互动科普

                 硫酸盐微粒与气候变化

           Robert J. Charlson*, Tom M.L. Wigley**

    含硫的工业排放物能形成会使太阳辐射反射回太空的粒子，从而阻碍了地球某些部分上空的温室效应。

    温室效应是与生命有关的一种地球物理现象。大气层中象二氧化碳和甲烷之类的气体能吸收并保持热量，从而使地球上的生物群得以存活。这些气体使地球表面变暖了大约33个摄氏度，从冰点以下升到目前平均的17℃左右。全球变暖的模型和分析结果通常表明，由人类经济活动带到大气层中的大多数长寿命气体会使地球比在没有这些气体的情况下更为暖和。然而在理论预期和观测结果之间仍然存在着些不一致之处。根据温室气体含量的最近的增加值所预期的变暖情况比实际观测到的大气变暖情况要稍微大一些。另外，北美洲的变暖趋势看来并不遵循这一全球型式。什么原因可以解释这些和另一些的事实同理论的偏离呢?

    答案是令人啼笑皆非的。十之八九的微粒(aerosols，也可译为“气溶胶”)主要是由硫酸盐组成，而它们本身是经济活动的结果，这些微粒在它们能够到达地球表面并参与变暖过程之前就已增强了大气将阳光反射回太空的能力。直径大约为1微米的硫酸盐粒子在北半球工业区的上空尤为聚集。它们作为酸雨贡献者的作用，作为刺激物的作用以及作为使大峡谷那样的壮丽风景黯然失色的作用，已经为人所知有若干年了。但是它们通过散射阳光使大气变冷的能力在气候变化中的作用只是在最近才认识到。显然，如果我们要得到准确的气候模型并制定出有效的产业政策，我们就必须把微粒的致冷效应和由温室气体所造成的变暖现象这两种因素都考虑进去。

从理论上说，工业微粒并不是对变冷作出贡献的唯一的一类粒子。在自然界中存在着若干类微粒。然而，它们并不是引起气候变化的主要因素。天然微粒——主要是大陆尘埃、海盐和海洋硫酸盐化合物——至少在—个世纪的时期内其含量、分布及性质很可能是大致保持恒定的。因此，它们不会对观测到的任何气候变化作出贡献。火山微粒很可能也不会增加什么长期效应。由1815年坦博拉、1883年喀拉喀托和1991年皮纳图博的大规模火山爆发所造成的变冷趋势仅仅持续了几年。

与此完全相反的是，主要是在工业化期间特别是从大约1950年以来，大气层中的人造微粒化合物增长迅猛。在所有的人工形成的微粒污染物中，为什么气候学家们迄今偏偏将其大部分注意力集中于硫酸盐化合物呢?这是因为从酸雨研究中收集到的大量数据使硫酸盐成为了解得最好的微粒。其它的微粒物质——来自石油燃烧的烟尘，沙漠化形成的土壤尘埃以及刀耕火种农业产生的烟雾——所产生的影响在数量上与工业硫所产生的影响很接近。然而，有限的研究成果使人们在们在计算其影响方面的误差变得更大得多。

当人们对象气候这样的复杂体系抱有期望时，要确定硫酸盐微粒的致冷数值并不是一件容易的任务。有许多变量使这种艰难的尝试复杂化——其中有，硫在大气层中的含量，硫在全球上空的分布情况，微粒形成的机制，粒子的反射度以及粒子对云的影响。一次准确的预报也要取决于提出正确的假设。某些早期探索微粒对气候影响的研究工作并没有这样做。例如，一个通常的未被证实的假定认为城市以外的大多数霾是一种有着“自然本底”的微粒。

 另—个早期的、未讲明的假定是地表的一些作用形成了大多数气溶胶粒子。但是这个结论只适用于两种类型的微粒：那些由风带入大气层的微粒(例如海盐和土壤尘埃)以及那些直接通过燃烧而出现的微粒(例如，工业烟雾或来自森林和草原火灾的烟雾粒子)。在过去十年间进行的研究表明大多数硫酸盐微粒起源于排放到空气中的含硫气体所进行的化学反应。这些反应发生在对流层，对流层是从地球表面延伸到大约1O公里高处的那部分大气圈。

