大气气溶胶（大气气溶胶的分布特征）

　　大气气溶胶（大气气溶胶的分布特征）
　　工业革命以来，人类活动对地球环境的影响显著增强并不断积累，其中以CO2为代表的温室气体造成的全球变暖问题是全人类共同面对的危机。然而，除了温室气体，人类活动排放的众多污染物中，有一个身形娇小的成员，虽然肉眼难以捕捉，但它对地球的气候和环境有着极大的影响力，它就是气溶胶。
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　　说到气溶胶，大家可能会有些陌生，但如果说到PM2.5，大家可能就会立刻提高警惕备好口罩了。PM2.5就是气溶胶中的一种，气溶胶是悬浮在大气中的固体或液体粒子，直径约为0.001～100μm（微米，10-6米），PM2.5指大气中空气动力学当量直径小于或等于2.5μm的气溶胶，也称为细颗粒物。
　　PM10和PM2.5粒子与人类头发直径对比（图片来自网络）
　　气溶胶的种类很多，一般可以分为自然源气溶胶和人为源气溶胶。自然源气溶胶主要源于沙尘暴、火山爆发、海浪破碎以及森林野火等自然现象。人为源气溶胶主要包括化石燃料燃烧产生的硫酸盐气溶胶、黑碳和烟尘。自工业革命以来，人为源气溶胶在大气中的含量持续增加，造成严重空气污染的同时也威胁着人们的身体健康。因此，气溶胶造成的环境问题受到了公众和科学界的广泛关注。
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　　然而，除了造成环境污染，气溶胶还可以影响到地球的气候。气溶胶粒子对气候的影响主要表现在两方面。第一种是气溶胶粒子可以直接吸收或散射太阳短波辐射（又称直接气候效应）。第二种是气溶胶粒子可以通过改变或影响云的特性比如形状，寿命，云量等来间接影响太阳短波辐射和地球长波辐射（也称间接气候效应）。气溶胶颗粒形状多种多样，粒径大小千差万别，形成机制和化学性质各不相同，而且由于气溶胶的生命周期很短，对流层气溶胶的寿命一般只有几天到几周，与CO2等温室气体相比，气溶胶的排放局地性很强，气溶胶对辐射的影响相关研究还具有很大的不确定性。
　　散射型气溶胶降温作用（上），吸收型气溶胶增温作用（下）（图片来自网络）
　　根据IPCC的评估报告，气溶胶的间接气候效应可能更为重要，但是与直接效应相比，间接效应的不确定性更大。这是因为气溶胶与云的相互作用的机制目前还认识不全面，特别是对云特性的理解还欠缺很多。关注大气气溶胶，不仅是解决大气环境污染问题的需要，也是理解气候变化和地气系统辐射变化的重要环节。
　　气溶胶的直接和间接影响（图片来源：IPCC第四次评估报告（2007年））
　　据2012年发布的政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告估算，大气气溶胶总的直接辐射强迫为-0.9（-1.9~-0.1）W/m2，这表明气溶胶对气候系统总体上具有冷却效应，气溶胶增加会导致地球获得的辐射强迫减少。那么，气溶胶的存在是不是就可以抵消温室气体引起的全球变暖了呢？
　　对于人类排放气溶胶直接作用辐射强迫的各种估算结果（图片来源：松鼠科学会新浪博客）
　　大气平流层没有明显的垂直运动，空气以水平运动为主，其动力稳定性条件和水平环流可以将局地的影响放大为区域甚至全球影响，而且能延长进入平流层的气溶胶的寿命以及影响时间。于是科研人员大胆设想，希望在大气平流层做一些改变来减缓全球变暖的速度。
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　　美国哈佛大学和耶鲁大学的研究人员计划开展一个＂平流层控制扰动实验＂，他们打算通过发射一个可操纵的气球释放气溶胶的小团烟雾，然后测量这些烟雾如何分散光线和改变平流层的化学状态。他们希望证明在平流层注入气溶胶可将一部分太阳辐射反射回太空，从而遏制全球变暖。他们认为这一做法与大型火山爆发产生的全球降温效应有异曲同工之处，例如1815年爆发的坦博拉火山造成了全球性的气候异常，次年夏天出现罕见低温，欧洲、北美洲及亚洲都受灾严重，1816年也被称为＂无夏之年＂。
　　实验设想
