PNAS:尘埃拼起气候变化图

2011-1-02 19:42 来源: 科技日报
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  一个普通玻璃饮水杯的碎裂,或能作为预测未来气候变化的线索。据美国物理学家组织网报道,泥土破碎时,微小的尘埃颗粒能射入大气层,其碎裂的方式跟玻璃和其他易碎物体非常相似。由于碎裂泥土产生了大量的尘埃碎片,研究人员杰斯普·科克认为,大气中的尘埃颗粒比我们以前认为的要多好多倍。该研究由美国国家大气研究中心(NCAR)进行,研究结果发表在12月27日的美国《国家科学院院刊》(PNAS)上。

  对于理解未来气候变化来说,尘埃在控制大气中太阳能方面发挥着重要作用。根据它们的大小及其他特性,一些粉尘颗粒能反射太阳能量,使地球保持凉爽,另一些能吸收能量,使地球保持温暖。

尘土颗粒可预报天气状况

  “尽管它们很小,土壤中尘土颗粒的聚集方式,在表现效果上就和一只玻璃杯掉落在厨房的地板上相似。”科克说,“研究这种方式,有助于我们为未来气候变化拼起一幅更清晰的图景。”该研究还能提高天气预报的准确性,尤其是在那些沙尘地区,尘埃颗粒会影响云层、降水和气温。

  科克的研究集中于飘在空中的矿尘颗粒,当沙砾被吹进土壤,尘土被击碎,碎片就被发射出去,送进空气中。碎片直径大约50微米,或大约一根人类头发的宽度。

  最小的颗粒是粘土级,直径仅2微米,在大气中停留约1周,几乎能周游全球,它将太阳热量反射太空,使地球保持凉爽。较大些的颗粒,属于泥土级,能漂浮几天。颗粒越大,在大气中越倾向于产生热的效果。除了影响大气中的热量,灰尘微粒还会沉积在高山积雪场,吸收热量促进冰雪融化。

  科克的研究显示,泥土颗粒对粘土颗粒的比例是目前气候模型中的2—8倍。他们仔细地校准了模型,模拟出大气中粘土颗粒的实际数字。

  他们在论文中还提到,在涉及到泥土微粒时,模型最可能出错。在沙漠地区,这些较大微粒中大部分在约1600公里大气范围内打旋,因此计算机模型要不断调整它们的数量,才能更好地反映未来沙漠地区的气候,比如美国西南部和非洲北部。但要根据模型来确定哪些地区未来的气温是否会上升,上升多少,需要做更多研究。

  研究结果还显示出,海洋生态系统导致了大气中二氧化碳的下降。海洋生态系统从飘尘中接受的铁比以前估计的要多很多,铁增加了生物的活动性,有益于海洋食物链通过光合作用摄入碳。

碎片大小分布具有不变性

  物理学家早就知道,某种易碎物体,比如玻璃、岩石甚至原子核,其碎片的形式是可预测的。它们被击碎后的残片大小在一定范围内,小片、中片和大片的分布都可预测。科学家指出,这种形式是一种比例变换下的不变性。

  物理学家设计了数学公式来模拟这一过程,通过公式,可预测易碎物体碎裂后的碎片传播方式。根据科克的理论,用这些公式来估计灰尘微粒的大小范围是可能的。他查阅了1983年德国美因茨大学气象学院两位科学家的一项研究,该研究对干旱土地上灰尘的大小分布进行了测量。科克利用他的易碎物体碎片公式,也对这些土壤进行了检测,确定发射出的灰尘颗粒的大小分布。结果令人吃惊,该公式能很好地描述对灰尘颗粒的测量。

  “所有这些物体都以同样方式碎裂。”科克说,“这种想法非常美,这是大自然在混乱中创造秩序的方式。”