了解气溶胶的不确定性 | One Earth 3月刊论文精选

迷·雾

随着2023年和2024年的气温大幅超过之前的纪录，并首次超过《巴黎协定》设定的升温1.5°C的目标，一个可怕的问题出现了：气候变化是否在加速？答案似乎是肯定的，气溶胶可能是罪魁祸首。总体而言，人为气溶胶具有降温作用，但它们与气候的相互作用受到的限制很小。最近国际社会为清洁空气所做的努力可能无意中减少了它们的冷却影响，从而导致了变暖。改进气候预测取决于解决气溶胶-气候相互作用中的关键不确定性。

气溶胶是大气中微小的液体和固体颗粒的一个不同类别，正如Trude Storelvmo在本期的一篇Q&A中所指出的那样，“每升空气中约有一百万个”。天然气溶胶，如海浪、灰尘和火山灰，占大气气溶胶质量的大部分。人为排放增加了这种混合，并体现了气溶胶的一个关键特征：颗粒可以在大气中迅速形成，并以复杂的方式从人类世大气中发现的污染气体、水蒸气、生物化合物和其他前体分子和颗粒的混合物中进化而来。例如，化石燃料燃烧过程中共同排放的二氧化硫可以在云滴内氧化成硫酸，然后与稳定分子聚集在一起形成新的硫酸盐颗粒。这些颗粒可能通过进一步冷凝或与其他现有颗粒凝结而生长；当它们通过天气系统在大气中运输时，它们会进一步进化。粒子如何在我们复杂的大气中形成、生长、老化和分散仍然有些神秘。在本期的综述中，Manavi及其同事强调了气溶胶颗粒类型、大小和浓度在空间和时间尺度上的多样性。

气溶胶以多种方式影响气候。它们可以通过散射和反射入射的太阳辐射直接影响大气吸收的太阳能量，或者像深色颗粒的情况一样，通过吸收入射太阳能的某些波长并将其作为热量重新发射。王及其同事在本期的研究表明，除了更常见的研究黑碳外，深棕色碳气溶胶也对气候变暖产生了重大影响。气溶胶也间接影响气候，这些影响更大，也受到更大的不确定性的影响。气溶胶颗粒可以作为水蒸气凝结或冰形成的核心，如果条件合适，可能会增加云量。气溶胶播下的云通常比其他情况反射更多的阳光，但非常高的云实际上可能会在大气中捕获热量。降水影响和反馈增加了另一层复杂性。气溶胶颗粒浓度和尺寸分布是控制云形成和行为的重要变量，如上所述，我们对这些变量仍然知之甚少。大气模型也很难预测气溶胶将如何影响云的形成。因此，气溶胶对全球气候模型造成了最大的不确定性。

从根本上讲，减少不确定性需要更好的气溶胶位置数据。由于气溶胶在大气中的寿命有限，其气候影响随着颗粒本身的“老化”和随时间变化而演变，因此限制其气候影响需要填补重要的观测空白。卢布娜·达达在本月Voices的文章中强调了实验室室内实验对于直接观察前体气体如何发展成气溶胶粒子的重要性；One Earth最近的工作深入研究了气溶胶在城市和野火环境中的形成和演化。解决地理差距也很重要。在研究不足的地区，特别是气溶胶排放变化迅速的地区进行能力建设至关重要。在Voices的另一篇文章中，N'Atchoh-Toure描述了空气质量监测器网络如何填补非洲气溶胶浓度数据的关键空白。最后，虽然通过卫星传感器的遥感不能直接表征气溶胶，但它可以提供更连续的全球数据，说明气溶胶如何过滤大气中的光，这是气溶胶含量和浓度的一个有价值的指标。持续的国际合作和对这些资源的支持至关重要。

通过改进观测数据并借助计算能力的进步，模型在模拟气溶胶对气候的直接和间接影响方面越来越好。值得注意的是，更高分辨率的全球气候模型越来越能够代表真实的云行为。将微观尺度气溶胶过程的高度详细模型的见解与更大的天气和气候模型相结合仍然是一个需要持续努力的领域。然而，本期的大多数文章都强调，填补数据空白对于改进模型和减少气溶胶的不确定性仍然至关重要。

