互动科普

尘埃可能是又一个指标，表明复杂的地球系统正在失去平衡，使预测变得不可能，前景越来越捉摸不定。

撰文 杰弗里·巴托勒特（Jeffrey Bartholet） 翻译 冉隆华

这就是我们看到的场景。几千年来，这里许多湖床都干涸了，然而，劲风横扫古老湖床，卷起亿万微粒，漫天飞扬，搅动白云。尘埃由此开始了一次或者一系列神秘旅程，科学家试图更好地了解其中的奥秘。

仅仅几十年前，研究人员都不怎么关注尘埃。和普通人一样，研究人员只有在打扫清洁时，才会偶尔注意到飘起的积尘——诸如死虫子、植物纤维和餐厨碎屑的“大杂烩”。研究地球大气的科学家对人为颗粒物质——污染物更感兴趣。很少人去操心了解这样的事情：在任何给定的时间里，数以百万吨计的土壤尘埃或矿物尘埃在全球循环，影响气候，肥育海洋，为亚马孙雨林等许多地方提供不可或缺的养分。

美国迈阿密大学海洋和大气化学荣誉教授约瑟夫·M·普罗斯珀罗（Joseph M. Prospero）是这个领域的先驱，被誉为美国尘埃研究的鼻祖。不过，他也回顾说，20世纪60年代到70年代初，他发表了许多论文，表明大量非洲尘埃跨越大西洋到达美洲，当时一些同事仍然不相信这是具有重大科学意义的课题。“过去，人们觉得尘埃课题很搞笑”。

他的团队孤军奋战，蹲守在巴巴多斯和其他偏僻地点的尘埃监测站，分析测定空气过滤器捕捉到的尘埃。还好，人们最终还是对尘埃产生了兴趣，部分原因是卫星照片更直观、更清晰地展现了普罗斯珀罗和少数其他人所描述的内容：宽达数百千米的尘埃云，就像巨大风暴引起的浪花，从非洲大陆滚滚而来，降落到大西洋的另一端。与此同时，人们对气候变化也产生了兴趣，开始清楚认识到，尘埃对调节地球温度有关键作用。

普罗斯珀罗说：“现在有关尘埃的科学论文数不胜数，不可能全部阅读。”例如，从20世纪70年代初到2001年，有关撒哈拉沙漠尘埃的出版物数量每四年翻一番。美国得克萨斯大学埃尔帕索分校的地质学助理教授、一个尘埃数据库的维护者之一托马斯·E·吉尔（Thomas E.Gill）说，要跟上尘埃研究的步伐已经有点困难了。“也许你认为，只有少数人在研究尘埃，但我每周都能看到50～100份有关尘埃的出版物以某种形式出现”。

这些研究成果都告诉了我们什么呢？实际上，尘埃的故事能帮我们弄清楚，对地球生态系统一个区域的影响如何改变其他区域。弄清楚我们居住的星球将会怎样，一直是科学家面临的艰巨挑战。美国弗吉尼亚大学环境科学教授罗伯特·J·斯瓦普（Robert J.Swap）说：“科学工具在给我们一个答案的同时，又会抛出三个问题。”1992年，斯瓦普与人合写了一篇有关亚马孙雨林非洲尘埃的开创性论文，他说对尘埃的研究会得出一个结论：“我们必须尊重自然的复杂性。”

尘埃升空

理解这种复杂性的一种方法是，跟着一撮假想的、来自撒哈拉沙漠的尘埃跨越大西洋。在跟随途中，或者尘埃到达了下一个目的地（它们没有固定目的地），我们就可以研究这些尘埃如何与周围环境发生相互作用。

我们的工作始于博德尔，因为人们普遍认为，这里是地球上尘埃最多的地方。更广袤的撒哈拉沙漠和附近的萨赫勒地区也是我们的考虑范围：每年夏季，非洲尘埃来到美国南部和东部许多地区，占佛罗里达州降尘量的75％～80％。当迈阿密下雨，当地居民清除车上的微红色残余颗粒时，他们抹去的就是远道而来的非洲尘埃。漫步于巴哈马岛屿或佛罗里达群岛，就如走在非洲土地上。

据估计，地球每年产生约20亿吨尘埃，其中一半以上来自非洲沙漠和干旱地区。从中国出发的尘埃可达夏威夷和北美西部；南美的巴塔哥尼亚地区则向南极洲输送尘埃。落在格陵兰岛上的尘埃大部分来自亚洲，但在20世纪30年代，因为干旱，美国发生了沙尘暴，也向格陵兰岛的冰川输送了一些尘埃。

非洲的很多空气浮尘借助西向信风，远行6 400千米，横跨大西洋。据估计，每年大约4 000万吨满载着生命所需的铁、磷等矿物质的尘埃，铺撒到亚马孙雨林，其中半数可能源自博德尔。

