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撒哈拉沙尘对人类健康有害,但对地球生态与气候至关重要

地球关注|2020-7-6 21:39

来源:国家地理|187人参与|0评论

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撒哈拉沙尘对人类健康有害,但对地球生态与气候至关重要

  2020年6月16日,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的一颗卫星捕捉到了从西非北部旋转而来的撒哈拉沙尘暴羽流。

  图源:NOAA

  6月21日,巨大的尘埃云横扫波多黎各,将夜空染成了乳白色。随后的几天,空气中的沙尘越来越浓。波多黎各大学大气化学家Olga Mayol-Bracero检查了她在该岛东北角运行的大气观测站的读数。她观测到了自其开始测量以来最高的数值。

  “天空和云彩都看不到了,只有灰蒙蒙的一层,”她说道。“这样的景象是我们前所未见的。”

  席卷波多黎各上空的沙尘是一片巨型尘埃云的前缘,它从撒哈拉沙漠穿越大西洋而来,飞行8000多公里,一直推进到了北美上空甚至更远的地方。

  事实上撒哈拉尘埃云无时不刻在整个洲际大陆漂移。每年,这些尘埃羽流从撒哈拉沙漠横扫而过,携带着大约1.8亿吨富含矿物质的沙尘。在数千公里外的下风处,这些细小的沙尘会慢慢降落,并影响降落地的生态和气候。

  但今年的尘埃云尤其值得注意,因为它可能是自1979年有卫星监测记录以来最稠密的一次。此外,它还携带了大量刺激肺部的细颗粒物向北美推进,在那里,慢性呼吸道疾病是致残和死亡的重要原因。

  正常的沙尘羽流是什么样子?这一次又有什么不同?

  北非广袤的干旱沙漠是全球最大、最持久的沙尘来源。沙丘本身通常不会产生沙尘;只有最猛烈的风才能吹起较重的沙粒。但是,细小的沙尘颗粒经常聚集在沙漠平缓的低洼处,这些地方在过去曾有水源。任何时候,只要一阵强风吹过,就会将大量的沙尘带到空中。

  在合适的条件下,通常是在晚春和初秋之间,大量的沙尘会被扫进“撒哈拉空气层”,这是一种热且干燥的空气层,通常聚集在地球表面1.6千米以上的高空,有时可达3.2千米厚。

  在夏天,每隔几天就会有一股沙尘流从沙漠滚来。一旦来自海洋的较冷气团将其推高到大气中,这些沙尘就可以漂浮几天,甚至几周,这取决于大气的高度和干燥程度。几天后,由东至西的信风将它吹过大西洋,吹向加勒比海和美国。随着尘埃云的移动,它的一小部分会以稳定的沙尘微粒雨的形式落下。

  通常,这些沙尘在距离地球表面千米的高空闪闪发光。但是今年的尘埃云不仅比平常大得多,位置也低得多。上周,当尘埃云在加勒比海和美国南部附近着陆时,沙尘雨比以往要更接近人类居住区。

  “就颗粒物而言,我们正在观察的参数已经达到了以前从未见过的峰值,”Mayol-Bracero说道。随着尘埃云在波多黎各上空沉降,整个波多黎各的空气质量跃升至“危险”状态。即使关着窗户,沙尘还是会钻进来;它附着在物体表面,然后被吸入人的肺部。

  沙尘危害健康

  撒哈拉沙尘羽流中的沙尘主要由曾构成岩石的微小矿物组成。通常,当一股羽流经过西班牙加那利群岛时(加那利群岛位于沙漠源的下风区几百公里处),大部分落下的沙尘直径都小于20微米,只有肉眼可见微粒的一半大。羽流穿过海洋到达加勒比海时,降落的沙尘就更微小了——直径不到10微米——有些未降落的尘埃甚至比这还要微小。

  科学家早就知道吸入细颗粒物对肺部有害。有害微粒的来源有很多:燃烧的化石燃料和农业污染物都会向空气中释放对肺部造成刺激的微粒。而尘埃云在推进的过程中,会对下风区居民的健康造成严重损害。

  本周发表于《自然可持续性(Nature Sustainability)》杂志的一项研究中,科学家追踪了来自乍得博德莱洼地(Bodèle depression)的沙尘流的影响,这是世界上最大、最著名的沙尘源之一。它甚至能够飘到遥远的格陵兰岛和南美洲,但其羽流在西非和撒哈拉以南非洲最稠密,破坏性最强。那里的空气有时充满了沙尘,让人难以呼吸。

  科学家们追踪了15年来沙尘对非洲大陆下风区空气质量影响的记录。他们发现空气中沙尘的密度与新生儿能否活过一年有着密切关系。在西非,如果沙尘使空气变厚约25%——每立方米空气中多出10微克沙尘——婴儿存活的可能性就会降低18%。

  “‘吸入沙尘有害’是一种笼统的说法,”该研究的作者之一、加州大学圣地亚哥分校的环境科学家Jen Burney表示。“但现在我们可以肯定地说,当这些羽流经过不同的地方时,确实会产生不同的影响。婴儿在某些地方死亡率高,”这是额外的沙尘负荷造成的。