要计算硫化物在对流层中的增加量，气候学家们根据的是工业排放的速率。这些速率充当计算大气硫酸盐微粒的平均含量随时间变化的优良指导原则。由于含硫气体和由之产生的硫酸盐在对流层中只能存在几天的时间，因此它们在大气层中的平均含量直接与排放速率和这些物质存在时间的乘积成比。所以，主要的效应必定反映出硫源的地理分布情况。

对流层中超过三分之二的含硫气体[主要是以二氧化硫的形式(SO2)排放出的]供应量都是人为造成的。这一数量中的大约百分之九十产生于北半球。在那里人类活动排放出的含硫气体量大约为天然排放出的含硫气体量的五倍。在南半球，人为排放的含硫气体量目前仅仅约等于天然排放量的三分之一。主要的天然活性硫载体是二甲硫[(CH3)2S]]，即DMS,它是从海洋浮游植物中产生的。在没有人为源的情况下，DMS被认为是亚微米粒子的主要来源。少量的硫(如硫化氢或二氧化硫，或者二者都有)来源于火山以及来源于沼泽和泥炭沼。

二氧化硫一般保留在产生它的那个半球。地球大气圈的南北两半部分之间的热和化学混合大约需要一年的时间——远远长于二氧化硫或其产生的硫酸盐微粒的平均寿命。尽管就微粒的分布而言这两半部分基本上是分隔的区域，但是北半球的微粒仍然可以影响世界范围的气候，就象区域云量控制着地球的平均反照率，即反射率一样。

大约有一半的含硫气体量直接从大气层中丢失了；它或者被雨水冲走或者与植物、土壤或海水进行化学反应。剩下的含硫气体继续与对流层中的一些化合物发生氧化并进而形成气溶胶粒子。的确，几乎所有类型的含硫气体都是在有氧化剂存在的情况下具有化学活性的。最重要的氧化剂是羟基(OH)。

形成硫酸盐微粒的反应可以粗略地划分成晴空的反应和云中的反应。在晴空反应中，二氧化硫和DMS在水蒸汽存在的情况下能通过若干步骤的复杂系列的反应产生气态硫酸(H2SO4)。这种化合物形成的粒子大小只有几分之一微米。微粒的形成是通过在现存粒子上的凝聚作用或者是通过与水蒸汽或其它硫酸分子的相互反应来实现的。这一转变过程被称为气体－粒子转化。硫酸然后与少量的氨反应生成不同水合形式的硫酸铵[(NH4)2SO4盐。另外，DMS也能发生反应形成另一种可冷凝的化合物，甲磺酸(CH3SO3H)，即MSA。尽管MSA是一种重要的大气组分和示踪化合物(它已经以化石的形式在冰芯中被测定出了)，最新的研究表明它的微粒只有一点影响。
    硫酸盐微粒还可以在云中生成。当二氧化硫溶解到已有的云滴中时就开始了这—途径。在这里它可以被低浓度的双氧水(H202)所氧化双氧水是两个羟基分子结合而成的。该氧化反应然后就在溶液中形成硫酸和溶解状态中的硫酸铵盐。在云滴中酸式硫酸盐以一种强烈的水合形式存在，在这种水合物中水分子与硫酸盐相结合。蒸发作用又除去一些水分。由于这些硫酸盐紧贴着水，因此蒸发后的产物是一种高浓度的硫酸盐溶液。结果就生成化学性质与气体－粒子转化所生成的气溶胶很难区分的亚微米气溶胶液滴。

硫酸及其铵盐具有的与水的强烈化学亲合力从微粒散射光的能力来看是非常重要的。当微小的液滴与潮湿空气(例如湿地或海洋上空的空气)相混合时，它们就会吸收水分并长大。越大的粒子散射的可见光就越多，从而解释了为什么当湿度大的时候阴霾增强的现象。在相对湿度为百分之八十的时候(这是地面附近空气的全球平均湿度值)，一定量的硫酸盐所引起的视阴霾程度为低湿度时的大约两倍。

