云的秘密：植物释放的碳氢化合物如何塑造我们的天空

根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的最新预测，到 2100 年，全球气候将比工业化前水平变暖 1.5 至 4.4 摄氏度。这一数字是基于各种假设情况得出的，这些假设情况描述了人为温室气体排放在未来的发展情况。因此，在最好的情况下，如果我们能够快速、彻底地控制排放，我们仍然可以实现《巴黎协定》规定的 1.5 摄氏度的目标。在最坏的情况下，我们将远远超过这一目标。

然而，这种预测也存在一定的不确定性。例如，在最坏的情况下，如果排放量继续急剧增加，气温升幅可能低至 3.3 摄氏度，也可能高达 5.7 摄氏度，而不是 4.4 摄氏度。

在预测温室气体排放的具体发展将导致气温如何变化方面存在的这些不确定性，主要是由于科学家尚未完全了解大气中发生的所有过程--大气中各种气体和气溶胶之间的相互作用。日内瓦欧洲核子研究中心（CERN）核研究中心的大气研究人员开展了一项国际合作项目--CLOUD 项目（宇宙离开室外的液滴），其目的就是建立这些过程。PSI 协助建造了 CLOUD 试验室，并且是该项目的指导委员会成员。

卢布娜-达达（Lubna Dada）在大气化学实验室研究气溶胶的形成和化学成分等。图片来源：保罗-舍勒研究所/马库斯-菲舍尔

云层形成之谜

尤其是未来云层的形成方式，目前在很大程度上仍然是个谜。然而，这是预测气候的一个关键因素，因为更多的云会反射更多的太阳辐射，从而冷却地球表面。

要形成构成云的水滴，水蒸气需要凝结核，即可以在其上凝结的固体或液体颗粒。这些颗粒由各种气溶胶提供，气溶胶是直径在 0.1 到 10 微米之间的微小固体或液体颗粒，由自然界和人类活动产生并释放到空气中。这些微粒包括海洋中的盐分、沙漠中的沙子、工业和交通产生的污染物或火灾产生的烟尘微粒等。

然而，约有一半的凝结核实际上是在空气中由不同的气态分子结合成固体时形成的，专家将这种现象称为"成核"或"新粒子形成"（NPF）。一开始，这些颗粒非常微小，仅有几纳米大小，但随着时间的推移，它们会通过气态分子的凝结而长大，然后成为凝结核。

可以闻到的温室气体

导致颗粒形成的主要人为气体是以硫酸形式存在的二氧化硫，主要来自煤炭和石油的燃烧。其中最重要的天然气体是所谓的异烯烃、单萜烯和倍半萜烯。这些都是主要由植被释放的碳氢化合物。它们是精油的主要成分，例如，当我们割草或在树林中散步时，就会闻到精油的味道。当这些物质氧化，即与臭氧发生反应时，就会在空气中形成气溶胶。

PSI 的大气科学家 Lubna Dada 说："应该指出的是，由于环境立法更加严格，近年来空气中二氧化硫的浓度已经大幅下降，而且还将继续下降。另一方面，萜烯的浓度正在增加，因为植物在承受压力时会释放出更多的萜烯--例如当气温升高、极端天气增多、植被更频繁地遭受干旱时。"

因此，改善气候预测的一个大问题是，哪种因素将占主导地位，导致云的形成增加或减少。要回答这个问题，我们需要知道这些物质中的每一种如何促进新粒子的形成。人们已经对硫酸有了很多了解，而单萜和异戊二烯的作用现在也有了更好的认识，这要归功于实地测量和 PSI 参与的 CLOUD 等室内实验。

倍半萜稀有但有效

"到目前为止，倍半萜还不是研究的重点。"达达解释说："这是因为它们很难测量。首先是因为它们与臭氧的反应速度非常快，其次是因为它们出现的频率远远低于其他物质。"

每年地球上大约会释放 4.65 亿吨异戊二烯和 9100 万吨单萜，而倍半萜只占 2400 万吨。尽管如此，这些化合物在云的形成过程中发挥着重要作用。根据测量结果，在相同浓度下，它们形成的微粒是其他两种有机物质的十倍。

为了确定这一点，达达和她的合作者使用了欧洲核子研究中心（CERN）独一无二的 CLOUD 试验室。该试验室是一个密封的房间，可以模拟不同的大气条件。这个气候室有近 30 立方米，是全世界同类气候室中最纯净的。纯度如此之高，以至于即使在大气中记录到的浓度很低的情况下，我们也能对倍半萜烯进行研究。

这正是这项研究的目的所在。这项研究旨在模拟大气中生物颗粒的形成。更具体地说，研究人员有兴趣研究没有人为二氧化硫排放的前工业时代。这样就能更清楚地确定人类活动的影响，并预测未来。然而，人为排放的二氧化硫早已在大自然中无处不在。这也是为什么只有云室才可行的另一个原因。它还可以在受控条件下产生工业化前的混合物。

持久性微粒带来更多云层

实验发现，异戊二烯、单萜烯和倍半萜烯的天然混合物在纯净空气中氧化会产生大量有机化合物，即所谓的 ULVOC（超低挥发性有机化合物）。顾名思义，这些有机化合物挥发性不强，因此能非常有效地形成微粒，随着时间的推移，这些微粒会逐渐增大，成为凝结核。当研究人员将倍半萜添加到仅有异戊烯和单萜的悬浮液中时，倍半萜的巨大作用就显现出来了。即使只添加 2%，新粒子的形成率也增加了一倍。这可以用这样一个事实来解释：倍半萜分子由15个碳原子组成，而单萜烯只有10个碳原子，异戊烯只有5个碳原子。

一方面，这项研究揭示了植被影响天气和气候的另一种方式。但最重要的是，研究结果表明，在未来的气候模型中，应将倍半萜作为一个单独的因素，与异戊烯和单萜烯并列，以使其预测更加准确。特别是考虑到大气中二氧化硫浓度的降低以及气候压力导致生物排放的同时增加，这意味着后者对未来气候的影响可能会越来越大。不过，还需要开展其他研究来进一步改进云的形成预测。大气化学实验室已经在计划开展这些研究。

大气分子过程组研究组长伊马德-埃尔-哈达德（Imad El Haddad）说："接下来，我们和我们的 CLOUD 合作伙伴希望调查在工业化过程中究竟发生了什么，当时自然大气中越来越多地混入了人为气体，如二氧化硫、氨和其他人为有机化合物。"