  Burney称,现在这种规模的尘埃羽流如同如同一个沙尘集中输送系统,而这些沙尘微粒会对对人类的呼吸系统造成伤害。呼吸系统疾病是全球死亡和残疾的主要原因,包括美国在内。众所周知,暴露在恶劣空气质量下十分危险,科学家认为,长期暴露在恶劣空气中会增加死于新冠肺炎的风险。

  肥料雨

  正常情况下,横扫北非的尘埃羽流不会像这次那样稠密,也不像这次那样低至地面。但是,每一波羽流冲击都会影响到一些地方的生物和气候,而这些地方往往距离尘埃源头有几千公里远。

  “我经常听到这样一种误解,哦,这是来自撒哈拉沙漠的沙尘,是世界末日的征兆!”德克萨斯大学奥斯汀分校的气候科学家Geeta Persad说道。“这的确是一场非同寻常的尘埃羽流,因为它非常庞大,但这其实并不罕见,每年都会发生。”

  形成撒哈拉尘埃羽流的矿物颗粒通常富含铁和磷;陆地植物和海洋浮游植物的生长都离不开这些物质。当沙尘从移动的羽流落下并降落在阳光照耀的海面时,它会为生活在海面的光合作用生物提供养分,而这些生物通常都急需这些营养元素。2014年的一项研究发现,大西洋中光合作用生物可利用的铁中,有超过70%来自撒哈拉沙尘。

  亚马逊同样受这些沙尘的滋养。热带雨林是世界上最具生物生产力的地方之一,但其土壤中缺乏对树木生长至关重要的某些元素,尤其是磷。大部分盆地的泥土中没有足够的磷来支持植被生长,而雨林的一个关键特征——雨水——又会以最快的速度将任何未使用的磷冲走。

  如此贫瘠的土壤是如何孕育出如此丰富的亚马逊生物的呢?一些科学家猜测,其营养来源可能是数百万年来漂浮在大西洋上空的微粒。这些微粒中含有磷。2015年,一个研究小组计算得出,沙尘微粒中的磷基本上可以填补雨林对磷的需求与贫瘠土壤中磷含量之间的缺口。

  风暴抑制器

  许多科学家认为,在大西洋流域的高层大气中的沙尘起到了另一个作用:它有助于抑制热带气旋的形成和增强。

撒哈拉沙尘对人类健康有害,但对地球生态与气候至关重要

  2020年6月24日,哈瓦那,人们在观看撒哈拉尘埃云笼罩之下的奇异日落。沙尘在向北推移到美国大陆之前席卷了加勒比海。

  图源:RAMON ESPINOSA, AP PHOTO

  这些充满沙尘的气层,就像如今这个携带着巨型尘埃云的气层一样,通常是极其干燥的——这为热带风暴敲响了丧钟,因为热带风暴的形成需要大量湿热水汽。因此,如果一场正在发展中的风暴在大气中向上生长,撞上了尘埃层,干燥的空气就会将其掐灭,就像火焰失去了维持燃烧所需的氧气一样。

  尘埃层通常是由快速移动的风推动的,这就是为什么它们能在短短几天内横跨大洋。一场风暴变成滔天的旋风之前,如果其顶端碰上这样携带尘埃的干燥强风,就不会继续加强。

  就目前来看,这是个好消息,因为预计今年的飓风季节将比往常更加活跃。应急管理人员深切关注重大飓风对北美的影响,尤其现在情况特殊,新冠疫情将使灾后恢复工作更为复杂。但气象学家称,沙尘季节在6月和7月冲击力最强,而飓风季节在8月和9月达到顶峰,因此现在发生的任何潜在的抑制效应都可能是暂时的。

  气候未知因素

  人类为遏制气候变化所做的努力可能会决定未来尘埃羽流的频率和浓度。

  康奈尔大学的气候科学家Natalie Mahowald表示:“20世纪以来,空气中的沙尘确实有所增加。”其中约一半的增长可能来自于气候变化;另一半则可能受到撒哈拉沙漠土地利用变化的影响,因为来自农业和人类压力增加了。

  如果未来沙尘增多会对气候产生多大的影响,现在还不完全清楚,因为沙尘既能使地球变暖,也能使其变冷。当浅色的尘埃羽流飘过海洋时,它们会反射太阳传入的热量,否则这些热量将被深色的海洋表面吸收。但是当尘埃在其他明亮的表面如雪或冰上聚集时,它会吸收太阳的热量,加速冰的融化。

  沙尘还会改变不同类型的云的形成方式。有时沙尘会形成一堆反射云,转移多余的热量,有时它会在地表附近形成云层,吸收热量。

  沙尘与气候还有更为复杂的相互作用方式。首先,沙尘能为进行光合作用的生物体提供丰富的养分,在合适的条件下,它可以刺激种群大增长,从而将二氧化碳从大气中抽走。沙尘的肥力可能促使大气中至少四分之一的二氧化碳发生变化,从而让地球迈入最后一个冰河时代。

  “这类现象的威力是如此强大,”Mahowald说道。“大气层(其实是地球本身)竟然可以将物质输送到如此远的地方,还会带来如此巨大的影响,这太神奇了。”

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