对流层中一旦通过化学反应生成了硫酸盐粒子，它们就可以以两种方式使气候变冷：要么是直接地，在晴空之下将某些入射的太阳辐射反射回去；要么是间接地，通过增大云层的反射率起作用。

在直接的、即晴空的效应中，硫酸盐气溶胶粒子将阳光从大气层中散射进入太空之中：结果，到达地面的太阳辐射很少。有两种方法用来计算散射回太空的入射能量的比例。一种方法是根据粒子的大小和折射率来进行详细的光学计算。另—个可供选择的、且目前更为可靠的逼近方法仅仅是利用观测到的大气中微粒量与散射引起的能量损失之间的相关关系。这些分析结果表明在目前的水平下人为生成的硫酸盐微粒散射了大约百分之三的直达的太阳光线。这部分光线又有大约百分之十五到百分之二十返回太空，散失的总量约为千分之五。然而，由于云层在任何时候都只覆盖了地球的大约一半的区域，因此阳光的平均减少量实际上大约是千分之五的一半。在地面上，计算得的阳光损失量大约为千分之二到千分之三。

这一损失果真是重要的吗?到达地面附近的硫酸盐霾层的太阳辐射大约为每平方米200瓦特，这样不言而喻的损失部分就大约是每平方米0.4到O.6瓦特。由于北半球的微粒更多一些，因此那儿的平均作用力肯定要更大一些，可能达到每平方米1瓦特左右。(气候学家用“作用力”这一术语来表示对大气和海洋来说是外部的因素对地球能量平衡变化的影响。)

入射能量的这种损失可能看起来很少，但是它并不是无关紧要的。今天由于人类活动而产生的二氧化碳量的增加在地球热量平衡中已达到每平方米1.5瓦特。(如果把其它温室气体例如甲烷和一氧化二氮考虑在内的话，这个值还会增加到每平方米约2到2.5瓦特。)这样．由硫酸盐微粒所引起的致冷作用在数量上完全可以与由二氧化碳造成的致热相比，至少在工业区上空聚集的阴霾带中是如此。

不必多言，这些计算都还比较粗糙。为了更精确的定量分析微粒的影响和描绘其地理分布，斯德哥尔摩大学和华盛顿大学的研究人员使用了美因茨市马克斯·普朗克化学研究所提出的—个气象模型。这一模型详细描述了由人造的二氧化硫所形成的粒子的化学产生和风力传输过程，它使研究人员能够绘制一张仅由人造硫酸盐的直接效应所引起的热平衡变化图。该模型显示出了北半球的三大块阴霾带。一个在美国东部上空，它造成的太阳辐射损失量超过每平方米2瓦特。另两块是在欧洲和中东上空，它们招致的辐射损失达每平方米4瓦特。根据1980年记录的二氧化硫排放量，整个北半球上空的平均太阳辐射损失量为每平方米1.1瓦特，巧合地接近上述的粗略计算结果。

硫酸盐微粒使地球表面致冷的第二个间接的方式是通过影响云层的反照率来实现的。既然是在云中，某些硫酸盐粒子就能起着凝聚核的作用。云中凝聚核的密度决定了云滴的数量和大小。对一定量的凝结水来说，云滴的数密度又影响着云的反照率。仅仅是全球海洋上空的云的反照率升高百分之三十就足以抵消在本世纪期间由人工产生的二氧化碳增加量所引起的平均变暖作用。

遗憾的是，硫酸盐粒子的这种间接影响迄今还没有可靠的定量表示。尽管观测结果表明在工业区上空云凝结核的数量已大大增多，但研究人员还是不清楚核数量的差异如何与人类活动造成的微粒的数量或质量的变化相关。因此，迄今尚不可能计算出间接的微粒作用力的大小。卫星观测结果表明这种影响并不太大，尽管理论分析允许它与直接的作用力相似。

