生来调节：研究人员揭示气候控制粒子的起源

Josiah01

　　气溶胶颗粒非常微小。它们在我们周围的空气中旋转悬浮，大多数比最小的虫子还小，比头上最细的头发还要细，就像肉眼几乎看不见的薄纱一样。新形成的气溶胶颗粒只有纳米大小。但它们的影响却是巨大的。
　　它们决定了日落的颜色。它们每年造成 300 多万人过早死亡。它们对我们的气候有着巨大的影响。
　　尽管气溶胶的影响巨大，但它仍是一个谜。新的气溶胶颗粒是如何产生的？它们在哪里诞生？在什么条件下诞生？这些问题困扰了气候科学家数十年，也给气候模型带来了挥之不去的不确定性。
　　在新的研究中，美国能源部太平洋西北国家实验室的科学家领导的团队终于解答了一些关于新气溶胶粒子如何产生的最基本问题。该团队在地球系统模型中考虑了构成这些微小粒子的物质之间的分子级相互作用，取得了三个重大里程碑，他们的工作是在名为 EAGLES（在全球对流允许尺度上实现气溶胶-云相互作用）的项目下开展的。
　　他们将新气溶胶颗粒形成的 11 条新途径整合到全球气候模型中，确定了这些途径在世界各地的展开情况，并评估了它们对地球气候的潜在影响。
　　“正确地表示新粒子的形成长期以来一直是我们的难题，”地球科学家、EAGLES 首席研究员马宝伦说。“现在我们已经确定了这些新机制，我们的研究结果将起到两大作用：大幅降低迄今为止气溶胶气候科学中最大的不确定性来源，并提高我们预测地球系统如何变化的能力。”
　　他们的研究成果最近发表在《自然》杂志上。这项工作体现了多个机构的合作努力。
　　粒子热点
　　气溶胶粒子的形成方式各不相同。有些被称为原生气溶胶，直接喷射到大气中，就像沙漠中的灰尘或火山灰一样。其他则诞生于天空，是大气环境中气体混合的产物——这些粒子引起了 EAGLES 团队的注意。
　　新粒子并非随处可见，而是在热点地区产生。大部分活动发生在森林上方，例如亚马逊中部和东南亚的雨林。
　　那里没有原生气溶胶的“洁净”空气，因此可以进行适当的化学混合，从而产生新的粒子。科学家在这些森林上空检测到了高浓度的新粒子。
　　但如今的气候模型在一定程度上无法识别这些大型粒子峰。当需要估算粒子数量或它们出现在大气中的哪个位置时，即使是最好的模型也会大大低估它们的丰度或错误识别它们出现的高度。
　　然而，多亏了 EAGLES 团队整合的新路径，这个盲点现在才得以清晰起来。当团队将这些路径插入 DOE 的地球系统模型E3SM时，粒子峰值与他们在现实世界的观测结果相符。
　　修订后的模型不仅正确模拟了这些粒子的数量，还与研究人员在实地考察中发现它们的位置相匹配，正确地识别出许多新粒子出现在对流层上部。该团队在将模型预测与其他热点地区（如海洋和城市上方）的实际测量结果相匹配时也取得了类似的成功。
　　当他们从全球范围来看时，研究小组发现这些颗粒的全球平均浓度几乎是使用传统方法估算的三倍。
　　控制气候的云
　　气溶胶和云有着密切的关系。气溶胶粒子是云的种子。大气中的水分凝结在气溶胶粒子表面，一个水分子接一个地凝结，就像一缕缕棉花糖层叠在锥体上。
　　粒子的性质（即其化学成分、大小和结构）决定了其周围形成的云的特征。一种粒子类型可能会使其对应的云下雨的可能性增加或减少。另一种粒子类型可能会决定云反射的阳光是更多还是更少，进而决定地球大气变暖是更多还是更少。
　　如此一来，云和气溶胶粒子控制了我们的大部分天气和气候。它们可以加热、冷却甚至改变地球大气的结构和流动。
　　许多科学家认为，新粒子（EAGLES 团队试图了解的那种粒子）约占全球后来变成云的种子的一半。然而，在这项新研究中，该团队表明，在某些地区，这些粒子可能占更多。
　　在热带和中纬度海洋上空，当地产生的新粒子可能占云凝结物质的 80%。在欧洲和美国东部，它们可能占云种子物质的 65%。
　　颗粒物在气候响应中的作用
　　了解气溶胶如何影响地球气候是预测世界将如何变化的关键部分。随着各国寻求通过减少排放来抑制全球变暖，气候也会随之做出反应。马云说，改进气候模型以紧密反映地球系统的复杂性对于预测气候反应至关重要。
　　“我们的首要目标是创建越来越真实的气候系统模型，”马说。“而气溶胶一直是我们实现这一目标的主要障碍。我们非常依赖地球系统模型——测试排放情景和预测气候反应。它们越接近现实，我们对预测就越有信心。”
　　这项新研究的共同作者、地球科学家王海龙表示，尽管气溶胶颗粒周围仍存在许多未解之谜，但研究人员正在不断消除这些不确定性。
　　王说：“在我们对气溶胶粒子有扎实的机械理解之前，我们无法自信地说出它们的存在或不存在将产生什么样的全面影响。”“这项研究标志着我们朝着这一理解迈出了重要一步。”