作者:徐徐 来源:中国科学报 发布时间:2015/3/26 11:30:14
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亚马逊“高塔”:守住最后的防线
科学家利用天文台研究原始空气污染情况

325米高的亚马逊高塔天文台 图片来源:REUTERS/BRUNO KELLY

受到强风和太阳无情的摧残,Jürgen Kesselmeier在1月份花了两个小时才爬上一段位于骨架状的4米宽铁塔内的楼梯。随着他越爬越高,潮湿的森林地面发出的气味逐渐消散,而风力变得更加强劲。当Kesselmeier爬到塔顶时,向下眺望,绿色的“海洋”辽阔无际。不过,他去那里并不是为了观赏风景,而是为了呼吸难得的空气。

德国马普学会化学研究所植物学家Kesselmeier是刚刚在亚马逊高塔天文台(ATTO)完工的德国—巴西合作小组负责人之一。从去年8月开始,研究人员通过公路和河流将铁塔组件运送到遥远的丛林深处。马普化学研究所一位负责人Meinrat Andreae介绍说,在那里,零部件被组装成“巨大的建造模型”。耗资940万美元的ATTO比埃菲尔铁塔还高,将允许科学家采集原始空气的样品,以研究雨林如何形成自己的天气并且影响全球碳循环。与此同时,一个被称为Go Amazon2014/5的姊妹项目已经利用飞机和地面台站监控对未受污染空气造成的严重威胁:来自位于亚马逊流域中心地带、有着200万人口的玛瑙斯市的污染云团。

登上ATTO就像回到了过去。巴西圣保罗大学大气物理学家、ATTO团队成员和GoAmazon调查员Paulo Artaxo介绍说,在850万平方公里的亚马逊流域内,只有17%的面积有人居住。“基本上有82%的森林完全保持着1000年前、2000年前和3000年前的状态。”这部分森林上方的空气为了解工业化前的世界提供了一个窗口。

为了对空气取样,ATTO团队想寻找一处不受滥砍滥伐、污染、建设等人类活动影响并且希望几十年间不会有人侵入的铁塔地址。不过,要建造一座切实可行的实验室,就必须使ATTO离玛瑙斯足够近,以便一天之间能到达那里并且返回。最终选择的位置在玛瑙斯东北150公里处,更重要的是位于城市上风向,这使得科学家能通过汽车或轮船在大约6小时内到达该地。

使亚马逊河流域原始空气与众不同的一个特征在于缺乏气溶胶,该细微颗粒周围的水蒸汽能凝结形成云层。美国哈佛大学环境化学家、GoAmazon 调查员Scot Martin介绍说,即使在北美相对没有受到污染的地方,每立方厘米空气中大约含有2000个微粒。而在亚马逊流域,每立方厘米空气中只含有约300个微粒。

在世界的大多数地方,气溶胶来自尘埃、野火产生的烟雾以及城市和工业污染物。而亚马逊流域的大部分气溶胶来自雨林。植物持续释放以细菌、孢子以及诸如异戊二烯、萜烯等挥发性有机化合物(VOCs)形式存在的微生物。Kesselmeier解释说,它们利用这些进行自我防卫,并且和其他植物交流。在上述化学信号中,有些遇到上升气流,并同氧气和其他气体发生反应,从而产生形成雨云的复杂气溶胶粒子。

Artaxo表示,与在其他陆地上空形成的云层相比,亚马逊流域的云层“非常独特”。它们的顶端相对较低,和海洋云层相似,同时其形成的雨滴非常大,因为云层附近的气溶胶粒子非常少。Artaxo解释说,当全球更多地方被森林覆盖并且没有污染时,研究亚马逊流域依旧原始的云层能帮助科学家理解支配气溶胶排放、云层形成和降雨的过程。

冲刷ATTO的空气同其工业化前状态不同的一个关键之处在于:由于人类活动,其二氧化碳含量高出了约50%。ATTO还将研究亚马逊河可能如何帮助减缓二氧化碳的增加以及未来是否将持续这样做。雨林从空气中吸收了大量的二氧化碳,并将其转化成生物质。不过,一部分碳以VOCs的形式并且通过诸如滥砍滥伐、火灾等人为力量被释放出来。科学家担心,如果有足够多的森林正在消失,该地区将成为碳的一个净来源。不过,他们并不清楚临界点在哪里,因为亚马逊河流域每天吸收和释放的碳有多少是一个谜。

ATTO高于树冠的优势将使其得以测量诸如二氧化碳、甲烷等温室气体在几百公里处的浓度和流量。同时,它还能收集区域性而非当地关于森林和大气之间相互作用的数据,比如气溶胶的产生和输送。位于玛瑙斯的巴西亚马逊河国家研究所大气物理学家和Kesselmeier同是ATTO协调人的Antonio Ocimar Manzi希望,这些区域性数据将帮助改善气候模型,甚至是亚马逊河流域当地的天气预报。“在亚马逊河流域,不同的气候模型会预测出完全不同甚至相互矛盾的年降水情形。”Manzi表示,没有更多的数据,“就不能说哪种模型更好”,而这使得亚马逊河流域的未来有几分“黑匣子”的感觉。

与此同时,GoAmazon正在研究一块亚马逊河流域大气已受到人类活动影响的区域。在去年的干湿季节中,巴西—美国合作团队驾驶采集空气样品的飞机直接进入玛瑙斯上方的污染云团。正如Martin所言,“你被1750年的空气包围,然后感觉突然进入了2014年”,空气中充满了悬浮粒子、臭氧以及硫和氮的氧化物。该团队还从位于玛瑙斯下风向的两个地方采集了空气样品,并将采自ATTO的空气作为没有污染的基准。

在这些早期发现中,有一项是玛瑙斯的污染可能正在改变雨林的性质。例如,在玛瑙斯下风向的硫化物和氮氧化物浓度的增加,导致体积更小但数量更多的气溶胶产生,从而更能形成云滴。“这意味着这些云层同原始雨林空气中的云层是不同的。”Martin表示,而这又表明“降水是不同的,水循环和生态系统也是不同的”。亚马逊河流域水循环的改变会影响整个大陆的降水和干旱,包括巴西东南部和阿根廷东北部的重要农业区。

鉴于GoAmazon为了解退化的亚马逊河流域提供了Artaxo所谓的初步印象,ATTO将记录这片原始雨林能够在不断变化的世界中坚持多长时间。因此,这座铁塔还可能标志着这片伟大的雨林向现代社会——人类世屈服之前,亚马逊河流域的“最后防线”。(徐徐)

《中国科学报》 (2015-03-26 第3版 国际)
 
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