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大气中黑碳的危害

Steve Warren和他的朋友们利用春假进行了海岛游,但是他们并不是去享受日光浴的,来自华盛顿大学西雅图分校的这个科研团队前往了位于加拿大境内的北极地区,在那里,他们挖掘冰雪中残留的黑碳,并采集了数百个样本带回实验室。这次考察的目地就是要把隐藏在冰雪中的黑碳找出来。
这些黑色颗粒物的主要成分是煤炭,大部分源于燃油发动机、燃煤电厂、秸杆焚烧、南部森林火灾的不完全燃烧。盛行风将这些黑碳以及其他污染物带至北极,并形成一层肮脏的黄色烟雾,直到暴风季节来临时才能将它们吹散。Warren的研究小组前往北极就是为了收集残留在冰雪中的黑碳颗粒。
北极上空出现这种气态烟雾的现象由来已久,但是科学家们直到现在才意识到煤烟(s o o t)的特殊性和潜在危害。黑碳,正如其名,会吸收太阳光。当这些颗粒物漂浮在空气中时,会使大气温度升高;而当它们沉降至地面时,则会加速冰雪的融化。相类似地,深色的土地和深色的水体会大量吸收太阳光的能量,并加速区域温度的升高。近期的研究显示,黑碳在北极变暖过程中起了推波助澜的作用。煤烟危害着世界各地的环境质量。在东南亚,研究发现,煤烟污染了印度洋季风带来的潮湿空气,使高山上的冰川消融,致使数十亿人口因缺水而面临饮水困难。
从这一点来讲,科学家们缺乏有力的证据来评估黑碳对气候变化造成的影响到底有多大。一些研究指出,鉴于其对气候变化的巨大贡献,黑碳可能会成为继二氧化碳之后,第二大危害物质。这两种污染物之间存在明显的差别。煤烟在空气中的悬浮时间仅为数周,而二氧化碳分子则可以在空气中存在几个世纪。这就意味着对黑碳的治理可以立即显现在气候变化的结果中。由于黑碳对公共健康的危害也不容忽视,因此,将黑碳纳入气候变化政策的可能性也被大大提升。加里福尼亚州斯克里普斯海洋研究所的大气环境学家Veerabhadran Ramanathan说,令人感到迫在眉睫的是:到现在为止,我们在二氧化碳减排问题上还没有什么实质的进展。相对而言,控制煤烟的排放则显得简单而可行。我们不需要花费30年,甚至100年的时间去完成减排工作。如果你立即停止排放煤烟,那么它在两周内就会消失。

模糊不清的数据
在黑碳引起学术界的广泛兴趣之前,Warren已在很早之前就开展了相关的前期研究和观测。1980年,来自克罗拉多州国家大气研究中心的Warren Wiscombe和他共同开展合作,他们发现很难对冰雪的反射率进行数学模型的模拟。从北极观测到的冰雪反射率数据与数学模型的计算结果大相径庭,在他们的模型计算中冰雪的反射率明显低于实际情况。Warren指出,我们认为所采集的样本位于柴油发动机的下风向,是造成这种偏差的主要原因。
华盛顿大学的Antony Clarke是第一个开展北极地区黑碳沉降研究的人,他通过收集科研考察队在不同季节前往北极后采集回来的冰雪样本,进行黑碳研究。为此,Wa rr en前去与他进行探讨。基于这些样本数据,Clarke于1985年发表的研究成果指出,黑碳对北极地区的气候影响是存在的。但是他的研究报告鲜有人问津,直到JimHansen向全球发出了首个关于二氧化碳威胁论的警示后,人们才逐渐意识到这个问题的严重性。
2000年,任职于纽约Goddard空间研究所的Hansen大胆地提出了一个论断:减缓全球变暖的最快且最直接的方法就是减少黑碳、甲烷及其他对变暖做出巨大贡献的污染物的排放,这些物质更容易被控制,且取得的实际效果比减少二氧化碳排放来得更显著。随后,相关的研究报告也得出了相同的结论。基于早前对加里福尼亚州烟雾事件的研究结果,斯坦福大学加里福尼亚分校的Mark Jacobson在随后几年的研究中验证了Hansen的假设。自此以后,他成为了提倡减少黑碳排放的号召人,并于2007年受邀在加里福尼亚州民主党参议员Henry Waxman主持的州议会上进行了学术报告。Waxman现已成为美国白宫能源和商业委员会的主席。上周,美国众议院在审议气候变化政策时,他就曾要求美国环境保护署分析黑碳政策的可执行性。
