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人为排放产生新的云形成粒子

导读 人类活动正在改变大气化学——即使是在偏远地区——这可能会改变云形成的方式和时间。这是犹他大学科学家及其同事的一项新研究得出的结论,...

人类活动正在改变大气化学——即使是在偏远地区——这可能会改变云形成的方式和时间。

这是犹他大学科学家及其同事的一项新研究得出的结论,该研究发现,在科罗拉多州山顶的一个实验室中,空气中平均每隔一天就会形成新的气溶胶颗粒,这些颗粒可能是由排放的气体形成的通过附近的发电厂,可以生长直到它们大到足以让水凝结在周围,形成云。

该研究利用新开发的统计方法绘制了一个重要的科学联系,将气溶胶增长与测量的云凝结核联系起来——这是准确模拟气溶胶和云在气候变化中的作用的关键因素。

“风暴峰实验室是西部山区的一个偏远地点,”大气科学教授 Gannet Hallar 说。“仅仅因为我们只测量那里并不意味着它不会在 Intermountain West 的所有其他偏远地点发生。”

该研究发表在《大气化学与物理学》上。

云是如何形成的

让我们从云的形成过程开始。云的形成需要空气中有一些东西,比如一点污垢或盐,周围开始凝结水蒸气。这些东西,大约是蜘蛛丝直径的十分之一,是被称为“云凝结核”的粒子。

众所周知,大气中气溶胶的增加会导致更多的云形成和更多的反射云。但尚不清楚比云凝结核小得多且由人为排放形成的新气溶胶粒子是否可以长成云凝结核。而且还不知道如何将气溶胶和云之间的关系纳入气候模型。正如您所想象的那样,云在气候中起着重要作用,反射太阳能并将水从一个地方转移到另一个地方。因此,能够真实地模拟这些云可以帮助提高模型预测气候变化的准确性。

每个另一天

为了解新气溶胶粒子的形成与云凝结核之间的关系,应届毕业生 Noah Hirshorn、Hallar 及其同事深入研究了风暴峰实验室 15 年的气溶胶测量记录,该实验室由 Hallar 领导,位于犹他州大学,位于位于科罗拉多州的 Steamboat 滑雪胜地,海拔超过 10,500 英尺(3210 米)。

“考虑到 Storm Peak 实验室偏远的山顶位置,”作者写道,“洁净的大气条件在实验室很常见。”

然而,在实验室的上风处,有几家排放二氧化硫的发电厂,这种气体会在大气中转变为硫酸,硫酸会形成颗粒并导致新的颗粒形成事件。

近 20 年来,人们通过查看显示气溶胶颗粒随时间测量的三维图表来测量新颗粒的形成。新粒子爆发的某些模式,以及这些粒子的持续增长,构成了指定新粒子形成事件的标准。

但是 Hirshorn、Hallar 和其他研究人员,包括 U 毕业生 Lauren Zuromski 和 Christopher Rapp,开发了一种基于统计的自动方法来对新粒子形成事件进行分类。新方法提高了事件检测的准确性和效率,与人工检测方法吻合较好。

使用这种方法,研究人员发现在 2006 年到 2021 年期间,风暴峰有 50% 的日子发生了新的粒子形成事件。但是将新粒子形成的速率与大到足以充当云凝结核的粒子数量进行比较,作者发现新的粒子形成事件使云凝结核的数量在冬季增加了 1.36 倍,在春季增加了 1.54 倍。

这是什么意思呢?

“每隔一天,我们就会看到气体凝结成纳米粒子,纳米粒子变得足够大,可以吸收水并变成云滴,”Hallar 说。

“这提供了从新粒子形成事件到云凝结核的清晰联系,”Hirshorn 说。“最大的直接好处可能是气候建模者能够将一个与另一个联系起来。它填补了很多空白。”

该研究的重点是 Storm Peak 实验室,其中包含由逆风发电厂产生的特殊大气化学物质。但研究人员说,即使在世界各地的偏远地区,类似的新粒子形成率也是有道理的。Hirshorn 说他们正在努力将他们的统计方法应用于欧洲和南美的山顶天文台。Hallar 最近从美国能源部获得了 720,000 美元的赠款,用于将该方法应用于美国能源部大气辐射测量设施的数据。

对于 U 所在的犹他州瓦萨奇前线的居民来说,新粒子的形成是一个离家很近的过程。在冬季,逆温事件会将汽车、企业和建筑物的排放物困在温暖的空气盖下,从而改变大气化学并降低空气质量。

“在强逆温事件期间测得的气溶胶中,约有 70% 是硝酸铵,”Hallar 说,他指的是犹他州空气质量部和杨百翰大学 2014 年进行的一项研究。“这是通过同样的新粒子形成过程形成的。” 犹他州的研究生 Gerardo Carrillo-Cardenas 已经开始应用统计方法来更好地了解犹他州的气溶胶、气溶胶的形成方式以及它们如何影响空气质量。

未来几年,Storm Peak 的位置将使其成为研究全球温室气体减排如何影响新粒子形成的理想场所,因为目前在实验室上风向排放二氧化硫的发电厂可能会在 10 到 15 年内退役。

“大约 20 年后,我们可能会找到答案,”Hirshorn 说。“我的假设是你会看到新粒子形成事件的频率降低。它不会完全切断新粒子的形成,但频率会下降。”

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