「小小氣溶膠」還能影響全球氣候變化？丨大氣悟理

編者按：看寒來暑往雲捲雲舒，思古往今來氣候變遷，中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設「大氣悟理」，為大家介紹大氣裡發生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環境相關的知識。

工業革命以來，人類活動對地球環境的影響顯著增強並不斷積累，其中以CO₂為代表的溫室氣體造成的全球變暖問題是全人類共同面對的危機。然而，除了溫室氣體，人類活動排放的眾多汙染物中，有一個身形嬌小的成員，雖然肉眼難以捕捉，但它對地球的氣候和環境有著極大的影響力，它就是氣溶膠。

（圖片來自網絡）

說到氣溶膠，大家可能會有些陌生，但如果說到PM2.5，大家可能就會立刻提高警惕備好口罩了。PM2.5就是氣溶膠中的一種，氣溶膠是懸浮在大氣中的固體或液體粒子，直徑約為0.001～100μm（微米，10^-6米），PM2.5指大氣中空氣動力學當量直徑小於或等於2.5μm的氣溶膠，也稱為細顆粒物。

PM10和PM2.5粒子與人類頭髮直徑對比（圖片來自網絡）

氣溶膠的種類很多，一般可以分為自然源氣溶膠和人為源氣溶膠。自然源氣溶膠主要源於沙塵暴、火山爆發、海浪破碎以及森林野火等自然現象。人為源氣溶膠主要包括化石燃料燃燒產生的硫酸鹽氣溶膠、黑碳和煙塵。自工業革命以來，人為源氣溶膠在大氣中的含量持續增加，造成嚴重空氣汙染的同時也威脅著人們的身體健康。因此，氣溶膠造成的環境問題受到了公眾和科學界的廣泛關注。

（圖片來自網絡）

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然而，除了造成環境汙染，氣溶膠還可以影響到地球的氣候。氣溶膠粒子對氣候的影響主要表現在兩方面。第一種是氣溶膠粒子可以直接吸收或散射太陽短波輻射（又稱直接氣候效應）。第二種是氣溶膠粒子可以通過改變或影響雲的特性比如形狀，壽命，雲量等來間接影響太陽短波輻射和地球長波輻射（也稱間接氣候效應）。氣溶膠顆粒形狀多種多樣，粒徑大小千差萬別，形成機制和化學性質各不相同，而且由於氣溶膠的生命周期很短，對流層氣溶膠的壽命一般只有幾天到幾周，與CO₂等溫室氣體相比，氣溶膠的排放局地性很強，氣溶膠對輻射的影響相關研究還具有很大的不確定性。

散射型氣溶膠降溫作用（上），吸收型氣溶膠增溫作用（下）（圖片來自網絡）

根據IPCC的評估報告，氣溶膠的間接氣候效應可能更為重要，但是與直接效應相比，間接效應的不確定性更大。這是因為氣溶膠與雲的相互作用的機制目前還認識不全面，特別是對雲特性的理解還欠缺很多。關注大氣氣溶膠，不僅是解決大氣環境汙染問題的需要，也是理解氣候變化和地氣系統輻射變化的重要環節。

氣溶膠的直接和間接影響（圖片來源：IPCC第四次評估報告（2007年））

據2012年發布的政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告估算，大氣氣溶膠總的直接輻射強迫為-0.9（-1.9~-0.1）W/m²，這表明氣溶膠對氣候系統總體上具有冷卻效應，氣溶膠增加會導致地球獲得的輻射強迫減少。那麼，氣溶膠的存在是不是就可以抵消溫室氣體引起的全球變暖了呢？

對於人類排放氣溶膠直接作用輻射強迫的各種估算結果（圖片來源：松鼠科學會新浪博客）

大氣平流層沒有明顯的垂直運動，空氣以水平運動為主，其動力穩定性條件和水平環流可以將局地的影響放大為區域甚至全球影響，而且能延長進入平流層的氣溶膠的壽命以及影響時間。於是科研人員大膽設想，希望在大氣平流層做一些改變來減緩全球變暖的速度。

