雲的產生有賴於海洋生物,但已有的雲會阻礙新雲的形成

原標題:雲的產生有賴於海洋生物,但已有的雲會阻礙新雲的形成 來源:澎湃新聞

雲在全球氣候中扮演著重要角色。它將陽光反射回太空,並控制著降雨,對地球的輻射平衡和氣候具有重要影響。

雲的形成需要凝結核,而海洋生物大量排放的二甲基硫醚 (DMS; CH3SCH3)是氣溶膠粒子產生和成長的主要前體,能夠幫助形成雲。

美國威斯康星大學T-Mac遜分校、美國國家海洋和大氣管理局等機構完成的一項新研究表明,海洋排出的DMS中超過三分之一無法幫助雲形成,這是因為一些DMS因已有的雲而「消失」。

這項新發現大大改變了人們對海洋生物如何影響雲的普遍理解,並可能改變科學家預測雲形成如何響應海洋變化的方式。

DC-8研究飛機飛過海洋邊界層時的視圖

相關研究於10月12日在知名學術期刊《美國科學院院報》上發表,論文標題為「Rapid cloud removal of dimethyl sulfide oxidation products limits SO2 and cloud condensation nuclei production in the marine atmosphere」(雲中二甲基硫醚氧化產物的快速除去限制了海洋大氣中SO2和雲凝結核的產生)。

「人們很早就知道許多海洋浮游生物可以有效率地產生DMS,然後將其作為氣體排放到大氣中。一般認為,DMS 在大氣中被氧化成硫酸,導致原始海洋環境中新粒子的成核,最終長大到足以使雲成核的粒子大小。這代表了海洋生物學和雲物理學之間的迷人聯繫。這是一個簡潔的故事……然而,將 DMS與硫酸相聯繫的很多化學反應此前都是未知的。這就是我們研究的所在。」該論文通訊作者、華盛頓大學T-Mac遜分校化學教授Timothy Bertram接受澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者採訪時表示。

DMS的海洋排放是大氣中還原硫的最大天然來源。DMS的氧化最終導致硫酸和甲磺酸的產生,這有助於氣溶膠顆粒的形成和生長。

由於對全部DMS的氧化產物的直接觀察有限,這使得解釋全球二氧化硫產量估計值(31%至98%)的巨大變化具有挑戰性,而SO2 是硫酸鹽氣溶膠的直接前體。全球模型中 DMS 氧化的不完整表徵,則導致了DMS 排放對雲凝結核和氣候影響估計的不確定性。

之前,研究者發現,DMS變成硫酸的過程中首先會氧化變成 HPMTF,這是一種之前未被認識的分子。

「發表在《美國科學院院報》的第一篇論文(Veres等人,2020)中,研究小組使用全球飛機觀察,表明DMS氧化的教科書圖片是不正確的,單分子異構化化學導致形成了的穩定中間體——HPMTF。那篇論文通過觀察指出了這一點,但當時我們不知道HPMTF到哪去了。」 Bertram表示。

「這篇新論文中,我們使用一系列飛機測量和全球模型定量地表明,這種穩定的中間體(HPMTF)被雲除去了。」

此項研究中,研究團隊使用美國宇航局裝載儀器的飛機DC-8,在晴朗天空開闊海面上的雲層中對這些化學物質進行詳細測量。

根據數據,他們發現HPMTF很容易溶解到現有的雲的水滴中,從而永久地從雲核化過程(核化過程是指形成雲霧質粒的過程)中除掉了硫。硫的損失降低了小顆粒的形成率,從而降低了雲核本身的形成率;而在沒有雲的地方,更多的HPMTF就能留存下來變成硫酸,幫助形成新的雲。

研究者使用一個大型全球海洋大氣化學模型來解釋這些測量結果,他們發現,DMS中的硫36%按照上述方式流失到雲中,另外15%會通過其他過程流失。因此,海洋浮游生物釋放的硫中,只有不到一半能幫助形成雲團。

「從本質上講,這種新化學物質(HPMTF)關閉了硫酸和成核的道路。除了該化學物質之外,這篇論文的酷炫之處在於,我們可以使用飛機觀測來量化分子在雲中的損失率,這是以前從未做過的事情,大多數大氣化學家都避開雲在改變大氣化學方面的作用。 這使我們能夠關閉 HPMTF 形成和損失的預算。」Bertram表示。

多雲天空條件下HPMTF標量收支的組成

此前,研究人員基本都忽略了雲對海洋化學過程的影響,部分原因是很難從雲層中獲得數據。此項新研究不僅彰顯了數據獲取工具的力量,而且表明,雲的形成過程中已有的雲可以發揮重要作用。

「該項目代表了國家實驗室和大學研究人員之間的大規模合作。」 Bertram表示,此項研究克服的最主要挑戰是在海洋上的雲中獲取新的測量數據。「這是一個具有挑戰性的採樣環境,進行這些測量的美國國家海洋和大氣管理局團隊和美國太空總署機組人員在進入研究區域方面做得很出色。」

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