关于沙尘远距离输送对环境的影响的两部分系列文章的第一部分。第二部分：恶劣风。可访问恶风。
1998 年 4 月 15 日，蒙古戈壁沙漠位于该国东部低气压区和西部高气压区之间。强风吹过沙漠地面，将沙尘卷入风暴中心，风暴向南直冲中国。接下来的两天里，一场黄色、泥泞的酸雨大范围降落，覆盖了北京和朝鲜半岛。
4 月 19 日，另一个低压系统横扫同一地区，将更多的颗粒物吹向天空，这次是向东吹。在这种情况下，没有雨水来冲洗空气。厚厚的尘埃云横扫太平洋，6 天后到达北美。它使从不列颠哥伦比亚省到加利福尼亚州的天空变得白皙，沿海地区的尘埃比该地区十年来任何一场风暴带来的尘埃都要多。云中的颗粒物经过明尼苏达州，可能继续到达格陵兰冰盖，未来的气候学家可能会在冰芯中发现这一事件，即一条沙砾。
一些科学家表示，尘埃是影响地球气候的最关键因素之一。在某些情况下，尘埃颗粒是凝结雨滴的核心，但在其他情况下，这些颗粒会抑制降水。尘埃通过阻挡阳光到达地面来冷却地球，但会吸收部分阳光，从而直接使大气变暖。尽管尘埃对地球的冷却作用似乎在今天占主导地位，但具有讽刺意味的是，大量的尘埃可能引发了冰河时代的结束。
因此，尘埃科学的兴起也就不足为奇了。一些科学家钻取格陵兰岛和南极洲的冰芯，寻找有关古代气候的尘埃线索，而其他分析人员则通过驾驶飞机冲入风暴、从风中筛选粉状颗粒以及通过卫星观察云层来收集尘埃样本。研究人员才刚刚开始收集足够的数据，以绘制出大气中尘埃的类型和数量如何随纬度、经度、海拔和一年中的时间而变化。他们打算揭示尘埃对地球气候系统深刻、复杂和深远的影响。
灰尘很多
大气中并不缺少尘埃。其中随处可见的微小颗粒包括烟尘、盐、细菌、真菌孢子和星际尘埃。地球物理学家专注于破译由氧化物和磷酸盐等矿物质组成的尘埃颗粒对气候的影响，这些颗粒的直径小于 62 微米。
当风、水和剧烈的温度变化共同作用，将大块岩石侵蚀成小块岩石时，矿物尘埃的一条主要供应线就开始了。每当松散的岩石碎片相互碰撞或刮擦时，较小的岩石块就会脱落并加入磨损。最终，只剩下微米大小的矿物碎片——地球的头皮屑。
冰川也是主要的尘埃制造者。当它们沿着多石的地形前进时，会产生大量的岩粉。过于干燥的土壤也是矿物尘埃的另一个主要来源。
风速不超过每秒 5 米的风可以将灰尘吹到相当高的高度。风经常将灰尘、沙子、淤泥和其他矿物碎屑吹成一种厚厚的、松散的沉积物，称为黄土，其名称来自德语单词“松散”。这些成分可能会被冲刷或吹入河流、湖泊和海洋，最终从水中沉淀成泥浆和软泥，然后变干。
迈阿密大学大气科学家约瑟夫·普洛斯佩罗说，如果黄土或这些沉积物不能压实成岩石，它们就会成为大气中尘埃的主要来源。
借助卫星图像，科学家可以追溯尘埃羽流的起源。他们发现，许多尘埃泉有一个共同的特征：它们都是最近冰河时期被洪水淹没的干旱盆地。换句话说，今天的尘埃就是昨天的泥浆。
如今，沙尘最密集的滋生地之一是博德勒洼地，这是一片低洼地区，曾是乍得湖的一部分。虽然这片位于撒哈拉沙漠南部边缘的湖泊在 20 世纪 60 年代中期的面积与伊利湖相当，但最近由于降雨不足和灌溉用水需求增加，乍得湖的面积已缩减至伊利湖面积的 5%。
普洛斯彼罗说：“北非到处都飘扬着沙尘，一年到头，几乎每天都是如此。”
根据季节的不同，吹过撒哈拉沙漠和博德勒洼地的风会将沙尘带到欧洲、中东、北大西洋、加勒比海和南美洲。例如，同位素分析表明，加勒比海肥沃的红土中的大部分铁来自非洲的沙尘。普洛斯彼罗指出，这些铁和加勒比海土壤中的许多其他矿物质不可能从形成岛屿的石灰岩中侵蚀而来。
同样，亚马逊河流域土壤中的大部分磷都来自非洲。
北非的风暴每年可卷起多达 700 太克（700 万亿克，约合 7.7 亿吨）的矿物尘埃。这占到了全球总量的很大一部分。每年约有 2,150 太克的尘埃随风飘散。
密歇根大学安阿伯分校大气科学家乔伊斯·E·佩纳 (Joyce E. Penner) 表示，其中约一半来自自然来源，其余则来自农业和其他人类活动。她和她的同事在 8 月 1 日的《科学》杂志上报告了他们的分析结果。环境科学与技术。