好处数不胜数。最明显的是，更好地约束气溶胶对气候的影响意味着，将改进气候对其他影响因素（如二氧化碳排放）敏感程度的预测。这直接影响到气候减缓政策与《巴黎协定》限制变暖目标的接近程度。与此相关的是，正如Andrew Gettelman和Ralph Kahn在他们的Commentary中所说，了解气溶胶对于在不久的将来“临近预报”气候至关重要。最近创纪录的变暖完美地说明了气溶胶-气候相互作用的快速变化：高温可能部分是由2020年生效的国际航运排放空气质量法规和减少气溶胶引起的海洋云量造成的。更好地预测区域气溶胶排放变化将如何加剧或缓解极端气候，将有助于政策制定者规划气候风险。最后，随着世界将平流层气溶胶注入和海洋云层增亮视为限制变暖的潜在地球工程策略，准确预测有意气溶胶排放如何与全球和区域气候相互作用变得更加重要。在本期的第二次问答中，Shuchi Talati描述了气溶胶的不确定性是国际社会在太阳能地球工程方面必须考虑的风险的重要组成部分。

最终，持续努力减少气溶胶的不确定性对于精确的气候预测和有效的缓解策略至关重要。在我们结束这篇社论时，反思国际合作和承诺对于维护和扩大气溶胶观测工具和模型网络的重要性，感觉既必要又明显。美国国家海洋和大气管理局、美国国家航空航天局和能源部国家实验室是此类努力的典范。然而，美国现任政府大幅削减预算和人员的政策，将使地球观测事业蒙上阴影。气溶胶只是大规模扰动地球系统的一个组成部分，试图逆转数十年的监测与知识积累进程，无疑反映出极度短视的判断。One Earth的编辑们想借此机会与众多批评者一道谴责，这些选择将严重限制我们实现可持续和公平世界的能力。

One Earth 3月刊已于3月21日上线

我们特意为大家精选了发表在 One Earth 2025年3月刊的18篇文章，供大家详细了解。

由于气溶胶对辐射强迫、云动力学和区域气候变化的复杂影响，与气溶胶相关的不确定性使未来的气候预测变得非常复杂。这个声音问：关键的知识差距是什么，我们如何解决这些差距？

评论文章：气溶胶对“临近预报”气候至关重要

气溶胶是地球能量平衡的关键部分，并且正在迅速变化。通过地面、空中和太空的连贯观测系统，结合预测模型，监测地球的能量预算、云和气溶胶，对于及时更新气候“临近预报”是必要的。

综述文章：大气气溶胶空间变异性：对空气质量和气候变化的影响

大气气溶胶每年在全球造成数百万人死亡，并在气候变化问题中发挥着重要作用。细颗粒和粗颗粒气溶胶来自自然来源和人为活动，可以直接排放或在大气中形成。由于气溶胶的来源及其二次形成物在全球范围内分布不均，其浓度、成分和特征表现出显著的空间变异性。了解这种空间变异性对于部署成功的缓解策略至关重要，这些策略将改善空气质量，帮助最大限度地减少气候变化。本综述总结了我们目前对不同尺度气溶胶质量和数量浓度变化的理解和相应的知识差距。改进现有的建模工具可以减少气溶胶影响程度的不确定性，而遥感、低成本传感器和国际合作可以弥合发展中国家和偏远地区的测量差距。

