南大洋为何拥有世界上最干净的空气

世界著名的大气气体监测站位于澳大利亚塔斯马尼亚西北角的肯纳乌克/格里姆角。图片来源：物理学家组织网

据世界卫生组织称，作为一项全球公共卫生危机，空气污染每年导致700万人死亡。有研究表明，空气污染会增加患心脏病、中风和肺癌风险。那么，地球上还有原始的、纯粹的空气吗？

4年前，美国科罗拉多州立大学科学家在《美国国家科学院院刊》上发表论文称，南极洲周围的南大洋上空有着世界上最干净空气，该区域是“真正原始的地方”。

澳大利亚《对话》杂志报道称，与其他地方相比，这里使用工业化学品和燃烧化石燃料不多，人为活动排放较少。但为何能成为地球上空气的一方净土，其形成原因一直是个谜。

现在，一项发表在《Npj气候和大气科学》杂志上的研究表明，云和雨在净化大气方面发挥着至关重要的作用。

卫星“看到”蜂窝状云层

悬浮在空气中的细小固体颗粒或液滴被称为气溶胶。除了工业来源外，海浪中的盐分或风吹起的扬沙等自然因素也会导致气溶胶。南大洋上空的气溶胶水平受到一系列因素影响。盐雾的数量和浮游植物（空气中硫酸盐颗粒的来源）的季节性生长变化都会改变空气中气溶胶含量。冬季产生硫酸盐较少，也是南大洋上空空气最纯净的时候。

与此同时，南大洋也是地球上云量最多的地方，这会导致这里常有短暂零星阵雨。在新研究中，澳大利亚莫纳什大学研究人员想要探究云和雨在净化空气中起的作用。了解这些过程的最大障碍是缺乏对该地区云、降雨和气溶胶的高质量观测。

不过，在新一代卫星帮助下，研究人员能以前所未有的细节研究云层图像。他们开发了一个能够识别南大洋大片区域上不同云型的计算机程序，着重寻找云层中独特的蜂窝状图样。

之所以关注蜂窝状图样，是因为它们在调节气候方面的作用不可小觑。一方面，当这些蜂窝状单元“挤满”云朵时，会变得更白、更亮，能将更多阳光反射回太空，有助于保持地球凉爽。另一方面，空的或“开放的”蜂窝状单元可以让更多阳光透进来。

蜂窝状单元是开放还是关闭，也与它们能产生的降雨量有关。这些错综复杂的因素造成目前地球气候模型中出现一些错误，因为模型并没有恰当地将其涵盖在内。模拟蜂窝状单元“开关”状态尤为关键，否则得到的结果将大相径庭。

强阵雨“洗去”气溶胶

今年4月，澳大利亚肯纳乌克/格里姆角天文台启动了云和降水实验，目的是获得有关云、雨和阳光的更高分辨率数据。

借此机会，研究人员将蜂窝状云图样与天文台气溶胶测量结果进行了比较，同时与气象局的降雨观测数据也进行了比较。结果表明，空气最纯净的日子与开放的蜂窝云有关。研究人员认为，这些云层导致零星强烈的阵雨，从而将气溶胶粒子从空气中“洗掉”了。

与充满云的蓬松白色蜂窝状关闭单元相比，开放单元含有更多水分，能产生更多雨水。数据显示，开放蜂窝状单元产生的降雨量是关闭的6倍。

研究人员发现，从卫星上看起来不那么多云的天气，实际上会触发最有效的冲刷气溶胶的阵雨。而充满了云或关闭的蜂窝状单元，虽然看起来云层密布，但对空气的清洁效果较差。

在空气最清洁的冬季，空的蜂窝状单元更为常见。分析表明，大范围天气系统“掌控”着云场模式。当肆无忌惮的风暴席卷南大洋时，便产生了这些开放和关闭的蜂窝状单元。

有助构建更佳气候模型

4年前，科学家对海洋边界层（大气中与海洋直接接触的部分）的空气进行了采样。他们检查了空气中微生物的成分，这些微生物存在于大气中，经常被风吹散到数千公里外。通过DNA测序、来源追踪和风的回溯轨迹，科学家发现，这些微生物起源于海洋。

现在，新研究进一步破解了南大洋为何有世界上最干净空气的谜团。其中，降雨是关键，尤其是来自这些透明、开放的蜂窝状云层引发的降雨，它们负责净化南大洋上的所有空气。这似乎解释了为何空气中存在来自海洋的微生物成分。

这些蜂窝状图样也存在于冬季的北大西洋和北太平洋地区。因此，新研究也将有助于解释这些云是如何去除这些地区气溶胶的。科学家还能在此基础上改进气候模型，实现更准确预测。