（圖片來自網絡）

美國哈佛大學和耶魯大學的研究人員計劃開展一個「平流層控制擾動實驗」，他們打算通過發射一個可操縱的氣球釋放氣溶膠的小團煙霧，然後測量這些煙霧如何分散光線和改變平流層的化學狀態。他們希望證明在平流層注入氣溶膠可將一部分太陽輻射反射回太空，從而遏制全球變暖。他們認為這一做法與大型火山爆發產生的全球降溫效應有異曲同工之處，例如1815年爆發的坦博拉火山造成了全球性的氣候異常，次年夏天出現罕見低溫，歐洲、北美洲及亞洲都受災嚴重，1816年也被稱為「無夏之年」。

實驗設想

但是隨後又有科研人員利用地球系統模式模擬了這種方法的可行性，他們利用CESM模型在南北緯15°和30°上空的平流層注入硫酸鹽氣溶膠。模擬結果顯示，這種做法的確可以降低表面溫度。但是同時也會造成海洋循環變化，進而導致海洋持續變暖，尤其是靠近格陵蘭島以南附近的海面。

模擬結果地表溫度變化

當然，在平流層注入氣溶膠從而改變地球反照率還是科研人員一個大膽的想法，但是人類活動在對流層排放的氣溶膠正在實實在在地影響著地球氣候。大氣所黃剛研究員團隊利用地球系統模型CESM模擬了工業革命以來，人為活動造成的硫酸鹽氣溶膠排放的時空分布變化，以及該變化對北半球溫度的影響。

模擬結果表明，1850-1980年歐洲、北美等發達地區汙染物排放明顯增加，發展中地區汙染物排放不顯著，北半球溫度普遍降低。1980-2007年，發達地區汙染物排放減少，發展中地區汙染物排放則持續增加。溫度變化主要表現是北半球高緯度地區的溫度上升。東亞中低緯度地區、南亞和其他地方的氣溫下降。

模擬北半球地表溫度的變化

局地溫度變化有三個影響因子。其中硫酸鹽排放源區溫度變化的主要原因是輻射強迫的影響，如1850-1980年歐洲變冷，1980-2007年歐洲變暖、東亞和南亞變冷。溫度的遠距離響應主要是由於熱量輸送，影響最大的是在西伯利亞地區，雖然這裡氣溶膠濃度變化很小，但是冷暖平流作用明顯，因此溫度響應很強。

2019年《自然》上發表的一項研究結果表示，空氣汙染導致中國太陽能產出減少。科研人員分析了來自中國119個站點的觀測輻射數據，發現在1960年至2015年間，中國地區太陽能光伏（solar photovoltaic，PV）潛力平均下降了11-15％。其中黑碳氣溶膠和硫酸鹽氣溶膠排放增加對太陽輻射的削弱作用最強。

1960~2015年氣溶膠排放、容量因子變化。（二氧化硫和黑碳排放量取自北京大學排放清單）

容量因子（CF，capacity factor）為光伏電池板的實際輸出功率和最大輸出功率之間的比值，來表徵潛在的發電能力。如圖所示，計算得到：1960年到2015年間，潛在太陽能光伏發電能力降低了13%。

總體而言，氣溶膠的氣候效應要比溫室氣體複雜得多。氣溶膠的種類複雜，其中像硫酸鹽等散射型氣溶膠可以增加行星反射率對整層大氣起到降溫作用，而像黑碳等吸收型氣溶膠可以吸收太陽輻射使得氣溶膠所在大氣增暖，到達地面的太陽輻射減少，地面降溫。氣溶膠的輻射強迫效應在不同時間，不同緯度都會發生變化，甚至同一層氣溶膠在下墊面發生變化時其輻射強迫效應也會發生很大的差異。

由於對氣溶膠的觀測時間開始比較晚，而且氣溶膠成分複雜還可以影響雲，目前科學家對氣溶膠的氣候效應認識還有很大不足。大氣氣溶膠的直接和間接氣候效應問題不解決，將直接影響到我們對過去100至200年來氣候變化原因的正確認識，也必然影響到我們對未來氣候變化的預測。氣溶膠的環境和氣候效應可能是一把雙刃劍。改善顆粒物汙染，有利於環境和人類健康，但氣溶膠減少導致其冷卻效應衰減，是否會加速全球氣候變暖的進程，也是一個需要深入探索的問題。

參考文獻：

1. Chunjiang Zhou, Peng Liu, Gang Huang, Jintai Lin, et al., 2020, The impact of secondary inorganic aerosol emissions change on surface air temperature in the Northern Hemisphere, Theoretical and Applied Climatology

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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

來源：中國科學院大氣物理研究所