Jacobson计算认为,人为排放的各种大气污染物的数量足已使全球温度升高2℃。其中约有一半的影响被其他大气污染物抵消了,包括硫酸盐和浅色煤烟颗粒,这些物质可以通过反射太阳光或形成云团,使地球降温。Jacobson评估认为,总的来说,温度升高0.75~0.85℃是可以肯定的,其中有0.25℃来自黑碳的贡献。
Jacobson说<换句话说,如果能对煤烟加以控制,那么我们至少可以避免30%的全球变暖幅度。如果黑碳对造成北极地区温度升高的巨大贡献被证实的话,那么采用这种有针对性的控制措施则可以减缓北极地区的冰面融化速度,至少温室气体减排条约在全球范围内得到确实履行之前,我们可以采取这样的折中措施。目前我们还无法把致冷剂注入大气中,因此,这是我们唯一可以采用的方法。
近期,一项关于北极地区的研究也有力地证实了Jacobson的推断。来自Goddard学院的模型专家Drew Shindell,利用海洋-大气气候模型模拟和评估了20世纪以来黑碳对气候的影响。他的研究结果显示,亚洲的黑碳排放量增加以及硫酸盐的减少,对北极地区变暖的贡献率达到了45%。Ramanathan在全球评估报告中指出,黑碳对变暖的贡献率达到了0.9w/m2,远远超过甲烷的贡献率。
以上这些数据均高于政府间气候变化委员会(IPCC)于2007年公布的评估报告中的数字。IPCC也曾对黑碳造成的全球变暖进行过分析,但是,并没有将黑碳导致的冰雪融化速度加剧纳入评估范围,贡献因子达到0.05至0.35w/m2。根据IPCC的评估结论,大气污染物造成的影响,包括黑碳的热吸收作用以及一些浅色颗粒物的光反射作用,叠加后造成的全球变冷幅度将达到0.5w/m2,这已足够抵消约1/3的由 CO2造成的温度升高的影响。但是,这个估算结果是建立在一个非常不确定的估算因子之上的,即温度降低的贡献率为0.1~0.9w/m2。另外,研究人员也没有把大气污染物对云团颗粒物的间接影响考虑在内。上个月,国际气候与环境研究中心的模型专家Gunnar Mybre试图将这些不确定因子加以限定。他对比了全球大气模型与美国国家航空航天局(NASA)的地面观测系统的监测数据。在细数了监测系统观测到的历史排放情况和模型模拟的计算数据后,Myhre将温度降低的贡献率因子调整为0.3w/m2,并将IPCC定义的不确定范围缩小了一半。在对这个结果作出解释的时候,Myhre强调指出,工业化时代,黑碳的排放强度增加了6倍,而同时,具有反射作用的大气颗粒物则仅增加了3~4倍。

有关黑碳的一些问题
尽管很少有人对黑碳在冰雪覆盖地区所表现出来的升温效果提出质疑,但是一些科学家却发现,对黑碳应采取何种政策颇受争议。无论是现在还是过去,由物理或化学过程导致的黑碳排放到底对大气和冰雪融化造成了多大的影响,始终没有一个确切的说法。
Hansen指出,一些人对黑碳的评估有些“过了头”。他认为温室气体是造成全球和北极地区变暖的主要原因,而甲烷则排在第二。他同时指出,煤烟仅对冰雪的影响较大,因此,Shindell将煤烟的贡献率排在第四,是不切实际的。Hansen说,假如温室气体的影响可以得到控制,那么控制黑碳的排放就是我们下一步工作的重点。所有这些不确定性都使我们的关注焦点转移到了固体颗粒物的信息收集上,这就是Warren和他的同事于2006年前往北极进行黑碳沉降科考的原因所在。自此以后,他们从西伯利亚、格陵兰岛、阿拉斯加以及北极地区采集样本。在4月份的一次考察中, 他们租用了一架滑雪直升机,在加拿大西北部地区开展科考,期间他们曾降落于湖泊、海洋冰面以及永久性冻土上,以采集黑碳样本。该小组采集的每一个样本均包含了整个冰雪季的雪样,这样能收集到沉积在冰雪中的各种类型的黑碳样本。他们打算将这些新的数据输入气候模型,以便模型学家计算出黑碳对气候变化产生的实际影响。
