北極： 一方凈土難自守

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生活在當下的人們或許早已對霧霾、污染這些辭彙爛熟於心，或許早已習慣於打開手機查看空氣質量和天氣情況。有人說大氣污染是我國大城市的「通病」，但你是否想過，在遙遠的極地，冰天雪地里同樣會有大氣污染的出現？

大氣污染無國界

大氣氣溶膠，指的是大氣中固態顆粒物（沙塵、有機物、碳粒、無機鹽等）、小液滴（水和一些物質的溶液）等懸浮在大氣中，以氣體為載體形成的多相混合體系。這些顆粒物的粒徑很小（0.1-100微米），一般肉眼難以看到，除非聚集形成大範圍、高濃度的粒子群，比如沙塵暴、霧霾、焚燒煙塵等。

大氣氣溶膠種類複雜，根據來源大體可以分為自然源和人為源兩大類。自然源氣溶膠為自然現象所產生，包括被風帶入空中的沙塵和土壤等地表物質、森林火災與火山爆發排放的煙塵、海浪濺沫等。人為源氣溶膠主要由人類活動產生，包括道路揚塵、煤和石油等燃燒和工業活動所產生的固體煙塵顆粒等，以及人為活動產生的二次顆粒物等。我們所說的霧霾污染，一般指的是以人為排放的煙塵、二次顆粒物等細顆粒物為主的氣溶膠，會極大地影響能見度和人體健康。

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極地是地球上為數不多的「凈土」，但也正是這個原因，極地對大氣環境的變化十分敏感。既然極地遠離人類集中生活的區域，為什麼還會出現大氣污染？這是因為大氣的流動性，中高緯度地區產生人為源或自然源氣溶膠，其中一些較細小的顆粒物會被輸送到高層大氣，之後隨著大氣環流到達地球其他區域。

對於北極地區來說，本地產生的主要是自然源的海鹽氣溶膠和冰雪粒子等，而從歐洲、亞洲和美洲等地傳輸而來的氣溶膠則可能包括燃燒煙塵、二次氣溶膠等污染物。這些顆粒物到達極地，除了造成環境問題，還會對區域性氣候帶來影響。例如，主要來源於燃燒排放的黑碳氣溶膠，對太陽輻射有較強的吸收能力，當黑碳存在於極地大氣中，會吸收能量而加熱大氣；當黑碳降落到極地冰雪表面，則會降低地表反射率，增強地表吸收熱量，加劇冰雪融化，進而影響全球氣候。

外部傳輸細顆粒物成為極地大氣污染主因

那麼，這些由外部傳輸而來的氣溶膠對極地氣候和環境的影響如何評估？近期，中科院空天信息研究院環境遙感技術研究室聯合美國、加拿大等國家的科研團隊，利用全球氣溶膠觀測網 AERONET 在北極地區的長期遙感數據，首次反演獲得了北極地區高氣溶膠濃度下的整層大氣氣溶膠化學成分含量，包括黑碳、棕色碳、沙塵、海鹽、硫酸鹽類（散射性細粒子）和水的柱質量濃度。該研究成果發表於 Nature 集團出版刊物Scientific Reports。

圖1 研究選擇的北極地區8個觀測站點

此次研究選擇了北極圈內的8個長期觀測站點，分布於美國阿拉斯加州、加拿大北部、格陵蘭、俄羅斯北部、北歐等地區，以及北冰洋上的部分海島。研究發現，北極地區高濃度污染氣溶膠的成分中，質量佔比最高的是散射性細粒子成分，質量比例平均達到68%。其他成分含量則相對較少，特別是自然源為主的沙塵和海鹽成分。黑碳和棕色碳成分，雖然含量較低，但對太陽輻射吸收的貢獻高達98%。

結合後向軌跡模擬（HYSPLIT）分析，科研人員發現了兩類北極地區典型污染氣溶膠的主要來源和成分特徵：一類是來源於歐洲大陸的污染氣溶膠，其中散射性細粒子成分的質量佔比高達90%；第二類是來源於北美、東亞的生物質燃燒氣溶膠，其中碳質成分含量較高。

圖2 北極地區高濃度氣溶膠成分反演結果：（a）總質量濃度及各成分比例；（b）黑碳、棕色碳和沙塵的光學吸收；（c）氣溶膠吸光模型與儀器觀測值對比

圖3 北極地區污染氣溶膠成分干物質質量濃度（TMCdry）及污染來源後向軌跡分析

在此基礎上，研究人員對北極氣溶膠的光學、微物理、化學和輻射特性進行了系統性的分析。研究結果顯示，北極地區的氣溶膠光學厚度（反映氣溶膠總量）和細粒子消光比例均表現出了一定的隨空間和季節變化的特徵，這些變化與氣溶膠的遠距離傳輸密切相關，反映了北極地區大氣顆粒物污染的主要特點。研究發現，高污染氣溶膠基本由細顆粒物主導，細粒子對氣溶膠總消光的貢獻達到90%以上。另外，輻射計算結果表明，高濃度氣溶膠對北極地區大氣層主要表現出正輻射強迫，其中絕大部分來源於黑碳成分的貢獻，反映了這種強吸收性成分對極地大氣的增暖作用。

結語：

隨著氣候變化和環境污染等問題越來越全球化，如今北極地區也難以倖免。面對地球的這些「疑難雜症」，應該如何進一步用好「遙感」這個強大的工具診斷病情，以便對症下藥，是遙感科學工作者們需要認真考慮和解決的問題。

作者：謝一淞

來源：中國科學院空天信息研究院（籌）