目前的气候模型低估了黑碳气溶胶的变暖

烟灰从柴油发动机中冒出来，从木柴和粪便燃烧的炉灶上升起，并从炼油厂烟囱中射出。根据最近的研究，空气污染，包括烟尘，与心脏病，某些癌症有关，而在美国，每年有多达150,000例糖尿病。

除了对健康的影响之外，大气科学家称之为黑碳，是一种强大的全球变暖因子。它吸收太阳光并在大气中捕获热量，仅次于臭名昭着的二氧化碳。“美国国家科学院院刊”最近的一篇评论称，烟尘的吸光量是“大气气候科学面临的巨大挑战之一”。

华盛顿大学圣路易斯工程与应用科学学院助理教授Rajan Chakrabarty和Chakrabarty实验室国家科学基金会博士后研究员William R. Heinson接受了这一挑战并发现了一些关于煤烟的新知识，或者更确切地说，一种描述其吸收光能力的新法则：光吸收定律。有了它，科学家们将能够更好地了解烟尘在气候变化中的作用。

该研究被选为“编辑建议”，于11月19日在线发表在“物理评论快报”上。

由于其能够吸收阳光并直接加热周围空气，气候科学家将烟灰纳入其模型 - 计算系统试图复制现实世界的条件 - 然后预测未来的变暖趋势。科学家利用现实世界观察对其模型进行编程。

但是关于如何将烟灰的光吸收结合到这些模型中还没有达成共识。他们过于简单地对待它，使用球体来代表纯黑色碳气溶胶。

“但自然很有趣，它有自己增加复杂性的方法，”Chakrabarty说。“按质量计算，你发现的所有黑碳中有80%总是混合在一起。它并不完美，就像模特对待它一样。”

将颗粒与有机气溶胶混合或涂覆，所述有机气溶胶与来自燃烧系统的烟灰共同排放。事实证明，当用这些有机材料涂覆时，黑碳吸收更多的光，但是吸收增强的大小取决于存在多少涂层而非线性地变化。

Chakrabarty和Heinson想要弄清楚涂层量和烟灰吸收光能力之间的普遍关系。

首先，他们创造的模拟粒子看起来就像在自然界中发现的那样，具有不同程度的有机涂层。然后，使用从Chakrabarty的分形工作借来的技术，团队经历了严格的计算，逐点测量粒子中的光吸收。

当他们将吸收量与有机涂层的百分比作图时，结果是数学家和科学家称之为“普遍幂律”。这意味着，随着涂层量的增加，烟灰的光吸收量会按比例增加。

(正方形的长度和面积与普遍幂定律相关：如果你将正方形边长加倍，则面积增加4。边的初始长度无关紧要，关系将是永远等待。)

然后他们转向由不同研究小组完成的工作，他们测量了从休斯顿到伦敦到北京的全球环境烟尘光吸收。Chakrabarty和Heinson再次绘制了吸收增强对涂层百分比的影响。

结果是一个通用幂律，其模拟实验中的三分之一比例相同。

Chakrabarty说，由于烟尘中光吸收的增加有很多不同的值，气候建模者很困惑。“我们到底做了什么?我们如何解释模型中的现实?

“现在你有秩序混乱和法律，”他说。“现在你可以用计算上廉价的方式应用它。”

他们的研究结果还指出，气候模型可能低估了由于黑碳引起的变暖。假设这些颗粒的球形并且没有适当地考虑光吸收增强可能导致显着降低的加热估计。

太平洋西北国家实验室综合气溶胶模型MOSAIC的高级科学家和开发人员Rahul Zaveri称这一研究结果是一项重要而及时的进展。

“我对新参数化的数学优雅和极高的计算效率感到特别兴奋，”他说，“一旦开发出涂层黑碳颗粒对光散射的伴随参数化，这在气候模型中就可以很容易地实现。”

来自黑碳研究先驱的反应

“这篇论文强化了科学，并肯定了黑碳作为气候变化的重要推动者的作用，”斯坦福大学土木与环境工程教授兼大气/能源项目主任Mark Z. Jacobson说。

“本文结合数据和高度详细的模型，不仅表明以前发现的强烈气候影响得到了支持，而且在之前的一些研究中甚至可能低估了它们，因为许多先前的研究没有考虑到黑碳颗粒的实际形状和由此产生的混合物。“

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