Warren带回来的样本只能代表一部分。科学家们已通过地面监测、航空监测和卫星遥感等技术,观测大气中煤烟的污染程度。但是,由于煤烟的特殊性质,黑色的外表,导致监测工作的开展异常困难。
NASA希望在明年正式启用Glory望远镜之前,能将黑碳的全球观测体系建立起来。通过对7种波长的光(从可见光到短波)的扫描,自动采样监测仪可以监测大气中的黑碳。Goddard研究所的Brian Cairns指出,尽管它不能对特定纬度上的黑碳数量进行精确的测量,不过可以对沉积在地表的总浓度进行监测。
来自格陵兰岛地下深处的样本也证实了黑碳对环境的影响,这些深埋地下的冰层样本中记录了自工业革命以来,每年沉积在北极冰雪中的黑碳数量。2007年,来自内华达州沙漠研究所的水动力学家Joe McConnell,计算了冰芯中所含的黑碳浓度,该冰芯采集自格陵兰岛中部,它完整保存了自1788年以来的黑碳沉积记录。他发现,在1850~1910年期间,黑碳的浓度增加了7倍。冬季,该现象特别明显。直到1950年,煤烟的浓度开始有所下降,且直到工业化前,浓度始终都没有升高。这些数据,以及采自格陵兰岛的第二个冰芯数据,均与北美地区煤烟的历史排放现状吻合。
上个月,北极八国委员会决定对造成北极变暖的黑碳及其他大气污染物采取有效的削减措施。这一决定使科学家们感到高兴,因为政府终于采纳了科学家们关于“黑碳和气候变化之间的关联性”的科学论断。放在委员会及各国政府面前的问题就是他们该采取怎样的措施。
黑碳,主要成分以煤烟为主,是一种无处不在的、因不完全燃烧而产生的污染物质。其主要来源包括森林火灾、机动车污染、燃煤电厂以及许多其他污染源。煤烟有两种形态,一种是黑碳,另一种则是具有降温效果的浅色颗粒物。厨房油烟和柴油引擎燃烧排放的煤烟主要以黑碳为主。减少黑碳的排放并不是一个技术问题,现代化的厨房用具及过滤设备,完全可以解决这个问题。因此,政府的决策和资源使用才是关键问题。
供职于华盛顿特区管理与可持续发展研究所的Durwood Zaelke指出,控制黑碳的排放或许可以成为减缓气候变化的最有效、最快的方法。我们所需要的是强有力的政策支持。
自1800年以来,全球的煤烟排放量呈稳定上升的趋势,近几十年来,排放的主要源头从工业化国家转向了发展中国家。计算实际排放量的确存在困难,但是,来自伊里诺伊斯大学的TamiBond评估认为,柴油燃烧和家用燃料使用(包括煤、木炭、农业秸秆燃烧)各占黑碳总排放量的1/4左右,约40%的排放量来自森林野火和受控的农作物燃烧,剩下的排放量则来自工业部门。工业化国家要首先将化石燃料淘汰,并减少农业污染的排放。但是,减排的重点主要集中在发展中国家。我们希望,各界对气候变化的关注能推动燃料燃烧的减排措施,并淘汰低能效的家用厨房用具。
现在我们就有一个很成功的范例。加里福尼亚大学博克利分校的农村能源专家Kirk Smith说,中国在1980~1990年期间,投资约1.5亿在农村推广使用清洁能源的炉子。Smith与当地社会团体合作,推广使用燃烧清洁生物质燃料的炉子。这样做可以减少二氧化碳、甲烷和其他有害物质的排放。推动这项工作的最大动力在于保护公众健康,减少温室气体的排放,但是,减少黑碳的排放并未成为该项目的主要目的。Smith说,这种污染物在大气中的悬浮时间只有一个月左右,我们必须利用它的这个特点来进行污染控制。
仅从表象来看,格陵兰岛冰芯记录的数据与当前黑碳的实际浓度之间并不十分吻合,因此,难以将黑碳视作造成北极升温的主要原因。近几十年来,北极的温度疾速上升,但黑碳的浓度却回归到历史同期水平。
