研究人员利用稀有的原始空气来揭示污染的影响

五年前，研究人员乘坐一架热气腾腾的Gulfstream-1研究飞机，在亚马逊雨林的原始空气和附近受污染的空气之间盘旋，在飞机上待了三个小时。这就像一次穿越时间的旅行，科学家们在两种截然不同的环境中穿梭，采集具有当今工业环境特征的空气样本，以及未受污染的空气样本，就像工业时代之前那样。

由美国能源部西北太平洋国家实验室的Manish Shrivastava领导的一个国际科学家团队分析了一些数据，发现人类造成的污染刺激了被称为次生有机气溶胶的气候变化粒子的产生，这比之前认为的要多得多。

研究结果说明污染从汽车、发电厂和其他来源结合自然排放树在亚马逊刺激明显增加微小粒子能反射或吸收阳光,帮助创建云,降雨模式的变化,确定土地和大气之间的碳流——所有与戏剧性的对地球的影响。这一结果来自一项名为GOAmazon的研究活动，该活动由美国能源部科学用户设施办公室下属的大气辐射测量研究设施(Atmospheric Radiation Measurement research Facility)牵头。这次活动的重点是玛瑙斯附近和周围的地区。玛瑙斯是巴西一座拥有200多万人口的城市，周围数百英里都是热带森林。科学家们将玛瑙斯周围巨大的森林冠层称为“绿色海洋”，这也是该活动名称的第一个字母。

该地区提供了地球上其他地方难以找到的研究环境。在未确定边界的一侧是笔直的热带雨林，空气清澈透明，每立方厘米有300个气溶胶颗粒;另一边是玛瑙斯上空的空气，由于人类活动，那里的颗粒物浓度要高100倍。施里瓦斯塔瓦说:“为了真正了解污染是如何影响大气的，我们需要把今天的大气和工业时代以前的大气进行比较。”“这是挑战;当然，我们不能回到过去。但是亚马逊河是地球上少数几个我们可以同时研究过去和现在的大气化学的地方之一。”

五年前的那个阳光明媚的日子，ARM飞机从边界的一边慢慢地飞到另一边，每秒钟的飞行距离大约有一个足球场那么长，从原始的空气样本中采集空气样本，然后从被污染的样本中提取样本。“该地区提供了一个奇妙的自然实验室，以了解人为排放如何影响大气化学和气候，”施里瓦斯塔瓦说。虽然只有地球的一小部分为这项研究提供了独特的机会，但这些发现也适用于地球上每时每刻无处不在的大气化学。

这种化学反应是在森林、草地或鲜花的清新气味背后。当这些气味冲击我们的嗅觉神经时，我们实际上是在感知一系列的气体，比如含有碳的异戊二烯和萜烯，它们是由树木和其他植物自然释放出来的。这些气体会造成臭氧和其他形式的烟雾，影响到达地球的阳光量。当这些天然碳排放在阳光下与氮氧化物相互作用时(氮氧化物是土壤中自然排放的，也是一种主要由人类活动排放的常见产物)，一个结果就是形成了被称为次生有机气溶胶的微小颗粒。虽然气溶胶很小，比人类头发的宽度小得多，但它们对地球的气候并没有什么影响。它们是地球能源和碳循环的重要组成部分，在一定程度上决定着地球巨大的碳储量的命运，以及它如何在陆地和大气之间流动。

施里瓦斯塔瓦和同事们试图了解人为排放如何增加这些自然产生的碳颗粒的产量——人类活动在推动从植被中喷出的气体转化为这些强大的气候变化颗粒方面的影响有多么广泛。研究小组将这些数据与其他实验室测量数据结合起来，开发了一个先进的计算机模型来模拟在大气中形成粒子的化学反应。该模型具有双重功能，既再现了工业化前的化学，也再现了当今的化学。大多数模型主要是根据目前的条件建立的;亚马逊的测量提供了工业化前化学条件的信息，提高了模型的预测能力。

研究小组发现，人类活动(如交通和炼油厂)排放的氮氧化物促进了天然森林碳颗粒的生成，其作用远远超出人们此前的想象，导致森林碳颗粒的平均含量增加了60%至200%，在某些情况下甚至高达400%。相比之下，科学家此前根据污染更严重的大陆地区的数据估计，这一比例为20%。

研究小组还发现，这些次生含碳粒子大多是由这种现象形成的。施里瓦斯塔瓦说:“污染对产生次生有机气溶胶的影响一直很难理清。”“我们的发现表明，地球上许多大陆地区的大气已经被人类活动大大地改变了，其影响比我们所认识到的要大得多，范围也广得多。”在他们的论文中,Shrivastava和其他作者得出这样的结论:“我们的研究结果提供了一个明确的证据表明人为排放可能大大改良生物的SOA(二次有机气溶胶)形成地球自工业化前的时代,并暗示在未来几年内快速城市化可能大大提高生物SOA亚马逊原始森林地区的形成。”

他们正在创造复杂的计算机模型来解释大气和地球系统。他将大气描述为“一个不断处理自然和人类排放的大型化学反应器，进而影响气候和人类健康。”