博德尔的尘埃在升空前躺在“地质储存库”里。尘埃走掉一层，新一层就暴露出来。土壤表面和气候条件不同，卷起土壤表面颗粒，以及让它们飞扬的必需风速也有所不同；一般而言，临界速度为4米/秒～12米/秒。随着颗粒开始碰撞，其他颗粒松动，最小的颗粒向上浮动。一旦悬浮在空中，尘埃就开始混合——首先是与来自博德尔的其他浮尘混合，然后与非洲其他地方的尘埃和污染物混合，最后，尘埃“部队”开始跨越大西洋。

我和普罗斯珀罗在他的办公室见了面。他从电脑里调出卫星照片，向我展示这种现象。他指着非洲和大西洋上各种颜色和来源的缕缕尘埃，摇着头说：“这简直是一团糟。现在很难说清楚这里在发生什么，所有东西只是混合在一起，而整个北非一直在输出尘埃。”

尘埃可能数千年悄无声息，但一旦悬浮在空中，就会立刻开始影响地球气候。尘埃会吸收太阳辐射，包括地球向外反射的一些辐射，从而使大气变暖。同时，尘埃把其他辐射反射回太空，又有冷却效应。吸收或反射辐射的比例，取决于尘埃化学成分、矿物特性、大小和光波波长。绝大多数尘埃具有这样的特性：反射来自太空的短波辐射，吸收来自地球表面的长波辐射。如果尘埃与煤烟混合，就将吸收更多热量。

综合作用

其他因素也会开始发挥作用。尘埃到了海洋等深色区域的上方，就能给地球降温，因为尘埃会反射部分阳光，而如果没有尘埃，这些光就会被地球表面吸收。然而，尘埃到了冰和沙地等浅色区域的上方，往往产生变暖效应，因为尘埃吸收的光通常比这类地区的地表多。如果尘埃落在雪或冰上，会产生更强的变暖效应。美国加利福尼亚大学欧文分校地球系统科学教授查理·赞德尔（Charlie Zender）说：“任何浮质、尘埃、污物都会使雪变暗。如果你早上在雪地上走，在一小块雪上放一点点污物，不去管它，下午返回的时候，那部分雪将下陷。”我采访过的几位科学家都认为，大气尘埃的总体影响可能是让地球变冷，但是，现在还不足以抵消温室气体的变暖效应。

空气中的尘埃还会间接影响气候。例如，它在云的形成中起着重要作用。空气中的水分自身并不形成水滴，它必须附着到颗粒物上，才能形成水滴。尘埃的“凝结核”作用究竟有多大，科学家看法不一。康奈尔大学教授纳塔利·马霍瓦尔德（Natalie Mahowald）构建了一些大气模型，她坚信水和冰都凝结在尘埃颗粒上。美国国家海洋与大气管理局地球物理流体动力学实验室的保罗·金诺斯（Paul Ginoux）也构建了一些气候模型，他认为尘埃是冰的凝结核，但水只能凝结在与硫酸盐（主要来自污染物）混合后的尘埃上。

至少有一点，马霍瓦尔德和金诺斯看法相同：对于云的形成，我们的认识还很不到位。当大量微小颗粒悬浮在大气中，它们有助于形成大量水滴，但这些水滴太小，不大可能产生降雨。此外，小水滴云比大水滴云明亮——这样，前者能把更多辐射反射回太空。然而，如果尘埃颗粒吸收热量，那么附着在这些颗粒上的水分也会更快蒸发掉，云层存在不了多长时间。马霍瓦尔德说：“尘埃到底是促进还是抑制降雨，还得看大气其他因素的情况，比人们想象的复杂得多。”金诺斯指出，即使最好的计算机模型，也无法完全模拟云的形成过程，“我们了解大概的物理过程，但很难弄清楚其中的细节。”

云对地球气候的重要性，怎么表述都不为过——不仅仅因为它们会形成雨和雪。任何时候，大约60％的地球表面的上空都被云覆盖。云的形成和性质发生微小变化，它们反射光和热的作用都可能产生极大的改变。据估计，“短波云强迫”（short-wave cloud forcing）增加5％所产生的降温效应，足以抵消1750年到2000年温室气体总增量的变暖效应。

世界上到处都有尘埃，那它们现在产生的影响为什么要比过去更大或更小呢？马霍瓦尔德认为，在地球许多地方，现在运动着的尘埃比近代历史上其他任何时候都多。马霍瓦尔德说：“20世纪，地球许多地区的尘埃数量似乎都翻了一番。我们还没有弄清为何会如此，但人类活动可能扮演了火上浇油的角色。”

