目前的气候模型低估了炭黑气溶胶造成的气候变暖

目前的气候模型低估了炭黑气溶胶造成的气候变暖

光吸收定律的新发现有助于气候科学家建立更好的模型

煤烟从柴油发动机里喷出来，从燃烧木头和粪堆的炉灶里冒出来，从炼油厂的烟囱里冒出来。根据最近的研究，包括煤烟在内的空气污染与心脏病、某些癌症有关，在美国，每年有多达15万人患糖尿病。除了对健康的影响，被大气科学家称为黑碳的煤烟是一种强有力的全球变暖剂。它吸收阳光并在大气中吸收热量，其强度仅次于臭名昭著的二氧化碳。最近发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)杂志上的评论称，对于煤烟的光吸收强度缺乏共识是“大气气候科学面临的重大挑战之一”。

研究人员对烟尘挑战和发现新的东西,或者更确切地说,描述其吸收光的能力:光吸收定律。有了它，科学家将能够更好地理解煤烟在气候变化中的作用。由于其吸收阳光和直接加热周围空气的能力，气候科学家们将烟尘纳入他们的模型——试图复制真实世界条件的计算系统——然后预测未来的变暖趋势。科学家们用真实世界的观察结果来编制他们的模型。但是对于如何将煤烟的光吸收纳入这些模型还没有达成共识。他们过于简单化地对待它，用一个球体来代表纯黑碳气溶胶。但大自然是有趣的，它有自己的方式来增加复杂性，从质量上看，你发现的所有黑碳中有80%是混合的。它并不完美，就像模特对待它一样。

这些颗粒混合或涂上有机气溶胶，这些气溶胶与燃烧系统中的烟尘一起排放。事实证明，当黑碳被这些有机材料覆盖时，它会吸收更多的光，但是吸收增强的幅度是非线性的，这取决于有多少涂层存在。

研究人员想要弄清楚涂层数量和煤烟吸收光线的能力之间的普遍关系。首先，他们用不同程度的有机涂层制造出了模拟粒子，看起来就像自然界中发现的粒子。然后，利用Chakrabarty关于分形的研究中借鉴的技术，研究小组进行了精确的计算，逐位测量粒子的光吸收。当他们把吸收大小与有机涂层的比例画出来时，结果就是数学家和科学家们所说的“普遍幂律”。这意味着，随着涂层的增加，煤烟的光吸收按比例增加。正方形的长度和面积是由一个普遍的幂律关系来决定的:如果你把正方形的边长增加一倍，面积就会增加四倍。不管这条边的初始长度是多少，这种关系将一直保持下去。然后他们转向不同研究小组的工作，他们测量了从休斯顿到伦敦再到北京的全球范围内的煤烟光吸收情况。Chakrabarty和Heinson再次描绘了吸收增强对涂层百分比的影响。结果得到了一个与模拟实验中发现的三分之一比率相同的普遍幂律。

由于煤烟中光吸收增强的数值有如此之多，气候建模人员感到困惑。“我们到底要做什么?”我们如何解释模型中的现实?现在你可以以一种计算成本低廉的方式应用它。

他们的发现还指出一个事实，即由黑碳引起的变暖可能被气候模型低估了。假设这些粒子呈球形，而不适当考虑光吸收增强，可能会导致明显较低的加热估计。这一发现是一个重大而及时的进步。一旦被涂覆的炭黑粒子的光散射伴随参数化被开发出来，这种方法就可以很容易地在气候模型中实现。