综述文章：加强蓝碳科学的建议

蓝碳（BC）栖息地（如红树林、潮汐沼泽和海草）是重要的二氧化碳汇，但也是地球上受威胁最严重的生态系统之一。过去十年的大量研究对不列颠哥伦比亚省进行了量化，以评估与栖息地保护和恢复相关的气候效益。然而，不列颠哥伦比亚省科学的指数级增长导致了不同的方法，阻碍了研究之间的比较，增加了不确定性。在这里，我们综合了现有数据，以描述与不同BC方法相关的不确定性范围，并认为与多种方法相关的累积偏差可能导致BC估计值差异高达10倍。我们确定了14种可以改进的常见研究程序，以加强不列颠哥伦比亚省的生物物理评估，支持不列颠哥伦比亚省项目的实施，并概述了使研究与政策、管理和伦理价值观相一致的良好做法。实践的标准化将有助于产生高质量的BC项目，这些项目可以为人类和环境带来多重共同利益。

前瞻文章：通过重新造林改变森林管理：在全球变化下加强生物多样性、复原力和生物圈可持续性

森林对生物多样性、气候稳定和人类福祉至关重要，但气候变化和传统林业实践带来的压力越来越大，威胁着森林的复原力和可持续性。全球约30%的森林被集中管理，通常作为单一栽培种植园，损害了生物多样性保护、碳固存和生态系统稳定性。在这里，我们建议将受野化启发的林业作为一种转型方法，以恢复生态系统过程和恢复力。通过强调营养复杂性、自然干扰和物种扩散，受野化启发的林业可以增强生物多样性，增加有弹性的碳储存，提高社会生态弹性。我们为实施提供了切实可行的建议，包括促进自然再生、重新引入关键物种，并在必要时采用辅助迁徙。我们还讨论了这一迫切需要的系统转型中固有的生态、经济、社会文化和政策挑战和机遇。我们呼吁全球致力于重塑受启发的林业，将其作为保护区的补充战略，为管理人类世的可持续森林景观和生物圈提供基于自然的解决方案。

前瞻文章：修复创新：融合微生物记忆以增强珊瑚的韧性

珊瑚礁受到许多气候和人为压力，导致珊瑚礁大规模退化和严重的社会生态危机。珊瑚礁恢复是一个不断发展的领域，它采用积极的管理方法来缓解和扭转退化。目前，恢复技术旨在建立多个珊瑚群落和物种的复原力。虽然这是一种必要的方法，但也需要在单个菌落内整合适应性灵活性的技术。在这里，我们提出了克隆珊瑚的融合，使其适应具有功能不同的微生物组或其他表型特征。如果成功，这可以为融合珊瑚提供适合不同环境情景的多样化反应库，从而创造可扩展、可持续的珊瑚种群。然而，珊瑚生物学的许多基本方面仍未得到解决，限制了这些技术的实施。我们为评估和实施我们的技术提供了一个完整的框架，作为一个积极的案例研究，以促进珊瑚恢复和重建的创新。

原创研究：生物质燃烧产生的深棕色碳有助于全球范围内的显著正强迫

森林火灾、农业燃烧和其他火灾产生的生物质燃烧会释放出可以吸收阳光并导致气候变暖的颗粒物。多年来，人们的注意力一直集中在这些颗粒物的“黑碳”（BC）成分上，这种成分被认为具有很高的变暖潜力。然而，最近人们的注意力已经转移到包括褐碳（BrC）材料，这是一种不太为人所知的材料。BrC被认为在吸收可见光方面效率不高，容易发生光漂白，因此与BC相比，其变暖效应相对较小。然而，最近的证据表明，有一种特定类型的BrC，即暗BrC（d-BrC），它不溶于水，可以吸收整个可见光和近红外光谱的阳光，使其变暖潜力复杂化，从而使我们准确预测气候影响的能力复杂化。在这里，使用计算模型来模拟d-BrC对太阳吸收的贡献，结果表明d-BrC实际上能够引起与BC相当的大量大气变暖。将这一新见解纳入模型，解决了与大气测量的一些差异，这些差异尚未被其他因素解释。考虑d-BrC的影响将改善气候评估，并有助于为针对火灾排放的缓解政策提供信息。

预览文章：揭示深棕色碳：生物质燃烧产生的隐藏的吸光气溶胶

全球野火严重程度的上升凸显了棕色碳气溶胶的显著变暖影响。新的发现揭示了不溶于水的“深棕色碳”焦油球，其吸收的光比之前研究的水溶性棕色碳多得多，这是全球地球系统模型中一个主要的未知因素。

