大气气溶胶的定义

大气气溶胶的分布特征（大气气溶胶）

大气气溶胶(大气气溶胶的分布特征)

工业革命以来，人类活动对地球环境的影响显著增强和积累，其中以CO2为代表的温室气体导致的全球变暖是全人类面临的共同危机。然而，除了温室气体，在人类活动排放的众多污染物中，还有一个娇小的成员。虽然肉眼很难捕捉到，但对地球气候环境影响很大。这是气溶胶。

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说到气溶胶，你可能有点陌生，但说到PM2.5，你可能马上就警觉起来，准备口罩。PM2.5是气溶胶的一种。气溶胶是悬浮在大气中的固体或液体颗粒，直径约为0.001 ~ 100μ m(微米，10-6m)。PM2.5是指大气中空气动力学当量直径空小于或等于2.5μm的气溶胶，也称细颗粒物。

PM10和PM2.5颗粒物与人类头发直径的对比(图片来自互联网)

气溶胶的种类很多，一般可分为天然气溶胶和人造气溶胶。天然气溶胶主要来源于沙尘暴、火山爆发、波浪破碎、森林野火等自然现象。人为气溶胶主要包括硫酸盐气溶胶、黑碳和化石燃料燃烧产生的烟尘。自工业革命以来，大气中人造气溶胶的含量不断增加，造成了严重的空气体污染，威胁着人们的健康。因此，由气溶胶引起的环境问题受到了公众和科学界的广泛关注。

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然而，除了造成环境污染，气溶胶还会影响地球的气候。气溶胶粒子对气候的影响主要表现在两个方面。首先是气溶胶粒子可以直接吸收或散射太阳短波辐射(也称直接气候效应)。第二种是气溶胶粒子可以通过改变或影响云的形状、寿命、云量等特征，间接影响太阳的短波辐射和地球的长波辐射(也叫间接气候效应)。气溶胶有各种形状，不同的颗粒大小，不同的形成机制和不同的化学性质。而且由于气溶胶的生命周期较短，对流层气溶胶的寿命一般只有几天到几周。与CO2等温室气体相比，气溶胶的排放是非常局域的，关于气溶胶对辐射影响的研究还不确定。

散射气溶胶的降温效应(一)和吸收气溶胶的升温效应(二)(图片来自网络)

根据IPCC的评估报告，气溶胶的间接气候效应可能更重要，但间接效应比直接效应更不确定。这是因为气溶胶和云的相互作用机制还没有完全了解，尤其是对云的特性的了解。关注大气气溶胶不仅是解决大气污染问题的需要，也是认识气候变化和地气系统辐射变化的重要环节。

气溶胶的直接和间接影响(资料来源:IPCC第四次评估报告(2007))

根据2012年发布的政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告，估计大气气溶胶的总直接辐射强迫为-0.9(-1.9~-0.1)W/m2，这表明气溶胶对气候系统整体具有冷却作用，气溶胶的增加会导致地球获得的辐射强迫减少。那么，气溶胶的存在能抵消温室气体导致的全球变暖吗？

人类直接排放的气溶胶引起的辐射强迫的各种估算结果(来源:松鼠会新浪博客)

平流层没有明显的垂直运动，空气体主要是水平运动。其动力稳定条件和水平环流可以将局地影响放大为区域甚至全球影响，可以延长气溶胶进入平流层的寿命和影响时间。因此，研究人员大胆假设，他们希望在平流层做出一些改变，以减缓全球变暖。

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美国哈佛大学和耶鲁大学的研究人员计划进行一项“平流层扰动控制实验”。他们打算通过发射一个可 *** 纵的气球来释放一小团烟雾，然后测量烟雾如何分散光线并改变平流层的化学状态。他们希望证明向平流层注入气溶胶可以将部分太阳辐射反射回太阳空，从而抑制全球变暖。他们认为，这种做法类似于大型火山爆发导致的全球降温效应。例如，1815年爆发的坦博拉火山导致了全球气候异常，次年夏天出现了罕见的低温。欧洲、北美和亚洲受灾严重，1816年也被称为“没有夏天的一年”。

实验假设

但后来有研究者用地球系统模型模拟了这种方法的可行性。他们利用CESM模型将硫酸盐气溶胶注入南北纬15度和30度空的平流层。仿真结果表明，该方法确实可以降低表面温度。但同时也会引起海洋环流发生变化，导致海洋持续变暖，尤其是格陵兰岛以南附近海域。

结果模拟了表面温度的变化。

当然，将气溶胶注入平流层来改变地球的反照率仍然是研究人员的一个大胆想法，但人类活动在对流层排放的气溶胶确实在影响地球的气候。大气所黄岗研究组利用地球系统模型CESM模拟了工业革命以来人类活动引起的硫酸盐气溶胶排放的时间空分布变化，以及这种变化对北半球温度的影响。

模拟结果表明，从1850年到1980年，欧洲、北美等发达地区污染物排放明显增加，发展中地区不显著，北半球气温普遍下降。从1980年到2007年，发达地区的污染物排放量减少，而发展中地区的污染物排放量继续增加。气温变化主要表现为北半球高纬度地区气温上升。东亚、南亚等地中低纬度地区气温下降。

模拟北半球地表温度的变化。

局部温度变化有三个影响因素。其中，硫酸盐排放源区温度变化的主要原因是辐射强迫的影响，如1850-1980年欧洲变冷，1980-2007年欧洲变暖，东亚和南亚变冷。温度的远距离响应主要是由于热传输，影响最大的是在西伯利亚。这里虽然气溶胶浓度变化不大，但冷暖平流效应明显，所以温度响应很强。

2019年发表在《自然》杂志上的一项研究结果显示空气体污染导致中国太阳能产量减少。研究人员分析了中国119个站的观测辐射数据，发现从1960年到2015年，中国太阳能光伏(PV)的潜力平均下降了11-15%。其中，黑碳气溶胶和硫酸盐气溶胶排放的增加对太阳辐射的减弱作用最强。

1960-2015年气溶胶排放和容量因子的变化。(二氧化硫和黑碳排放量取自北京大学排放清单)

容量系数(CF)是光伏板的实际输出功率与最大输出功率之比，代表潜在的发电能力。如图所示，计算出1960-2015年间，潜在太阳能光伏发电能力下降了13%。

一般来说，气溶胶的气候效应要比温室气体复杂得多。气溶胶种类复杂，其中散射气溶胶如硫酸盐可以增加行星反射率，使整个大气降温，吸收气溶胶如黑碳可以吸收太阳辐射使气溶胶所在的大气变暖，减少到达地面的太阳辐射，使地面降温。气溶胶的辐射强迫效应在不同的时间和纬度会发生变化，即使同一层气溶胶的下垫面发生变化，其辐射强迫效应也会有很大差异。

由于气溶胶的观测时间起步较晚，气溶胶的复杂成分也会影响到云，目前科学家对气溶胶的气候效应的认识还有很大的不足。如果气溶胶的直接和间接气候效应得不到解决，将直接影响我们对过去100年到200年气候变化原因的正确认识，也必然影响我们对未来气候变化的预测。气溶胶对环境和气候的影响可能是一把双刃剑。改善颗粒物污染有利于环境和人类健康。而气溶胶的降温作用降低，是否会加速全球变暖的进程，也是需要进一步探讨的问题。

参考资料:

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