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火灾的影响可直达平流层

已有 681 次阅读 2020-1-15 16:51 |个人分类:《中国科学》论文|系统分类:论文交流

中科院大气物理所陈文教授评述火灾对全球气候变化的影响。相关文章近日发表于《中国科学:地球科学》中英文版。



自2019年9月以来,澳大利亚山火已经持续了四个月之久,巴西国家空间研究院下属的遥感部门于当地时间7日在社交媒体上表示,通过卫星影像可以发现,澳大利亚大火烟霾一路飘洋过海来到巴西最南端的南里奥格兰德州。

据路透社报道,澳大利亚大火已导致26人遇难,过火面积逾1000万公顷,相当于韩国的面积。死于大火的哺乳动物、鸟类和爬行动物估计达5亿只。受林火影响,澳大利亚多地被烟霾笼罩,首都堪培拉空气质量一度在全球主要城市中排名垫底。——人民日报海外网

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(图源:网络)


2019年夏季,全球多个地区火灾严重。加拿大不列颠哥伦比亚省、美国阿拉斯加、格陵兰岛部分地区等都遭遇野火燃烧,俄罗斯西伯利亚和远东地区发生森林火灾,南美洲亚马孙地区的森林火灾引起全球关注。

威力强大的山火可以形成火风暴,产生高大的火积云,像巨大的烟囱一样将燃烧产生的黑烟喷射进入平流层中。平流层由于没有明显的垂直运动,空气以水平运动为主,因此进入平流层的黑烟可以持续存在较长的时间。全球多个高灵敏度的卫星保持着对山火的监测,据2019年8月Science 出版的一篇文章揭示,2017年8月在加拿大西部不列颠哥伦比亚省发生山火燃烧,燃烧产生的烟羽在平流层的持续停留时间可长达8个月之久。烟羽的主要成分为有机碳以及黑碳,有机碳的一部分被称作褐碳,能够吸收太阳光蓝色以及紫外波段的辐射,由于参与大气光化学反应,褐碳生命期较短,只有几小时。相对褐碳,黑碳对几乎所有光谱段的太阳辐射都有吸收作用,因此其对大气的加热效应也更为持久。

进入平流层的黑碳可以通过加热周围空气,引起大气加热上升,将低层臭氧浓度低、水汽含量高的空气输送进入平流层,加热上升区域臭氧出现了约0.3ppmv的损耗,约占100hPa高度(距离地面约16km)臭氧浓度的50%;分析结果还显示出水汽含量增加(>5ppmv)。这些水汽和臭氧的异常是对流层大气输送进入平流层的结果,而非平流层中的化学过程引起,数值模拟结果表明2017年8月加拿大西部不列颠哥伦比亚省山火形成的黑碳气溶胶对当地平流层大气的加热达到7℃。

如果发生超级火山爆发,大量的二氧化硫气体将会被喷射入平流层,在平流层形成硫酸盐气溶胶,导致平流层中臭氧层的严重破坏。目前全球臭氧损耗正处于恢复时期,臭氧损耗物质在逐渐减少,但是在这期间发生的超级火山,很有可能中断臭氧的恢复。数值模式模拟表明,如果平流层中臭氧损耗物质只有20世纪90年代一半,一次超级火山爆发会造成全球平均臭氧含量6%的损耗。而当人造的臭氧损耗物质全部清除,只剩下自然排放源时,全球平均臭氧损耗为2.5%,这几乎达到了20世纪90年代臭氧损耗最严重时期赤道以外地区的臭氧损耗程度。

此外,人类核战争导致大规模城市、森林和有机质燃烧,也会将大量黑碳喷射进入平流层。一个广岛级别的小核弹(~1.5万吨TNT当量)引起的爆炸和熊熊烈火燃烧会将大约0.05Tg黑碳喷射入平流层; 一场小型核战争(仅发射100枚广岛级别核弹)在毁灭100个城市的同时,会将约5Tg的黑碳喷射进入平流层。模拟表明,战争10年之后,平流层还约有1.1Tg的黑碳存在。进入平流层的黑碳气溶胶引起到达地面的全球太阳辐射降低约8%,造成全球平均温度降低1.5℃以上,北半球中纬度地区臭氧损耗量达到30%~40%,北半球高纬度地区臭氧损耗达到50%~60%。

平流层大气的动力稳定性条件和水平环流,可以将局地的影响放大为区域甚至全球影响,并延长进入平流层的气溶胶的影响时间,使得平流层在气候变化中充当“放大器”的作用。在地球漫长的历史演变过程中,大规模火灾、活跃的火山活动、小行星撞击等都有可能将黑碳、硫酸盐等气溶胶粒子喷射入平流层,通过平流层环流输送到全球,影响地球系统的辐射平衡,放大成全球气候事件。

进入平流层的小粒子看起来像是微不足道的成分,在关键的节点上可能发挥关键的作用,造成剧烈的全球气候变化,其中仍有很多涉及辐射、光化学以及输送动力学等问题值得深入研究,科学届亟需关注对火灾影响全球气候的平流层过程,研究成果必将有利于深入了解地球气候系统并采取恰当趋利避害手段,维护地球环境、生态和气候系统的稳定。



文章信息:[点击下方链接可免费阅读原文]

中文版:魏科, 陈文, 徐路扬, 周春江. 2020. 平流层放大火灾的全球气候影响. 中国科学: 地球科学, 50(2): 318–320

英文版:Wei K, Chen W, Xu L,Zhou C. 2020. Stratosphere amplifies the global climate effect of wildfires. Science China Earth Sciences, 63(2): 309–311

 

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2 段含明 杨正瓴

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