踏雪尋「碳」：雪冰中黑碳的氣候效應

2020-11-14 中科院之聲

大氣中的黑碳主要由化石燃料以及生物質燃料不完全燃燒產生，具有獨特的物理化學性質，如可強烈吸收可見光、耐高溫、不溶於水以及大部分有機溶劑等。現今，全球每年的黑碳排放量約為7500 Gt。其中，絕大部分源於人類的生產生活排放，包括交通工具排放以及工業用煤等；其次來源於生物質燃燒，如秸稈焚燒/森林大火等。作為全球人類活動密集區，東亞與南亞的黑碳排放量可達每年2000 Gt。

進入大氣中的黑碳，可顯著改變能見度，對霧霾的形成與發展具有重要作用，是一種重要的汙染物。同時，黑碳能夠顯著吸收太陽輻射，導致近地表增溫，是僅次於二氧化碳的氣候輻射強迫因子。大氣中的黑碳經由傳輸以及沉降等過程，可到達並沉積於偏遠地區的雪冰表面。相對於潔淨的雪表，較暗的黑碳可吸收更多的太陽輻射，導致雪表反照率降低。由於黑碳顯著的氣候反饋效應，黑碳對雪冰反照率以及雪冰消融的影響程度如何呢？

針對上述科學問題，中國科學院西北生態環境資源研究院康世昌研究員團隊近十年來致力於該研究，以期揭開雪冰中黑碳的神秘面紗。從海拔最高的第三極到偏遠的南北極，研究團隊攻堅克難、孜孜以求，通過系統採樣與監測，建立了覆蓋三極的大氣汙染物監測與冰凍圈變化研究網絡（APCC）（圖1），並取得顯著研究進展。

圖1 大氣汙染物與冰凍圈變化監測網絡

凌空千盡飄，冰雪夕望曛：全球雪冰中黑碳濃度空間分布特徵

從全球範圍來看，雪冰中黑碳濃度存在顯著差異（圖2）。整體上，南北極較低，而中緯度地區偏高。但是，不同的黑碳測試方法對結果的影響也會比較大。雪冰中黑碳測試方法目前主要有熱光法/以及單顆粒煙塵光度計。前者是基於雪冰融化後，過濾到石英濾膜上，通過測試濾膜上黑碳的光學與熱學性質進行的；後者則通過直接測試融雪樣品中的單個黑碳顆進行計算的。這兩種測試方法本身就會導致黑碳濃度存在數量級上的差異。但對於同一種測試方法而言，中低緯度地區（例如青藏高原、阿爾卑斯等）雪冰中黑碳濃度較南北極顯著偏高1-2個數量級，這可能主要與冰川距離黑碳排放源區遠近、大氣傳輸以及後沉積過程等有關。而對於同一條冰川不同雪冰類型而言，老雪和粒狀冰中黑碳的濃度顯著高於新降雪的濃度。

圖2 不同區域雪冰中黑碳濃度以及工業革命以來冰芯記錄的黑碳歷史變化

以青藏高原中部小冬克瑪底冰川面上雪冰黑碳濃度分布為例（圖3），可以看到在冰川下部消融區（海拔較低），由於冰川消融導致雪表黑碳富集，黑碳濃度與海拔高度成反比，即海拔越高，由於雪冰消融較弱，雪冰中黑碳濃度越低。黑碳在不同類型雪冰中含量的差異，特別是冰川消融區老雪中含量普遍高於雪坑/冰芯含量，更新了我們對於同一條冰川不同區域表層雪中黑碳濃度的認識，為評估黑碳對雪冰反照率以及消融的影響提供了新數據。