多重效果
所有这些悬浮的尘埃究竟对大气和气候有何影响，这仍是一个极其复杂的问题。海洋表面的降温程度与陆地不同。尘埃颗粒的颜色、大小、形状和化学成分也对其行为产生很大影响。
例如，矿物尘埃有多种颜色。颜色较深的颗粒吸收大量辐射，散射相对较少，因此它们往往会显著加热空气。颜色较亮的颗粒将大部分入射的太阳辐射反射回太空，因此具有净冷却效应。
尽管尘埃种类繁多，但普洛斯佩罗和他的同事们正在量化其对大气的影响。他们利用地面仪器观察到撒哈拉沙尘云经过加那利群岛。他们利用卫星分析了这些云在北大西洋上空的移动情况。根据这些信息，研究人员估计，在全球范围内，沙尘会略微降低地球的温度。该团队在 8 月 27 日的《科学》杂志上报告了这项研究。地球物理研究杂志（大气）。
分析人员发现，在陆地上，冷却效果约为每平方米 0.57 瓦太阳辐射。研究人员表示，海洋上空尘埃的净效应是将大约两倍的辐射散射回太空。这是因为海洋反射回太空的太阳辐射通常比陆地少，普罗斯佩罗解释说。
他计算出，全球范围内的降温效应与工业革命以来温室气体排放到大气中造成的变暖效应大致相同。
马里兰州银泉市美国国家海洋和大气管理局全球项目办公室的乔尔·利维说，计算尘埃等气溶胶对地球气候的影响比估算温室气体的影响要困难得多。温室气体一般可以在大气中停留足够长的时间，从而扩散并均匀分布，而尘埃只能在大气中停留几天或几周。
利维指出：“长期气候模型很难解释沙尘暴，因为这是一种‘一会儿看，一会儿看不见’的现象。”因此，任何冷却或变暖效应都很难模拟，但科学家们正在稳步取得进展。
利维说，最初对沙尘对气候影响的估计只是猜测。现在，普洛斯佩罗的团队已经计算出全球沙尘的冷却能力，但这一结果仅基于撒哈拉沙漠的沙尘。利维说，下一步是收集来自地球其他地方的沙尘光学特性信息。
这种大规模数据收集工作正在开始。研究项目已经变得如此庞大，以至于它们就像军事演习一样。今年夏天，一项国际行动观察和收集亚洲流入北太平洋的沙尘，包括两架飞机、一艘船、几颗卫星和韩国的一个地面站。即便如此，莱维指出，“我们还没有一套足够的测量仪器和技术。”
例如，机载采样设备可以有效地从大气中采集灰尘，但对大于 2 微米的颗粒则效果不佳。获取具有代表性的灰尘样本非常重要，因为只有这样，科学家才能准确估计灰尘云的光散射特性。
此外，这些特性会随着时间的推移而改变。当尘埃粒子在空气中飘荡时，凝结在它们上面的水会影响它们的形状和反射的光量。如果水结冰，这些变化可能会更加剧烈。莱维指出，灰尘中的矿物质还会与人类活动排放的化学物质发生反应或结合，包括工业或汽车排放。
他补充说，与尘埃对降水模式的间接影响相比，尘埃对大气的直接影响可能微不足道。暗粒子往往会使大气变暖，并将云变成水蒸气，从而使更多的阳光照射到地球上（SN：1/6/01，第 15 页）。
在对三大洲城市进行研究时，云物理学家 Daniel Rosenfeld 和他的同事发现，受到工业排放污染的云倾向于保留水分，而不是将其释放为雨水（SN：3/11/00，第 164 页：https://sciencenews.org/20000311/fob1.asp）。这是因为云中的水分分布在更多粒子中，这使得水滴更难长到足以落到地球上。受污染云中水滴较小的副作用是，它比由较少、较大水滴组成的云更有效地将太阳辐射散射回太空。因此，它对地球表面的冷却效果更大。
现在，罗森菲尔德和其他研究人员在撒哈拉沙尘污染的云层中发现了同样的现象。此外，该团队认为，这种抑制降雨的效果可能会自我强化。降雨减少意味着土壤更干燥，从而导致更多的沙尘，这意味着降水量更少。罗森菲尔德和他的团队在 5 月 22 日的《科学》杂志上发表了他们的分析结果美国国家科学院院刊。
灰尘和冰
