美澳科學家赴南極洲捕捉大氣「清潔劑」 有助於改善全球氣候變暖預測

為了解天空如何自我清潔，澳大利亞和美國研究人員正前往南極洲追蹤大氣中的主要「清潔劑」。通過在極地冰層深處鑽探，科學家們希望確定自工業革命以來天空清除一些消耗臭氧層的化學物質和強效溫室氣體的能力發生了怎樣的變化，這些信息有助於改善全球變暖預測。

該項目的第一批成員本周前往位於東南極洲的鑽井現場Law Dome。在那裡，他們希望獲得關於主要大氣清潔劑(羥基自由基)濃度的第一個歷史數據。這種高活性分子由與氫原子鍵合的氧原子組成，可分解空氣中約40種氣體。它們包括甲烷和氫氟碳化合物，但不包括最普遍的溫室氣體二氧化碳。

儘管在過去四十年中已經使用其他大氣氣體的研究來推斷羥基的豐富程度，但大氣化學家仍將這種化學物質稱為「巨大的未知」。

倫敦帝國理工學院的環境科學家Apostolos Voulgarakis表示，「當談到羥基從前工業時代發展到今天時，我們或多或少處於黑暗中。」 「這項新的研究工作可以為更深層次的羥基變化提供前所未有的信息，非常令人興奮。」

高風險

在兩個半月的時間裡，該團隊將至少鑽兩個冰芯，如果時間允許則鑽三個冰芯，深度約為230米。然後它們將熔化冰芯，以提取在冰凍結時被困住的氣泡。這些樣本將代表大約1880年的大氣層，那時人類活動產生的溫室氣體排放還沒有開始增加。

在涉及紫外線、臭氧和水蒸氣的反應中，羥基自由基在大氣中形成。但是，由於自由基在與其他氣體反應並將其分解之前會持續約一秒鐘，作為替代，該團隊將測量一小部分含有碳-14同位素的一氧化碳。

「一氧化碳中的碳-14通過宇宙射線以已知的速率在大氣中產生，並且幾乎完全被羥基除去。因此，科學家可以利用其豐富的程度來推斷激進的趨勢。」澳大利亞Aspendale的聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)的大氣化學家David Etheridge說道，他是鑽井項目的共同領導者。

但是，測量含有碳-14的一氧化碳含量相當之棘手，因為大氣中只有幾公斤的含量，Etheridge說，「在過去的150年中，我們正試圖在南極冰層中測量一些。」

還有一種風險是，這些冰芯將受到外部來源宇宙射線碳-14的污染。這種高能輻射無法穿透冰層，但一旦冰芯被移走，它們就有暴露的危險。紐約羅切斯特大學的冰芯科學家聯合負責人瓦西里·佩特倫科說，這會干擾團隊試圖測量的信號。為了避免這種風險，研究人員將現場融化冰並提取空氣。

長期挑戰

西雅圖華盛頓大學的冰芯科學家團隊成員彼得·內夫說，組織設備完成這一任務，並將其運送到遙遠的冰原，一直是一個巨大的後勤挑戰。

拖拉機拉著裝有設備的巨型雪橇，來到距離最近研究站130多公里的Law Dome鑽井現場。並且需要團隊36天才能融化冰芯，才能獲得所需的空氣樣本。 「這是一場馬拉松，而不是衝刺。」內夫說。

該項目由澳大利亞南極分部和美國國家科學基金會共同資助。

一旦研究人員從南極洲返回，為了評估一氧化碳中碳-14的含量，該團隊將把氣體轉化為二氧化碳，然後轉化為石墨，從中可以測量同位素。然後，科學家們可以利用這些信息來推斷南半球的羥基水平是如何隨時間而變化。

模型的改進

到目前為止，有關羥基水平歷史趨勢的信息完全來自大氣模型;這些模擬表明，從1850年到20世紀70年代，當它們開始上升時，濃度保持相當穩定。 Voulgarakis說，這一增長主要是因為當時大氣變暖的加速。

CSIRO的氣候建模師Matt Woodhouse表示，從Law Dome收集的數據將有助於確定大氣模型是否正確地捕捉了這一趨勢，他將利用這些信息改進澳大利亞的全球化學氣候模型，稱為ACCESS。 「我們解決羥基的能力不會徹底改變氣候模式，但它會增加我們的信心。」

Voulgarakis表示，羥基的歷史和當前大氣濃度的精確資料，對於更好地預測其未來濃度是至關重要。他說，這將能夠更準確地預測未來影響氣候的大量氣體，例如甲烷，大氣最低層的臭氧和氣溶膠。這樣可以更容易地確定氣體對全球變暖的潛在影響。

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