圖3 青藏高原不同冰川雪冰黑碳含量（a）以及典型冰川表雪中黑碳含量的空間分布（b）

將今以論古，博觀而約取：工業革命以來冰芯黑碳的歷史記錄

黑碳具有很強的穩定性，沉降到冰川後會逐年累積。利用冰鑽在冰川季肋區自上而下連續逐段取出的圓柱狀冰雪樣品，稱之為冰芯（圖4）。冰芯記錄作為氣候環境信息的載體，具有信息量大、保真性強、解析度高、時間尺度長等特點，可用於反演氣溫、降水、人類活動、氣候環境變化的歷史等。自工業革命以來，大量的人類活動對地球環境的影響日益明顯。由於受到人類活動排放的大量黑碳氣溶膠的影響，全球範圍內，冰芯記錄的黑碳濃度總體升高，但不同地區的變化趨勢存在差異（圖2）。例如，北極和歐洲區域20世紀初黑碳濃度快速升高，但青藏高原在20世紀中後期快速升高；而南半球冰芯黑碳歷史記錄與北半球不同，主要體現出南半球黑碳排放的影響。這種歷史變化的差異主要受到黑碳的來源和傳輸過程的影響，同時也揭示出冰芯黑碳記錄是自然源排放和人類活動排放雙重影響的體現，為我們認識歷史時期黑碳氣溶膠的變化提供了全球視角的參考。

圖4 珠峰東絨布冰川冰芯鑽取

雪原度遙岑，厚積而薄發：黑碳加速雪冰消融

源自化石燃料以及生物質燃燒排放的黑碳經由大氣傳輸，通過乾濕沉降過程沉積於冰川、積雪表面，使得雪表變暗，雪冰表面反照率降低，雪表吸收更多的太陽輻射，促進雪冰消融（圖5）。基於現有相關的模式模擬研究結果，發現雪冰中黑碳導致的輻射強迫在全球尺度上約為+0.04 Wm-2，中緯度地區（如青藏高原地區）雪冰黑碳導致的輻射強迫要顯著高於南、北極地區。雖然，北極地區雪冰中黑碳的輻射強迫值較小（通常不足1 W m-2），但是對冰凍圈的影響不容忽視（圖6）。例如，黑碳的正反饋作用可導致7~9月北極海冰（北緯66.5-90º）的範圍減少1~3%；雪冰中黑碳導致的北極積雪減少約佔20世紀減少量的20%。對格陵蘭冰蓋而言，黑碳可導致消融量增加約6.8%。在歐洲阿爾卑斯地區，黑碳導致冰川消融增加15~19%。青藏高原雪冰中黑碳可導致冰川消融增加約20%，積雪持續期減少約3.1-4.4天。北美地區雪冰中黑碳作用使得積雪消融提前31~51天。由此可見，雪冰中黑碳可顯著加速冰凍圈的消融，並由此在一定程度上改變著區域尺度的水循環以及水資源的時空分布。

圖5 碳質氣溶膠來源、沉降、及其潛在影響示意圖

圖6 雪冰中黑碳對冰凍圈消融的影響

在青藏高原及周邊地區，基於雪坑樣品中黑碳的∆14C和δ13C研究指出現，雪坑中黑碳的同位素組成在區域上具有顯著差異，高原東北部雪冰中黑碳具有最大的化石燃料貢獻，可達66%；高原中部雪冰中黑碳則主要來源於生物質燃燒，其比例可達70%；喜馬拉雅山脈南坡雪冰中黑碳的化石燃料貢獻約為54%，與南亞地區的比率一致；顯示從高原邊緣到高原內部，生物質燃燒對黑碳的貢獻逐漸增大。這也揭示出，雪冰中黑碳主要來源於人類活動的大量排放。對於雪冰黑碳的研究，為不同地區黑碳減排措施提供了重要的科學依據。

參考文獻：

1. Kang SC, Zhang Yulan*, Qian Y, Wang H, 2020. A review of black carbon in snow and ice and its impact on the cryosphere. Earth Science Reviews, 210, 103346. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2020.103346

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3. Zhang Yulan *, Tanguang Gao, Shichang Kang, Michael Sprenger, Shu Tao, Wentao Du, Junhua Yang, Feiteng Wang, Wenjun Meng, 2020. Effects of black carbon and mineral dust on glacial melting on the Muz Taw glacier, Central Asia. Science of the Total Environment, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140056

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來源：中國科學院西北生態環境資源研究院

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