生冷却效果。辐射被吸收或反射的比例反过来又取决于尘埃的化学成分、矿物学和大小，以及光的波长。在大多数情况下，尘埃倾向于反射来自太空的短波辐射，并吸收来自地球表面的长波辐射。如果颗粒与烟尘混合，它们会吸收更多的热量。
其他因素也发挥作用。在海洋等较暗区域上空传播的尘埃会冷却地球，因为它会反射一些本来会被地表吸收的光。然而，在冰和沙等浅色区域上空传播的尘埃往往会产生变暖效应，因为它通常比地表吸收更多的光。如果尘埃落在雪或冰上，会导致更多的变暖。“任何气溶胶、任何尘埃、任何污垢都会使雪变黑，”加州大学欧文分校地球系统科学教授查理·曾德说。“如果你早上走过一片雪地，在小块雪地上放一点污垢，把它放在那里，下午再回来，那部分雪就会凹陷下去。”我采访过的几位科学家认为，大气尘埃的总体影响可能是地球的冷却，但还远不足以补偿温室气体变暖效应。
空气中的尘埃也以间接方式影响气候。例如，它在云的形成中起着至关重要的作用。空气中的水分不会自行形成液滴。它需要附着在颗粒上。科学家们对尘埃作为“凝结核”的作用程度存在分歧。康奈尔大学教授、大气模型开发者娜塔莉·马霍瓦尔德坚信，水和冰都会在尘埃上凝结。美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 地球物理流体动力学实验室的气候模型制作者保罗·吉诺克斯同意尘埃充当冰的冷凝器，但他认为水只会凝结在与硫酸盐混合的尘埃上，而硫酸盐主要来自污染。
至少在一点上，马霍瓦尔德和吉诺克斯意见一致：我们在云的形成方面存在巨大的知识差距。当大量微小颗粒悬浮在大气中时，它们可以帮助形成大量水滴，但由于这些水滴非常小，因此不太可能以降雨的形式落下。此外，小液滴云比大液滴云更亮——因此它们会将更多的辐射散射回太空。然而，如果尘埃颗粒吸收热量，它们吸引的水分会更快蒸发。云不会持续那么久。“尘埃可能会使降水更容易或更难发生，这取决于大气中的其他物质在做什么，”马霍瓦尔德说。“这比你想象的还要复杂。”吉诺克斯指出，即使是最好的计算机模拟也无法给我们提供完整的图像：“我们知道物理过程，但很难精确评估正在发生的事情。”
云对地球气候的重要性再怎么强调也不为过——不仅仅是因为它们产生雨雪。地球表面大约 60% 在任何给定时间都被云层覆盖。云的形成和性质的微小变化可能会极大地改变它们在将光和热反射回太空中所起的作用。据估计，如果“短波云强迫”增加 5%，地球的冷却程度将足以补偿 1750 年至 2000 年间温室气体的所有增加。
当然，尘埃已经在全球范围内旋转了地球存在的整个时期。那么，现在它产生的影响应该比以前更大还是更小呢？马霍瓦尔德认为，在地球的大部分地区，现在的尘埃运动比最近历史上的任何时候都多。“看起来我们在 20 世纪地球大部分地区的尘埃量增加了一倍左右，”马霍瓦尔德说。“我们不确切知道是什么原因导致了 20 世纪的增长，但人类活动可能是导致这种变化的原因。”
内华达州沙漠研究所-里诺分校的约瑟夫·R·麦康奈尔一直在研究因果关系问题。为了获得答案，他分析了格陵兰岛和南极洲冰层中嵌入的尘埃。他首先采集冰芯，长度从 20 米到 3 公里不等，具体取决于他想探测的时间回溯深度。然后他将它们空运到他的实验室。他有两台价值 40 万美元的机器——高分辨率质谱仪——用于测量冰中发现的元素的浓度。这些元素包括铝和稀土元素，例如铈，它们存在于尘埃中，但不存在于海盐、工业污染或火山和森林火灾的排放物中。