无论人类活动扬起的尘埃有何影响，尘埃可能在最近几个冰河时代的末期扮演了重要角色。加拿大新斯科舍省哈利法克斯市达尔豪西大学的大气科学家 Petr Chylek 表示，在冰河时期，大气中的尘埃似乎比中期暖期多 10 到 100 倍。
在过去 42 万年中，南极冰芯记录了六个尘埃时期，其中四个发生在当时公认的四个冰期结束之前。Chylek 和他的同事在 8 月 27 日的论文中提出地球物理研究杂志（大气）热带地区大气循环方式的微小但重要的变化可能解释了冰河时期尘土飞扬的现象。
赤道附近的高温使地球表面附近的空气上升到高海拔，然后流向更高纬度地区，在流动过程中冷却。当这些空气到达热带边缘（北纬 30 度和南纬 30 度）时，它会回落到低海拔地区，然后流向赤道。
这种所谓的哈德利环流确保了热带地区大气中的大部分尘埃不会传播到世界其他地方。奇莱克解释说，高纬度地区的空气尘埃更有可能到达极地地区并被保存在那里的冰盖中。
他和同事认为，冰期赤道的平均气温低于间冰期暖期。这为哈德利环流提供了较弱的驱动力，而奇莱克的计算表明，温暖的高海拔热带空气在落回地球之前可能只到达了纬度 27 度。
利用干旱地区的当前规模和位置，进一步的分析表明，只要将 3 号边界向赤道方向移动，就可以使许多主要尘埃源的更大区域向极地而不是热带地区喷出尘埃。
Chylek 认为，这解释了为什么大部分灰尘被困在极地冰层中。但他指出，冰河时期气候干燥也可能导致沙漠扩张，而海平面下降会使大片泥浆和软泥暴露出来，这些泥浆和软泥可能会干涸并被吹走。
纽约帕利塞兹哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站的气候学家华莱士·S·布罗克不同意奇莱克的观点。他认为，冰河时期大量沙尘涌入格陵兰岛的可能性更大，这是强风暴造成的。
由于冰河时期海冰边缘比现在向南延伸得更远，甚至包围了格陵兰岛，当时冰盖上的温度比现在低 23 摄氏度。这反过来又加剧了北部地区和热带地区的温度梯度，从而加强了风暴系统，可以将干旱地区的灰尘卷走。布罗克的分析发表在 2000 年 8 月的《地球科学评论。
布罗克指出，在冰期和间冰期之间似乎有所变化的所有气候因素中，极地冰盖中尘埃的数量变化最大。之前的分析估计，冰期的尘埃数量是冰期的 10 到 50 倍。
布罗克还指出，在冰期高峰期大量产生的黄土在间冰期并没有产生。
一些科学家认为，落在冰川上的尘埃使冰川颜色变深，导致冰川吸收更多的太阳辐射，从而使冰川升温并加速其消亡。这可以解释为什么在最近的每个冰河期结束前都会出现一段强烈的沙尘雨期。
无论尘埃是否导致了冰河时代的结束，科学家都认为尘埃在控制当今全球气候方面发挥了重要作用。布勒克说：“我们才刚刚开始了解尘埃的影响。”
悬而未决：世贸中心的灰尘
虽然现在还无法确定纽约世贸中心火灾和倒塌产生的灰尘对空气的长期影响，但科学家表示，灰尘不太可能影响全球气候。“显然，灰尘和烟雾量非常大。但我怀疑大部分灰尘都是相当大的颗粒，它们会迅速沉降下来，”迈阿密大学（佛罗里达州）的约瑟夫·M·普罗斯佩罗说。“这些灰尘没有到达高空，所以可能不会持续超过几周。”他指出，第一场降雨应该会净化空气。
尽管纽约的沙尘喷发量巨大、速度惊人，但与通常的大规模颗粒物来源（如风吹沙漠、大型火山和覆盖大片地区的工业区）相比，它还是小巫见大巫。“它就像一座非常小的火山，”普罗斯佩罗说。他指出，在最初几分钟后，大火燃烧殆尽，产生的是白烟而不是黑烟，因此预计其危害性将小于 1991 年科威特石油火灾。
更全面的评估将来自全国范围内监测颗粒物的网络所收集的数据。普洛斯彼罗建议美国国家海洋和大气管理局的科学家将恐怖分子袭击世贸中心的数据作为案例研究，放入他们目前的空气颗粒物扩散模型中。美国环境保护署一直在坠机现场及其附近采样灰尘，预测不会对公众健康构成威胁（请参阅本期“纽约大火的烟雾在哪里？”）。
–果酱
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