作者:刘航 来源:澎湃新闻 发布时间:2021/10/12 23:22:42
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云的产生有赖于海洋生物,但已有的云会阻碍新云的形成

 

云在全球气候中扮演着重要角色。它将阳光反射回太空,并控制着降雨,对地球的辐射平衡和气候具有重要影响。

云的形成需要凝结核,而海洋生物大量排放的二甲基硫醚 (DMS; CH3SCH3)是气溶胶粒子产生和成长的主要前体,能够帮助形成云。

美国威斯康星大学麦迪逊分校、美国国家海洋和大气管理局等机构完成的一项新研究表明,海洋排出的DMS中超过三分之一无法帮助云形成,这是因为一些DMS因已有的云而“消失”。

这项新发现大大改变了人们对海洋生物如何影响云的普遍理解,并可能改变科学家预测云形成如何响应海洋变化的方式。

相关研究于10月12日在知名学术期刊《美国科学院院报》上发表,论文标题为“Rapid cloud removal of dimethyl sulfide oxidation products limits SO2 and cloud condensation nuclei production in the marine atmosphere”(云中二甲基硫醚氧化产物的快速除去限制了海洋大气中SO2和云凝结核的产生)。

“人们很早就知道许多海洋浮游生物可以有效率地产生DMS,然后将其作为气体排放到大气中。一般认为,DMS 在大气中被氧化成硫酸,导致原始海洋环境中新粒子的成核,最终长大到足以使云成核的粒子大小。这代表了海洋生物学和云物理学之间的迷人联系。这是一个简洁的故事……然而,将 DMS与硫酸相联系的很多化学反应此前都是未知的。这就是我们研究的所在。”该论文通讯作者、华盛顿大学麦迪逊分校化学教授Timothy Bertram接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者采访时表示。

DMS的海洋排放是大气中还原硫的最大天然来源。DMS的氧化最终导致硫酸和甲磺酸的产生,这有助于气溶胶颗粒的形成和生长。

由于对全部DMS的氧化产物的直接观察有限,这使得解释全球二氧化硫产量估计值(31%至98%)的巨大变化具有挑战性,而SO2 是硫酸盐气溶胶的直接前体。全球模型中 DMS 氧化的不完整表征,则导致了DMS 排放对云凝结核和气候影响估计的不确定性。

之前,研究者发现,DMS变成硫酸的过程中首先会氧化变成 HPMTF,这是一种之前未被认识的分子。

“发表在《美国科学院院报》的第一篇论文(Veres等人,2020)中,研究小组使用全球飞机观察,表明DMS氧化的教科书图片是不正确的,单分子异构化化学导致形成了的稳定中间体——HPMTF。那篇论文通过观察指出了这一点,但当时我们不知道HPMTF到哪去了。” Bertram表示。

“这篇新论文中,我们使用一系列飞机测量和全球模型定量地表明,这种稳定的中间体(HPMTF)被云除去了。”

此项研究中,研究团队使用美国宇航局装载仪器的飞机DC-8,在晴朗天空开阔海面上的云层中对这些化学物质进行详细测量。

根据数据,他们发现HPMTF很容易溶解到现有的云的水滴中,从而永久地从云核化过程(核化过程是指形成云雾质粒的过程)中除掉了硫。硫的损失降低了小颗粒的形成率,从而降低了云核本身的形成率;而在没有云的地方,更多的HPMTF就能留存下来变成硫酸,帮助形成新的云。

研究者使用一个大型全球海洋大气化学模型来解释这些测量结果,他们发现,DMS中的硫36%按照上述方式流失到云中,另外15%会通过其他过程流失。因此,海洋浮游生物释放的硫中,只有不到一半能帮助形成云团。

“从本质上讲,这种新化学物质(HPMTF)关闭了硫酸和成核的道路。除了该化学物质之外,这篇论文的酷炫之处在于,我们可以使用飞机观测来量化分子在云中的损失率,这是以前从未做过的事情,大多数大气化学家都避开云在改变大气化学方面的作用。 这使我们能够关闭 HPMTF 形成和损失的预算。”Bertram表示。

此前,研究人员基本都忽略了云对海洋化学过程的影响,部分原因是很难从云层中获得数据。此项新研究不仅彰显了数据获取工具的力量,而且表明,云的形成过程中已有的云可以发挥重要作用。

“该项目代表了国家实验室和大学研究人员之间的大规模合作。” Bertram表示,此项研究克服的最主要挑战是在海洋上的云中获取新的测量数据。“这是一个具有挑战性的采样环境,进行这些测量的美国国家海洋和大气管理局团队和美国航天局机组人员在进入研究区域方面做得很出色。”

 
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