由于完全模拟微粒的气象效应的能力是有限的这一事实，因此人们可能会怀疑微粒的致冷作用是否是真实的。尤其是．人们可能会问微粒的致冷作用在观测记录中是否明显。回答这一问题的最简单的办法是将北半球的变化与南半球的变化相比较。总的来说，全球气温在过去100年间大约升高了0.5℃：(见Philip D Jones和Tom M.L.Wigley所著“全球变暖的趋势”一文：<科学>一九九0年第十二期)如果增强了的温室效应(也就是指由人类活动所引起的额外的变暖)是气候作用力的唯一机制，那么北半球的变暖就会比南半球的变暖稍微快一点。南半球拥有全球大部分的海洋因此对于热变化的反应更为惰性一些。

然而迄今的观测结果表明是另一种情况：从1940年以来北半球的气温升得更慢了。事实上，本世纪初期发生在北半球的强烈变暖趋势到1940年前后就停止了而且直到七十年代中期才又重新恢复，即使在这整个期间温室气体的工业排放量仍是不断上升的。这种变暖趋势的暂缓可能是由于硫酸盐微粒的反作用性质造成的，至少从某种程度上说是这样。虽然这些变化大致上与假定的微粒致冷作用同步，但是它们还不足以证明是一种因果关系。(的确．在整个二十世纪两个半球的变暖趋势缺乏明显的差异就给微粒作用力的总的大小施加了—个上限，这意味着云的反射率对致冷的贡献很小。)

另一个间接证据来自于联合国政府间气候变化专家小组(IPCC)所进行的分析。1990年该小组指出在观测到的全球平均温度变化与根据气候模型作出的推测之间的不一致。这些气候模型认为世界应该比记录所显示的要变暖得稍快一些。硫酸盐微粒可能有助于解释这种不一致之处。

要弄清为什么会这样，我们需要引入“气候敏感性”这一概念。在对气候进行计算机模拟中，研究人员将大气中的二氧化碳含量增加一倍于是使气候系统调节到新的(更暖和的)稳定态。全球平均温度的变化就是全球平均温度对外部作用力的敏感性的量度。IPCC已经为这一参数给出了一个2.5℃的“最佳推测”值，尽管气候敏感性实际上可以在1.5℃到4.5℃的范围内变化。当把观测结果与根据气候模型(这些模型是用来专门估计对观测到的温室气体作甩力的变化所作出的与时间有关的响应程度)所得出的结果相比较时，就会发现暗示的气候敏感性比1.5℃要小一些。换句话说．气候敏感性的经验估计值比IPCC的最佳推测值要低一整度还多并且稍低于预期范围。这些数值说明由温室气体引起的最近的全球变暖可能已经超过了观测到的0.5℃的升温并且可能已被某致冷过程所抵消。气候的自然变率可以解释这种致冷作用。要不然，一些外部因素可能起着主要作用。微粒效应是一个明显的候选者。的确，将微粒致冷作用作为因子考虑进气候模型中所得出的气候敏感性的值比IPCC的最佳推测值要稍高一点但正好在预期范围之内。遗撼的是，这些结论没有一个足以令人信服，能使我们从困境中摆脱出来呼喊着，“我找到了!”

尽管这一证据有着相当大的数量上的误差，但还是清楚地表明微粒对气候有着重要的影响足以与温室气体所产生的影响相比。事实上，从1880年到1970年期间，微粒致冷作用或多或少地可能抵消了北半球不断增强的温室效应。（1970年以来，温室气体的排放量比气溶胶粒子的排放量要增加得更快。）由微粒引起的致冷作用在某些地区可能甚至占主导地位。最近由科罗拉多州博尔德市的国家大气研究中心的Jeffrey T. Kiehl和Bruce P. Briegleb所作的研究工作表明微粒在美国东部、中欧南部和中国东部的局部区域造成了净的变冷现象。

然而，一个关键性的错综复杂情况隐藏在“抵消”这一词组的使用中。这一用语容易使人误解。微粒致冷和温室效应具有这样一些特征，这些特征使得它们不能完全彼此抵消。首先，冷却和变暖大都发生在世界不同地方的上空。正如我们所提到的那样，硫酸盐致冷作用主要发生在北半球工业地带上空尽管二氧化碳扩散於整个大气层中，但是温室作用力在亚热带的海洋和沙漠上空更为强烈。