美国内华达州雷诺沙漠研究所的约瑟夫·R·麦康奈尔（Joseph R. McConnell）一直在寻找答案。为了得到答案，他分析了嵌入格陵兰岛和南极洲冰中的尘埃。他四处采集冰芯样品，钻取深度从20米深处到3 000米深处不等，具体要多深的冰芯，取决于他想追溯的时间范围。然后，麦康奈尔把冰芯样本空运到实验室，利用两台价值40万美元的高分辨率质谱仪，测定冰芯里的元素含量。他要测定的元素包括铝和铈等稀土元素，这些稀土元素只在尘埃中发现过，而在海盐、工业污染物、火山爆发和森林火灾排放物中都没有发现过。

高分辨率质谱仪的工作原理是，把冰芯中的冰川水注入等离子体，等离子体的温度如太阳表面那样高，大约有6000K。麦康奈尔说：“这个温度几乎会蒸发掉一切，我们根据原子质量和电荷数，计算每种残存元素的电离原子数。仪器极为灵敏。某些元素的含量低至千万亿（1×1015）分之几。我们已把这种检测技术应用到最近几百年的浅层冰芯，目前也在用它检测上一个冰河期的深层冰芯。”

麦康奈尔试图测定，尘埃含量是如何随时间变化而变化的，从而找出尘埃增减的可能原因。他的研究表明，巴塔哥尼亚沙漠化和土地利用方式的变化（包括20世纪初期养羊业的扩张），似乎与那个时期南极洲尘埃量翻番的时间一致。这似乎能让人们找到一些简单的因果联系：土地过度利用导致沙漠化，从而产生更多尘埃，加剧气候变化。然而，麦康奈尔警告说：“使尘埃量发生变化的因素很多。”

气候本身就是众多触发因素之一，但它的作用还不完全清楚。气温上升，土壤水分减少，荒漠化加剧，可能对尘埃量的增加有促进作用，但这可能只是短期现象。长期来看，多尘埃时期与变冷存在相关性。例如，麦康奈尔发现了这样的证据：10世纪到13世纪，南极洲尘埃减少，在这个时期，北大西洋地区的气候逐步变暖，降水增多；而在13世纪到19世纪，南极洲尘埃增多，北大西洋地区气温渐渐变冷，降水减少。他对中央格陵兰岛的冰芯记录的研究表明，在20世纪30年代之前的3个多世纪里，尘埃量一直呈增加趋势，然后出现了难以解释的下降趋势。

尘埃育肥海洋

我们假想的那一小撮尘埃翻滚纷飞，和其他尘埃一起走出非洲。不管是在地球的哪个地方，来到这里的尘埃中，非洲尘埃都是最多和供应最持久的。它们不只是在大气中发挥至关重要的作用，还为海洋和陆地带去大量肥料。

随着尘埃向西进发，许多尘埃颗粒落入大西洋。在这里，它们发挥气候调节功能，与在大气里时不同，落进海洋的尘埃具有降温效应：它们提供铁，促进浮游植物生长。浮游植物会吸收二氧化碳，死亡后会把这些碳带到黑暗的海洋深处。碳将在那里与大气隔离数百年。

2011年《风沙研究》（Aeolian Research）上的一篇论文指出，地球上没有固定在岩石里的碳中，有85％在海洋里，海洋浮游植物“捕获了地质时期中的大多数碳”。然而，在海洋的许多区域，氮和磷含量较高，但缺乏铁，限制了浮游生物的生长量。这就是扬尘（通过风传送的尘埃）的用武之地，非洲尘埃的含铁量很高。

几年前，振奋人心的事情层出不穷：研究人员发现了铁在碳循环中的重要作用，发现了尘埃在碳循环中的间接作用，一些科学家就开始梦想着启动野心勃勃的地球工程项目。想法是这样的：在南部海洋和西北太平洋的广大区域（称为高营养低叶绿素区），浮游生物的繁殖量较少，人类只须投入大量铁，浮游生物就会疯狂生长，消耗二氧化碳，然后浮游生物死亡，沉入海底。温室气体问题就烟消云散了。

当然，没过多久，人们就看到了这种方法的潜在风险。普罗斯珀罗说：“这种做法可能产生很多意想不到的后果，”比如在近水面区域，现有微生物物种的分布急剧变化。这不一定是坏事，但影响不可预测，新生态系统的多样性和生产力往往不及原有系统。此外，如果在缺铁而其他营养元素丰富的区域大量施用铁，新浮游生物群不仅会把二氧化碳带到海洋深处，也会把磷和氮统统带去。这样，需要这些营养元素的其他海洋区域就无法得到了。

