寻找云的“配方”

作者： 记者 华凌

2014年05月20日  来源： 科技日报  

    在气候变化的驱动因子中，云和气溶胶对气候变化的影响程度是不确定性最大的部分。而云在地球气候形成过程中起着关键的作用，那么，在目前的气候模型研究中，寻找云的“配方”显得尤为重要。

    揭示云形成的第一步

    根据政府间气候变化专门委员会的最新报告，围绕云的很多不确定性因素源于其形成的复杂性。欧洲核子研究中心和卡内基·梅隆大学的研究人员揭示了云形成的第一步，即新的粒子形成。该研究结果密切配合大气中的观察，将有助于使气候预测模型更加准确。相关研究结果发表在最新一期《科学》杂志上。

    大气中的水汽可凝结成微小的颗粒形成小云滴，这些颗粒直接来源于天然或人类活动的排放，或者形成于最初的前体物排放的气态污染物。气体分子转化成群集，然后变成颗粒，称为“成核作用”过程。

    据每日科学网、物理学家组织网近日报道，在欧洲核子研究中心，这个研究云形成的项目采用一个独特的设备，腔体内部基本上是无污染、不锈钢的，以允许研究人员重现典型的大气环境，通过在“云室”精确控制环境进行实验。研究人员可以改变涉及成核作用的化学物质浓度，然后极其精确地测量出新颗粒的形成速度。

    一个不可或缺的成分

    然而，研究人员对相关的成核机制尚不清楚。虽然他们已经观察到成核过程几乎总是涉及到硫酸，但硫酸的浓度不足以解释大气中新粒子的形成速度。这项新研究揭示了在长期寻求云形成“配方”的一个不可或缺的成分——强氧化有机化合物。

    参与这项研究的科学家来自欧洲核子研究中心（CERN）和卡内基·梅隆大学。该大学从事环境教育研究的斯泰因布里纳学院主任尼尔·多纳休教授说：“随着新粒子的初步形成和生长，我们详细测量出其中的氧化有机物。而就在一年前，这个化学反应发生时我们还不清楚是怎么回事，那是因为并没有真正理解这是有氧化学的一个完整分支。这真是一个激动人心的时刻。”

    他说，我们呼吸的空气充满了有机化合物、微小液体或固体颗粒，其来自数以百计的源头，包括树木、火山、轿车、卡车和森林火灾。一旦进入大气，这些所谓的有机物开始改变。

    森林排放起基础作用

    多纳休及其同事曾在2012年发表在《美国国家科学院院刊》上的研究成果显示，由松树释放的α-蒎烯有机分子，能在强氧化性的大气环境中被多次改变。此外，多纳休实验室的其他研究表明，无论是新粒子形成还是其随后的成长，这种氧化有机物都有可能参与成核作用。于是，他们与在欧洲核子研究中心进行云实验研究的一个国际研究小组开始着手检验这一假设。

    在目前的工作中，该研究团队采用二氧化硫和α-蒎烯的氧化产物填满“云室”，生成在地球大气中占主导地位的氧化剂即羟基自由基，然后，观看这种氧化化学的变化。他们使用具有高分辨率的质谱仪能够观察到分子在不断成长，从单一的气体分子成长为多达10个分子粘在一起的集群粒子。

    多纳休说：“事实证明，硫酸和这些氧化有机化合物异乎寻常的相互吸引。这可能就是在现代污染的环境下，为什么有机物真正被硫酸吸引的重要部分。”

    在大气条件下，确认氧化有机物参与颗粒的形成和生长之后，研究人员用其发现对颗粒形成的原有研究模型进行了调整。调整后的新模型不仅能更为准确地预测成核速率，还在过去一年的现场实验中，在森林附近的测量中观察到成核作用的增加和减少。通过模拟实验，他们确认了森林中的排放在云形成的第一个阶段起到最基本的作用。