机载研究揭示了沙漠尘埃在形成卷云中的巨大作用

每年有数十亿公吨的矿物尘埃从世界干旱地区飘入大气层，使尘埃成为大气中最丰富的气溶胶颗粒类型之一。现在，科学家们正在了解到，来自地球最热和最干燥地区的微小尘埃是在寒冷的高海拔大气中形成被称为卷云的纤细、纤细的冰云的一个惊人的大驱动力。

虽然科学家们已经知道沙漠尘埃颗粒可以播种某些云，但这种关系的程度一直是一个长期存在的问题。基于有史以来最大的空中大气采样任务并发表在《自然地球科学》上的新研究揭示了尘埃在气候系统中的作用。

“尘埃引发的卷云数量惊人，占热带以外所有卷云的 34% 到 71%，”主要作者、国家海洋和大气管理局 (NOAA) 化学科学实验室的 CIRES 科学家、国家海洋和大气管理局 (NOAA) 气溶胶特性与工艺研究项目的卡尔弗罗伊德 (Karl Froyd) 解释说。研究的时间。“也许更令人惊讶的是，我们发现虽然撒哈拉沙漠是迄今为止世界上最大的尘埃排放源，但中亚的沙漠往往是卷云形成的更重要来源。”

对宇航局为期三年的大气断层扫描任务 (ATom) 期间在偏远海洋上收集的大气测量结果的分析表明，尘埃在南北半球形成卷云的过程中发挥着主导作用，并且某些沙漠的效率远高于其他沙漠。它涉及到云创建。

为了探索风吹尘埃在形成卷云中的作用，Froyd 及其同事在 ATom 项目期间在 NASA DC-8 研究飞机上部署了一个定制的单粒子质谱仪，称为 PALMS，以测量化学成分遥远大气中的气溶胶颗粒。在 2016 年至 2018 年期间，ATom 飞行四次环绕地球，沿着太平洋和大西洋以及北冰洋和南大洋飞行。

在飞行过程中，PALMS 仪器不断地摄取大气中的粒子，一个接一个，使用激光将每个粒子汽化成各自的成分，然后再将它们送入质谱仪以揭示它们的化学特征。矿物粉尘只是这种强大的仪器能够识别的众多气溶胶类型之一。

研究人员在飞机采样的几乎每个高度和纬度都遇到了尘埃，包括南大洋、偏远的太平洋和南极洲。形成卷云的对流层上层存在的尘埃水平非常低，远低于卫星可以观测到的水平，但无处不在。即使在低浓度下，尘埃也被发现在控制云特性方面发挥着重要作用。

2016 年 8 月 ATom-1 期间的尘埃气溶胶测量和模拟。将太平洋盆地 (a) 和大西洋盆地 (b) 上空的机载现场测量与两个模型进行了比较。飞行轨迹通过在对数尺度上测量的尘埃质量浓度着色。背景阴影显示模拟的灰尘浓度，在飞机位置绘制为垂直窗帘。图片来源：K. Froyd 等人，自然地球科学，2022

在 ATom 期间收集的大量尘埃测量结果被纳入一个详细的大气模型，该模型能够模拟卷云的形成，以量化尘埃对全球卷云的影响。尽管在对流层上部测量到微量的尘埃气溶胶，但尘埃仍然足够丰富，可以在包括南半球在内的整个热带地区的所有季节推动卷云的形成。

建模结果还表明，沙漠地区顺风的气象环境对于卷云的形成比简单的尘埃排放量更重要。例如，撒哈拉沙漠占全球尘埃排放量的 60%，但只有一小部分尘埃垂直输送到对流层上层的寒冷温度中，在那里它可以播下构成卷云的微小冰晶。相比之下，干对流和亚洲夏季风有助于更有效地吹散来自中亚的尘埃。

能够在模型中正确模拟尘埃丰度和卷云的形成对于理解卷云在气候中的作用非常重要。云强烈影响调节地表温度的太阳辐射平衡，但云和云的形成仍然是气候系统的一个鲜为人知的方面。与我们在低海拔看到的反射阳光的蓬松白云不同，高海拔卷云通过捕获原本会逃逸到太空中的热量，对我们的气候产生净变暖效应。矿物尘埃在控制全球范围内卷云形成方面的惊人作用确立了尘埃在地球气候系统中的关键作用。

“随着气候变化，世界范围内的沙漠正在发生变化，沙尘排放也随之变化。这些新发现有助于将我们的注意力集中在卷云形成方面最重要的沙漠，”弗洛伊德补充道。“这些结果对气溶胶和云科学界来说是一个惊人的信息，我们需要改进我们在气候模型中对尘埃和云形成的处理，以更准确地预测当前和未来的气候。”

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