其他新知识进一步否决了“施铁方案”。马霍瓦尔德说：“我们看待海洋生物化学的方式发生了根本变化。10年前，我们认为要发生的事情和我们现在看到的情况截然不同。”其中一个重要发现就是，“在为海洋提供铁这一点上，各种尘埃起着不同的作用”。研究发现，大气中的酸（来源于生物质燃烧和其他污染物）会与尘埃结合形成酸雨，使铁更易溶解。因此，在我们燃烧燃料和废物的时候，就在为大气和海洋生产可利用的铁。马霍瓦尔德说：“因为人类活动，海洋沉积铁量可能已经翻番。同时，海洋沉积铁的数量也比人们以前认为的多得多。从大陆架上剥落进入海洋的铁也比人们以前认为的多。因此，大气中的铁没有我们过去认为的那么重要。”

洲际尘埃

尘埃要跨越大西洋，需要一个星期或更长的时间。在美国迈阿密，夏天常常看到非洲尘霾；在亚马孙，暴雨后常常在车上发现一层非洲尘埃。这是斯瓦普在20世纪80年代末就对尘埃输送课题产生兴趣的原因。当时，他还是一名研究生，他和其他人在巴西注意到，下了几天雨后，灰尘会继续集聚在他们的白色大众汽车上。斯瓦普回忆说，“我们是在距海岸线1 600千米的内陆，雨下得很大，降雨量达到每天7～13厘米。雨后我们就能在车子上看到红色尘埃。我们总是在想，‘这里到底发生了什么？’”

这与亚马孙流域的另一个长期存在的问题息息相关。该流域的古老土壤不断遭受雨水侵蚀，可能很早以前就流失了许多关键养分。那么，亚马孙流域的养分如何得到补充呢？这里的土地为何一直这么肥沃？一些人认为，土壤可能通过分解植物物质，自我补充营养。一些人认为这是不可能的，他们想弄清楚亚马孙流域的土地是从何时，又是如何变得这么肥沃的。美国地质调查局的科学家丹尼尔·马斯（Daniel Muhs）说：“一个非常合理的假设是，非洲尘埃向亚马孙流域输送了大量养分。不然，在这么炎热、潮湿，土壤淋溶性又很强的古老土地上，还有什么办法能让亚马孙流域支撑难以置信的植物和动物物种多样性？”

新的研究已经证实，其他区域也存在类似的洲际尘埃沉积。马斯在加勒比地区的几个岛屿上，收集了土壤的“地球化学指纹”。“有些地方，非洲尘埃是土壤的唯一来源，还有些地方，非洲尘埃是部分来源”。有些岛屿是由石灰石、珊瑚礁和沙质土构成的，然而，它们的表土却富含与前述物质无关的黏土和铝硅酸盐。马斯说，表土的来源可能有两个：要么是加勒比活火山的火山灰，要么是非洲尘埃。在某些地方，例如巴巴多斯，土壤有上述两个来源。而在另一些地方，例如巴哈马和佛罗里达群岛，土壤几乎全部来自非洲尘埃。马斯说：“我们在巴巴多斯研究了不同年代的珊瑚礁化石，结果表明，在过去数十万年里，非洲一直在向这里输送尘埃。”

这个进程还将持续多久？这是需要从尘埃颗粒的旅行中寻找答案的最新问题：不仅尘埃会对地球气候产生深远影响，而且地球气候也可以深深影响尘埃。普罗斯珀罗说：“尘埃不同于其他浮质，因为大气尘埃不同于人为污染物，而是依赖气候本身。如果气候变化影响了风速和降雨，就会对尘埃产生巨大影响。尘埃对风和降雨的微小变化极为敏感。这是一个反馈回路。”

在冰芯和其他记录中，可以找到这种反馈回路存在的证据。冰期比间冰期尘埃多。“但我们还是应该弄清楚，‘先有鸡，还是先有蛋’，”马斯说，“是冰期导致更多尘埃？还是更多尘埃导致冰期？这里肯定存在多种反馈效应，很快就会变得非常复杂。”这就是气候变化难以对付的原因，要想通过生物工程学方法，制定出简单、高效的解决方案是很困难的，这类方案只是一个美好梦想，就像“施铁方案”那样。马斯说：“反馈之中又有反馈，因此我们可能遇到意想不到的反馈效应。也就是说，我们解决了一个问题，可能又会出现另一个问题。”

普罗斯珀罗已经注意到，一些意想不到的怪事正在发生。20世纪70年代到20世纪80年代期间，巴巴多斯和迈阿密的尘埃量与北非干旱和降雨高度相关：越干旱，尘埃越多。但是，所有这一切在20世纪90年代开始改变。普罗斯珀罗说：“现在一点相关性都没有，我们不知道会发生什么事情。我很担心，很困惑。”他担心尘埃可能是另一个指标，表明复杂的地球系统正在失去平衡，使预测变得不可能，前景越来越捉摸不定。