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人為排放產生新的云形成粒子

導讀 人類活動正在改變大氣化學——即使是在偏遠地區——這可能會改變云形成的方式和時間。這是猶他大學科學家及其同事的一項新研究得出的結論,

人類活動正在改變大氣化學——即使是在偏遠地區——這可能會改變云形成的方式和時間。

這是猶他大學科學家及其同事的一項新研究得出的結論,該研究發現,在科羅拉多州山頂的一個實驗室中,空氣中平均每隔一天就會形成新的氣溶膠顆粒,這些顆??赡苁怯膳欧诺臍怏w形成的通過附近的發電廠,可以生長直到它們大到足以讓水凝結在周圍,形成云。

該研究利用新開發的統計方法繪制了一個重要的科學聯系,將氣溶膠增長與測量的云凝結核聯系起來——這是準確模擬氣溶膠和云在氣候變化中的作用的關鍵因素。

“風暴峰實驗室是西部山區的一個偏遠地點,”大氣科學教授 Gannet Hallar 說。“僅僅因為我們只測量那里并不意味著它不會在 Intermountain West 的所有其他偏遠地點發生。”

該研究發表在《大氣化學與物理學》上。

云是如何形成的

讓我們從云的形成過程開始。云的形成需要空氣中有一些東西,比如一點污垢或鹽,周圍開始凝結水蒸氣。這些東西,大約是蜘蛛絲直徑的十分之一,是被稱為“云凝結核”的粒子。

眾所周知,大氣中氣溶膠的增加會導致更多的云形成和更多的反射云。但尚不清楚比云凝結核小得多且由人為排放形成的新氣溶膠粒子是否可以長成云凝結核。而且還不知道如何將氣溶膠和云之間的關系納入氣候模型。正如您所想象的那樣,云在氣候中起著重要作用,反射太陽能并將水從一個地方轉移到另一個地方。因此,能夠真實地模擬這些云可以幫助提高模型預測氣候變化的準確性。

每個另一天

為了解新氣溶膠粒子的形成與云凝結核之間的關系,應屆畢業生 Noah Hirshorn、Hallar 及其同事深入研究了風暴峰實驗室 15 年的氣溶膠測量記錄,該實驗室由 Hallar 領導,位于猶他州大學,位于位于科羅拉多州的 Steamboat 滑雪勝地,海拔超過 10,500 英尺(3210 米)。

“考慮到 Storm Peak 實驗室偏遠的山頂位置,”作者寫道,“潔凈的大氣條件在實驗室很常見。”

然而,在實驗室的上風處,有幾家排放二氧化硫的發電廠,這種氣體會在大氣中轉變為硫酸,硫酸會形成顆粒并導致新的顆粒形成事件。

近 20 年來,人們通過查看顯示氣溶膠顆粒隨時間測量的三維圖表來測量新顆粒的形成。新粒子爆發的某些模式,以及這些粒子的持續增長,構成了指定新粒子形成事件的標準。

但是 Hirshorn、Hallar 和其他研究人員,包括 U 畢業生 Lauren Zuromski 和 Christopher Rapp,開發了一種基于統計的自動方法來對新粒子形成事件進行分類。新方法提高了事件檢測的準確性和效率,與人工檢測方法吻合較好。

使用這種方法,研究人員發現在 2006 年到 2021 年期間,風暴峰有 50% 的日子發生了新的粒子形成事件。但是將新粒子形成的速率與大到足以充當云凝結核的粒子數量進行比較,作者發現新的粒子形成事件使云凝結核的數量在冬季增加了 1.36 倍,在春季增加了 1.54 倍。

這是什么意思呢?

“每隔一天,我們就會看到氣體凝結成納米粒子,納米粒子變得足夠大,可以吸收水并變成云滴,”Hallar 說。

“這提供了從新粒子形成事件到云凝結核的清晰聯系,”Hirshorn 說。“最大的直接好處可能是氣候建模者能夠將一個與另一個聯系起來。它填補了很多空白。”

該研究的重點是 Storm Peak 實驗室,其中包含由逆風發電廠產生的特殊大氣化學物質。但研究人員說,即使在世界各地的偏遠地區,類似的新粒子形成率也是有道理的。Hirshorn 說他們正在努力將他們的統計方法應用于歐洲和南美的山頂天文臺。Hallar 最近從美國能源部獲得了 720,000 美元的贈款,用于將該方法應用于美國能源部大氣輻射測量設施的數據。

對于 U 所在的猶他州瓦薩奇前線的居民來說,新粒子的形成是一個離家很近的過程。在冬季,逆溫事件會將汽車、企業和建筑物的排放物困在溫暖的空氣蓋下,從而改變大氣化學并降低空氣質量。

“在強逆溫事件期間測得的氣溶膠中,約有 70% 是硝酸銨,”Hallar 說,他指的是猶他州空氣質量部和楊百翰大學 2014 年進行的一項研究。“這是通過同樣的新粒子形成過程形成的。” 猶他州的研究生 Gerardo Carrillo-Cardenas 已經開始應用統計方法來更好地了解猶他州的氣溶膠、氣溶膠的形成方式以及它們如何影響空氣質量。

未來幾年,Storm Peak 的位置將使其成為研究全球溫室氣體減排如何影響新粒子形成的理想場所,因為目前在實驗室上風向排放二氧化硫的發電廠可能會在 10 到 15 年內退役。

“大約 20 年后,我們可能會找到答案,”Hirshorn 說。“我的假設是你會看到新粒子形成事件的頻率降低。它不會完全切斷新粒子的形成,但頻率會下降。”

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