　　但是随后又有科研人员利用地球系统模式模拟了这种方法的可行性，他们利用CESM模型在南北纬15°和30°上空的平流层注入硫酸盐气溶胶。模拟结果显示，这种做法的确可以降低表面温度。但是同时也会造成海洋循环变化，进而导致海洋持续变暖，尤其是靠近格陵兰岛以南附近的海面。
　　模拟结果地表温度变化
　　当然，在平流层注入气溶胶从而改变地球反照率还是科研人员一个大胆的想法，但是人类活动在对流层排放的气溶胶正在实实在在地影响着地球气候。大气所黄刚研究员团队利用地球系统模型CESM模拟了工业革命以来，人为活动造成的硫酸盐气溶胶排放的时空分布变化，以及该变化对北半球温度的影响。
　　模拟结果表明，1850-1980年欧洲、北美等发达地区污染物排放明显增加，发展中地区污染物排放不显著，北半球温度普遍降低。1980-2007年，发达地区污染物排放减少，发展中地区污染物排放则持续增加。温度变化主要表现是北半球高纬度地区的温度上升。东亚中低纬度地区、南亚和其他地方的气温下降。
　　模拟北半球地表温度的变化
　　局地温度变化有三个影响因子。其中硫酸盐排放源区温度变化的主要原因是辐射强迫的影响，如1850-1980年欧洲变冷，1980-2007年欧洲变暖、东亚和南亚变冷。温度的远距离响应主要是由于热量输送，影响最大的是在西伯利亚地区，虽然这里气溶胶浓度变化很小，但是冷暖平流作用明显，因此温度响应很强。
　　2019年《自然》上发表的一项研究结果表示，空气污染导致中国太阳能产出减少。科研人员分析了来自中国119个站点的观测辐射数据，发现在1960年至2015年间，中国地区太阳能光伏（solar photovoltaic，PV）潜力平均下降了11-15％。其中黑碳气溶胶和硫酸盐气溶胶排放增加对太阳辐射的削弱作用最强。
　　1960~2015年气溶胶排放、容量因子变化。（二氧化硫和黑碳排放量取自北京大学排放清单）
　　容量因子（CF，capacity factor）为光伏电池板的实际输出功率和最大输出功率之间的比值，来表征潜在的发电能力。如图所示，计算得到：1960年到2015年间，潜在太阳能光伏发电能力降低了13%。
　　总体而言，气溶胶的气候效应要比温室气体复杂得多。气溶胶的种类复杂，其中像硫酸盐等散射型气溶胶可以增加行星反射率对整层大气起到降温作用，而像黑碳等吸收型气溶胶可以吸收太阳辐射使得气溶胶所在大气增暖，到达地面的太阳辐射减少，地面降温。气溶胶的辐射强迫效应在不同时间，不同纬度都会发生变化，甚至同一层气溶胶在下垫面发生变化时其辐射强迫效应也会发生很大的差异。
　　由于对气溶胶的观测时间开始比较晚，而且气溶胶成分复杂还可以影响云，目前科学家对气溶胶的气候效应认识还有很大不足。大气气溶胶的直接和间接气候效应问题不解决，将直接影响到我们对过去100至200年来气候变化原因的正确认识，也必然影响到我们对未来气候变化的预测。气溶胶的环境和气候效应可能是一把双刃剑。改善颗粒物污染，有利于环境和人类健康，但气溶胶减少导致其冷却效应衰减，是否会加速全球气候变暖的进程，也是一个需要深入探索的问题。
　　参考文献：
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　　4. John A. Dykema, David W. Keith, James G. Anderson, Debra Weisenstein，Stratospheric controlled perturbation experiment: a small-scale experiment to improve understanding of the risks of solar geoengineering，2014，Philos Trans A Math Phys Eng Sci.
　　5. John T. Fasullo, Simone Tilmes, Jadwiga H. Richter, Ben Kravitz, Douglas G. MacMartin, Michael J. Mills & Isla R. Simpson, 2018, Persistent polar ocean warming in a strategically geoengineered climate, Nature Geoscience