两种类型的作用力起作用的时间也有不同。二氧化碳的集热特性在一日之中和一年之中仅有适度的变化。相反，微粒效应则具有明显的周日特征和季节特征。它在夏季的作用更剧烈，当然只有在白天光照的时候才起作用。国家气候数据中心的Thomas R.Karl及其合作者指出，美国、前苏联和中国都表现出年平均最低气温升高而最高温度不升高的现象。因此，有可能微粒现在只是在白天（这时温度最高）而不是在夜间（这时温度通常最低）才可以抵消温室变暖效应。

人们应如何来看待迄今所收集到的微粒制冷现象的证据呢？一个鉴别的好方法就是将其与不断增强的温度效应相对照。尽管IPCC建议在二氧化碳的排放量上打很大的折扣，但是它仍然不能肯定地说出是温室气体含量的变化引起了观测到的全球变暖现象。由于迄今这一效应的大小几乎与气候的自然变率相当，因此要作出明确的判定还很困难。换言之，这一信号几乎具有与背景噪声一样的强度。

 同样的情况恰好也适用于微粒对气候的作用力。气候学家们迄今尚未找到可以毫无疑问地证实存在硫酸盐制冷作用的“冒烟的枪”意指（“确凿的证据”--校注）。可是，微粒效应的牢固的理论基础，数据和期望值的一致性，以及缺乏任何反证都使我们很相信其真实性，然而，目前仍有两个不确定的广泛领域限制了我们的预言能力：一是对全球气候变化的基础物理的了解，另一是对今后二氧化硫排放量的预测。正是在现在，由了解得最好的人类活动产生的微粒--硫酸盐--所起作用的估算误差比温室气体所起作用力的估算误差要大得多。对于硫酸盐来说，其致冷量的变化范围是最高值为其最低值的两倍；而对温室气体来说，已知变暖程度的变化范围为大约十分之一到五分之一。

而且，我们还可以作出几个一般的预测。由于人类活动形成的硫酸盐微粒大部分局限于北半球的特定区域，因此相对来说温室变暖在南半球(以及北半球的更广的农村区域)应未减弱.所以IPCC关于在未来50年内海平面会上升二三十厘米的预测是有道理的。这种上升的相当大一部分是与变暖的海水在全球范围内的热膨胀有关。其它的影响有点更难于预测，因为它们取决于综合的微粒效应作用力和温室效应作用力的区域性详情。

减少二氧化碳和二氧化硫的排放量会产生两种相反的结果。由于碳循环和气候系统对变化的响应很慢，因此由二氧化碳引起的变暖作用要延续几十年的时间。相反，由于硫酸盐微粒在大气层中存在的时间很短，因此减少二氧化硫的排放量很快就会造成致冷作用的中止。因此，减少矿物燃料使用所引起的令人啼笑皆非的结果就可能最初是气候变暖，特别是工业区。

当然，有许多关于气候作用力和硫的问题尚未解决。会不会有另—些微粒源，例如热带的大范围生物质的燃烧，具有比我们通常所认为的要大得多的影响?更为重要的是，—些气象过程对那些并未均匀作用于地球上的作用力又是如何作出响应的呢?

人们可能会被诱惑得出这样的结论，即不确定性使得由人类活动造成的气候变化问题成为悬而未决是一个严重的错误。显然，并未出现能够解决全球气候变化难题的灵丹妙药。例如，降低二氧化硫排放量以减少酸雨就可能会加速全球变暖。似乎清楚的是，需要有—个更好的和更全面的认识并且应谨慎行事。许多有益的有理有据的争论可能有助于节省矿物燃料和降低二氧化碳和二氧化硫的排放量。宁愿立刻采取行动也比消极等待对气候的破坏要小一些，因为此时此刻人们正在释放出的工业气体对天气的影响将持续几十年。全世界实现降低排放量的时间拖得越长，后果就会越严重。            
                                       [肖仲洋译 郭凯声校]