南大洋為何擁有世界上最干凈的空氣

世界著名的大氣氣體監(jiān)測(cè)站位于澳大利亞塔斯馬尼亞西北角的肯納烏克/格里姆角。圖片來源：物理學(xué)家組織網(wǎng)

據(jù)世界衛(wèi)生組織稱，作為一項(xiàng)全球公共衛(wèi)生危機(jī)，空氣污染每年導(dǎo)致700萬人死亡。有研究表明，空氣污染會(huì)增加患心臟病、中風(fēng)和肺癌風(fēng)險(xiǎn)。那么，地球上還有原始的、純粹的空氣嗎?

4年前，美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)科學(xué)家在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上發(fā)表論文稱，南極洲周圍的南大洋上空有著世界上最干凈空氣，該區(qū)域是“真正原始的地方”。

澳大利亞《對(duì)話》雜志報(bào)道稱，與其他地方相比，這里使用工業(yè)化學(xué)品和燃燒化石燃料不多，人為活動(dòng)排放較少。但為何能成為地球上空氣的一方凈土，其形成原因一直是個(gè)謎。

現(xiàn)在，一項(xiàng)發(fā)表在《Npj氣候和大氣科學(xué)》雜志上的研究表明，云和雨在凈化大氣方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

衛(wèi)星“看到”蜂窩狀云層

懸浮在空氣中的細(xì)小固體顆粒或液滴被稱為氣溶膠。除了工業(yè)來源外，海浪中的鹽分或風(fēng)吹起的揚(yáng)沙等自然因素也會(huì)導(dǎo)致氣溶膠。南大洋上空的氣溶膠水平受到一系列因素影響。鹽霧的數(shù)量和浮游植物(空氣中硫酸鹽顆粒的來源)的季節(jié)性生長(zhǎng)變化都會(huì)改變空氣中氣溶膠含量。冬季產(chǎn)生硫酸鹽較少，也是南大洋上空空氣最純凈的時(shí)候。

與此同時(shí)，南大洋也是地球上云量最多的地方，這會(huì)導(dǎo)致這里常有短暫零星陣雨。在新研究中，澳大利亞莫納什大學(xué)研究人員想要探究云和雨在凈化空氣中起的作用。了解這些過程的最大障礙是缺乏對(duì)該地區(qū)云、降雨和氣溶膠的高質(zhì)量觀測(cè)。

不過，在新一代衛(wèi)星幫助下，研究人員能以前所未有的細(xì)節(jié)研究云層圖像。他們開發(fā)了一個(gè)能夠識(shí)別南大洋大片區(qū)域上不同云型的計(jì)算機(jī)程序，著重尋找云層中獨(dú)特的蜂窩狀圖樣。

之所以關(guān)注蜂窩狀圖樣，是因?yàn)樗鼈冊(cè)谡{(diào)節(jié)氣候方面的作用不可小覷。一方面，當(dāng)這些蜂窩狀單元“擠滿”云朵時(shí)，會(huì)變得更白、更亮，能將更多陽(yáng)光反射回太空，有助于保持地球涼爽。另一方面，空的或“開放的”蜂窩狀單元可以讓更多陽(yáng)光透進(jìn)來。

蜂窩狀單元是開放還是關(guān)閉，也與它們能產(chǎn)生的降雨量有關(guān)。這些錯(cuò)綜復(fù)雜的因素造成目前地球氣候模型中出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，因?yàn)槟Ｐ筒]有恰當(dāng)?shù)貙⑵浜w在內(nèi)。模擬蜂窩狀單元“開關(guān)”狀態(tài)尤為關(guān)鍵，否則得到的結(jié)果將大相徑庭。

強(qiáng)陣雨“洗去”氣溶膠

今年4月，澳大利亞肯納烏克/格里姆角天文臺(tái)啟動(dòng)了云和降水實(shí)驗(yàn)，目的是獲得有關(guān)云、雨和陽(yáng)光的更高分辨率數(shù)據(jù)。

借此機(jī)會(huì)，研究人員將蜂窩狀云圖樣與天文臺(tái)氣溶膠測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較，同時(shí)與氣象局的降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)也進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，空氣最純凈的日子與開放的蜂窩云有關(guān)。研究人員認(rèn)為，這些云層導(dǎo)致零星強(qiáng)烈的陣雨，從而將氣溶膠粒子從空氣中“洗掉”了。

與充滿云的蓬松白色蜂窩狀關(guān)閉單元相比，開放單元含有更多水分，能產(chǎn)生更多雨水。數(shù)據(jù)顯示，開放蜂窩狀單元產(chǎn)生的降雨量是關(guān)閉的6倍。

研究人員發(fā)現(xiàn)，從衛(wèi)星上看起來不那么多云的天氣，實(shí)際上會(huì)觸發(fā)最有效的沖刷氣溶膠的陣雨。而充滿了云或關(guān)閉的蜂窩狀單元，雖然看起來云層密布，但對(duì)空氣的清潔效果較差。

在空氣最清潔的冬季，空的蜂窩狀單元更為常見。分析表明，大范圍天氣系統(tǒng)“掌控”著云場(chǎng)模式。當(dāng)肆無忌憚的風(fēng)暴席卷南大洋時(shí)，便產(chǎn)生了這些開放和關(guān)閉的蜂窩狀單元。

有助構(gòu)建更佳氣候模型

4年前，科學(xué)家對(duì)海洋邊界層(大氣中與海洋直接接觸的部分)的空氣進(jìn)行了采樣。他們檢查了空氣中微生物的成分，這些微生物存在于大氣中，經(jīng)常被風(fēng)吹散到數(shù)千公里外。通過DNA測(cè)序、來源追蹤和風(fēng)的回溯軌跡，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些微生物起源于海洋。

現(xiàn)在，新研究進(jìn)一步破解了南大洋為何有世界上最干凈空氣的謎團(tuán)。其中，降雨是關(guān)鍵，尤其是來自這些透明、開放的蜂窩狀云層引發(fā)的降雨，它們負(fù)責(zé)凈化南大洋上的所有空氣。這似乎解釋了為何空氣中存在來自海洋的微生物成分。

這些蜂窩狀圖樣也存在于冬季的北大西洋和北太平洋地區(qū)。因此，新研究也將有助于解釋這些云是如何去除這些地區(qū)氣溶膠的?？茖W(xué)家還能在此基礎(chǔ)上改進(jìn)氣候模型，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。