这些机器的工作原理如下：来自冰芯的冰川水被注入到与太阳表面一样热的等离子体中——约 6000 开尔文。“这几乎使所有物质都汽化，我们根据每个残留元素的原子质量和电荷来计算其电离原子，”麦康奈尔说。“它非常灵敏。有些元素浓度低至百万分之四。我们已将其应用于覆盖近几个世纪的浅层冰芯，现在正将其应用于跨越上一个冰河时代的深层冰芯。”
麦康奈尔试图测量的是随时间推移的尘埃水平，以便他弄清楚可能是什么原因导致尘埃水平上升和下降。从他的结果来看，巴塔哥尼亚的荒漠化和土地利用变化（包括 20 世纪初绵羊养殖的扩张）与南极洲同期尘埃水平翻倍相对应。人们可能会倾向于争论一个简单的因果过程：土地过度使用导致荒漠化，从而产生更多尘埃，然后加剧气候变化。然而，麦康奈尔警告说，“尘埃有很多驱动因素。”
气候本身就是驱动因素之一，但其作用尚不完全清楚。气温升高，通过减少土壤湿度和加剧荒漠化，可能会导致尘埃水平升高，这可能只是一个短期现象。从长远来看，多尘时期与降温有关。麦康奈尔发现证据表明，例如，在 10 世纪至 13 世纪期间（北大西洋地区气候温和、降水较多的时期），南极洲的尘埃较少，而在 13 世纪至 19 世纪期间（气候适度降温、降水较少的时期），南极洲的尘埃较多。他对格陵兰岛中部冰记录的研究表明，在 20 世纪 30 年代之前，三个世纪以来尘埃水平呈上升趋势，随后出现神秘的下降。
但是，我们假想的从非洲滚滚而出的尘埃粒子——地球上规模最大、持续时间最长的尘埃迁移的一部分——不仅在大气中发挥着至关重要的作用。它们还像巨大的肥料喷雾一样，覆盖着海洋和陆地。
当它们向西移动时，许多尘埃颗粒落入大西洋。在这里，它们发挥着与在大气中不同的气候调节功能，但也有冷却效果：它们提供铁，刺激浮游植物的生长，浮游植物消耗二氧化碳，死亡并将碳带到黑暗的海洋深处。在那里，碳与大气隔离了数个世纪。
海洋包含地球上未保存在岩石中的碳的近 85%，而海洋浮游植物“负责……地质时期内所有固存碳的大部分”，2011 年发表在《风沙研究》上的一篇论文指出。然而，尽管海洋的大片区域氮和磷等营养物质浓度很高，但它们也缺乏铁，从而限制了浮游生物繁殖的数量。这就是风力传播的尘埃发挥作用的地方。非洲尘埃的铁含量很高。
几年前，人们对发现铁在碳循环中的重要作用——以及尘埃的间接作用——感到非常兴奋，以至于一些科学家开始梦想雄心勃勃的地球工程项目。他们的想法是这样的：在南部海洋和西北太平洋的大片区域，这些区域被称为高营养、低叶绿素区，浮游生物繁殖大大减少，我们人类可以倾倒大量铁。然后浮游生物会疯狂繁殖，消耗二氧化碳，死亡并沉入海底。再见，温室气体问题。
然而，人们很快就看到了这种方法的危险。“可能会产生许多意想不到的后果，”普罗斯佩罗说。其中包括水柱中微生物当前物种分布的剧烈变化。这不一定是坏事，但影响是不可预测的；新的生态系统通常不如它们取代的生态系统多样化和富有生产力。此外，如果在缺铁但其他营养物质丰富的区域倾倒铁，新的浮游生物羽流不仅会将二氧化碳拉到深处，还会将磷和氮也拉到深处。这些营养物质将不再在海洋中其他需要它们的地方使用。
其他新知识进一步削弱了铁解决方案。“我们看待海洋生物化学的方式发生了彻底的改变，”康奈尔大学的马霍瓦尔德说。“我们 10 年前认为正在发生的事情与我们现在看到的情况完全不同。”更大的启示之一是，“并非所有尘埃在铁的可用性方面都是相同的。”事实证明，大气中的酸——来自生物质燃烧和其他污染——与尘埃相互作用，使铁更易溶解。因此，当我们燃烧燃料和废物时，我们会促进大气和海洋中可用铁的产生。“由于人类的活动，沉积在海洋中的铁量可能已经增加了一倍左右，”马霍瓦尔德说。“与此同时，海洋中的沉积铁量比以前认为的要大得多。从大陆架流出的铁要多得多。因此，大气中的铁不如我们想象的那么重要。”