McConnell从所采集的两组冰芯数据中得出的关于黑碳的结论,有些过于强硬。目前,他已着手研究另一组采集自阿拉斯加的冰芯样本。冰雪中记录的煤烟数量,取决于黑碳的排放量以及传输方式。从目前的研究来看,在数点之间的传输过程中,黑碳的形态是不会发生改变的。

冰雪融化是首要问题
北极圈的大气循环可能会在某些地方发生改变,而我们也无法简单地用格陵兰岛来代表整个北极地区。我们通常会用这样的借口来解释现今出现的一些变化。另一个可能的解释就是:现在的北极地区比过去更加脆弱、更加敏感,数十年的持续变暖使北极地区的春天来得更早。
Andreas Stohl是Norwegian研究所大气研究室的研究人员,他曾对黑碳进入北极的途径进行过研究。他指出“假如冰雪早几天融化的话,那么它将对北极地区的生态带来巨大的影响。”“同样的情况也发生在海冰的融化问题上。尽管海冰迟早会融化,但是,黑碳却加速了海冰的融化速度,并提前了融化开始的时间。这将造成巨大的影响。”
2008年,Stohl开展了一项名为POLARCAT的研究项目,通过汽艇和望远镜观测,收集北极地区的大气颗粒物。项目收集了许多来自西伯利亚农业活动及开放燃烧源排放的烟气样本。这些数据支持了Warren及其同事的研究结论,即燃烧释放的黑碳,是造成北极地区冰雪融化速度加剧的主要原因,而不是工业排放。
这些令研究人员感到吃惊的结论,可以为我们解释为什么黑碳的浓度在持续减少的同时,却仍对温度变化产生如此巨大的影响。当北极处于暗无天日的冬季时,农业火灾很少发生,这个时候黑碳对气候的影响很少。但是,春季和夏季随着农业活动的增加,煤烟颗粒物对冰雪融化的影响逐渐增大。
在亚洲的东南亚地区,印度和中国是两个处于快速发展阶段的国家。大量煤炭和燃料燃烧用于供给工业生产,而木炭和农业秸秆的焚烧则为家庭取暖和烹饪提供能源,因此,在那里情况截然不同。在中国,由于炉子的生火速度缓慢,导致40%的黑碳污染来自烹饪。而在印度、巴基斯坦和孟加拉国等地,2/3地区都是采用这种烹饪方式的。加里福尼亚Lawrence Berkeley国家实验室的研究人员Surabi Menon,是第一个与Hansen一起在东南亚地区进行黑碳影响研究的人。利用通用的气候计算模型,他们测试了2002年大气颗粒物对气候的影响。研究发现,黑碳及其他颗粒物加剧了中国北部地区的干旱及南部地区的洪灾。Menon近期完成的一些模型计算结果显示,在过去20年间,黑碳对全球1/3的冰川退化负有一定责任。
Ramanathan于2006年3月带领研究小组在印度洋上空,利用汽艇收集黑碳样本。基于这些数据,他认为黑碳对喜马拉雅山脉的影响会加倍:除了直接对冰川产生影响外,黑碳及其他大气污染物会减少印度洋季风期的降雪量。其产生的影响之一就是,印度洋上空漂浮的黑碳颗粒会大量吸收太阳光,使海洋表面处于蔽阴状态,从而减少了海洋的蒸发量。同时,陆地的温度下降后导致印度洋上空盛行的季风被削弱。总的来说,这些影响会导致降水量和降雪量的减少,致使冰川消融。
目前,Ramanathan与来自中国、印度、日本、韩国的科研人员开展合作,研究黑碳对喜马拉雅山脉及当地淡水资源的影响。研究小组还发现,煤烟对埃佛勒斯山峰(位于喜马拉雅山脉)也造成了影响。
Ramanathan说,我们在海拔3000~6000米处发现了许多黑碳颗粒,这与我们在洛杉矶中心城区观测到的现象非常相似。他认为,黑碳问题已在全球范围内蔓延。Ramanathan非常肯定地认为,尽管黑碳在亚洲东南亚城市地区产生的影响并不那么容易观测到,但是现在非常有必要对其采取行动。他还说,政策,我们现在非常需要强有力的政策支持。不过要感谢上帝,我不是一个政治家。



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