对于那些一直穿越大西洋的颗粒来说，这段旅程可能需要一周或更长时间。在夏季的迈阿密看到非洲尘埃雾霾，或者在亚马逊的暴雨过后在您的车辆上发现一层这样的颗粒是很常见的。这就是弗吉尼亚大学的斯瓦普在 20 世纪 80 年代后期对尘埃输送这个话题产生兴趣的原因。当他还是巴西的研究生时，他和其他人注意到，在连续几天的降雨之后，灰尘会继续积聚在他们的白色大众汽车上。“我们在内陆 1000 英里处，那里会下倾盆大雨，每天三到五英寸，”斯瓦普回忆道。“我们在雨后查看我们的汽车，发现红色灰尘。我们当时想，‘这是怎么回事？’”
这个问题与另一个长期以来一直困扰着亚马逊的问题有关。该盆地由古老的土壤组成，这些土壤不断受到暴雨的侵袭，这些暴雨可能早已冲走了许多关键养分。那么亚马逊是如何得到补充的呢？它如何保持如此肥沃？有些人认为它可能会随着植物物质的分解而自我补充。另一些人认为这是不可能的，并想知道它最初是如何变得如此肥沃的。“亚马逊的大部分肥力可以用非洲尘埃的输送来解释，这是一个非常可行的假设，”美国地质调查局的科学家丹尼尔·穆斯说。“否则，亚马逊如何在如此炎热、潮湿和古老的景观中，在土壤高度淋溶的情况下，支撑如此令人难以置信的植物和动物物种多样性呢？ ”
新的研究证实了其他地区也存在类似的洲际尘埃沉积物。穆斯采集了加勒比海几个岛屿土壤的“地球化学指纹”。“在某些地方，非洲尘埃是土壤的唯一来源；在另一些地方，它是部分来源，”他说。一些岛屿由石灰岩、珊瑚礁和沙子组成，但它们的表土却富含不相关的粘土和铝硅酸盐。穆斯说，有两种可能的来源：来自加勒比海火山活动区的火山灰或来自非洲的尘埃。在包括巴巴多斯在内的一些地方，土壤由两者组成。在另一些地方，如巴哈马群岛和佛罗里达群岛，几乎全部来自非洲。“我们对巴巴多斯不同年龄化石礁的研究表明，[非洲尘埃输送] 过程已经持续了数十万年，”穆斯说。
这个过程会持续多久？这是您需要了解的关于我们旅行的尘埃颗粒的最后一件事：它们不仅对地球气候产生深远的影响，而且地球气候也可能对它们产生深远的影响。“尘埃与其他气溶胶不同，因为大气中的尘埃——与人造污染不同——取决于气候本身，”普罗斯佩罗说。“如果气候变化影响风速和降雨量，它可能会产生巨大的影响。尘埃对风和雨的微小变化非常敏感。它是最终的反馈回路。”
冰芯和其他记录中可以看到这种关系的证据。冰期比间冰期多尘得多。“但我们仍在试图弄清楚其中的因果关系，”穆斯说。“是冰期导致了更多的尘埃，还是更多的尘埃导致了冰期？存在各种各样的反馈。情况很快变得非常复杂。”这就是为什么气候变化的科学解决方案——像铁解决方案这样简单而优雅的生物工程壮举的梦想——如此令人烦恼。“在所有反馈中又存在反馈，我们可能会产生哪些意想不到的反馈？”穆斯说。“我们可能会解决一个问题，同时又制造另一个问题。”
普罗斯佩罗已经注意到一些意想不到的怪异事情正在发生。在 20 世纪 70 年代和 80 年代，巴巴多斯和迈阿密的尘埃浓度与北非的干旱和降雨高度相关：干旱越多，尘埃越多。但所有这一切从 20 世纪 90 年代开始发生了变化。“现在根本没有任何相关性，我们不知道发生了什么，”普罗斯佩罗说。“我感到担忧和困惑。”他担心尘埃可能又是一个指标，表明我们复杂的地球系统可能正在失控，使得预测变得不可能，未来变得越来越不确定。