原创研究：能源密集型室内种植推动大麻产业碳足迹不断扩大

美国迅速扩大的大麻生产产生的未量化的温室气体排放阻碍了政策制定者、行业利益相关者和消费者应对气候变化的努力。室内种植也会对室内外空气质量、电网、废物产生、用水、能源成本、工人安全和环境正义产生更糟糕的结果。可持续解决方案的主要障碍包括补贴和其他市场扭曲、消费者和生产者意识低、公共产品研究禁运以及药物和环境政策不协调。这种生命周期排放分析包括能源和其他种植投入、运输、零售和废物处理。合法和非法大麻生产商的国家排放量超过了其他一些行业，几乎占日常消费者家庭碳足迹的一半。由于这些排放量中约90%来自室内生产商，因此政策重点应放在那里。

原创研究：边境保护区的全球格局揭示了跨界保护工作的差距

大自然不承认政治边界。然而，大多数保护政策是在国家层面制定和实施的，邻国不对称的保护努力可能会破坏跨界野生动物和生态系统的保护。在这里，我们关注边境保护区（BPA）——跨界保护最重要的工具之一——以确定其全球分布模式的差距。我们发现，约36%的陆地国际边界受到至少一个国家的保护，但只有11%受到两个邻国的保护。邻国普遍存在的不对称保护努力凸显了合作共同保护共享野生动物和生态系统的重要性。保护区覆盖率较高、治理较强、人口增长率较低的国家更有可能保护其边境地区，这表明目前的边境保护程度主要取决于社会经济因素，而不是保护需求。因此，双酚a并没有被建立在最需要的地方，因为45.2%的高保护价值边界缺乏保护，特别是在中亚、东南亚和非洲。总之，目前的BPA不足以保护全球生物多样性，在保护工作有限的生物多样性边境地区，有必要制定超国家保护政策并加强跨境合作。

原创研究：土地-大气相互作用减轻了土地利用和覆盖变化的直接地表干燥效应

土地利用和覆盖变化（LUCC），如将森林转变为农田或城市地区，对环境有着深远的影响。这些变化直接影响陆地水循环，进而影响土壤湿度，可能使土壤干燥，损害粮食生产、生态系统健康和水资源可用性。土地利用的变化也会影响气候，形成反馈回路，对当地和偏远地区的土壤湿度产生间接影响。然而，直接和间接影响的平衡仍然未知，因此很难自信地设计出具有净积极成果的土地使用政策。研究表明，虽然间接反馈抵消了全球平均的直接干燥效应，但某些地区的干燥加剧了。这些发现可以帮助政策制定者和其他利益相关者设计可持续的土地使用管理，以支持可持续发展目标等全球目标。

原创研究：美国联邦和国家以下各级联合气候行动为空气质量和健康带来了巨大的共同利益

燃烧煤炭和汽油等化石燃料会向大气中释放温室气体和空气污染物，这会导致气候变化，并对人类健康产生不利影响。鼓励向清洁能源过渡的政策可以帮助应对气候变化，改善空气质量，同时保护公众健康。然而，由于涉及许多不同的利益相关者（如联邦、州和地方政府），每个利益相关者都做出了涉及补贴、授权和法规的各种政策选择，如何有效地将这些行动结合起来以最大限度地提高健康效益仍然是一个挑战。我们的研究结果表明，一种涉及每个人的全面方法——联邦政策以及州、城市、企业和社区的行动——可以显著减少美国各地空气污染造成的过早死亡。到2030年，这将使每个州的健康状况提高21%，几乎所有县的健康状况都将提高29%。最有效的措施将因地区而异，具体取决于当地的能源和受污染影响的人口统计数据。

原创研究：城市化导致的区域变暖与城市扩张率不成比例

在短短几十年内，人们从农村大规模迁移到城市地区，导致了预计在未来几十年内将持续的快速城市化。快速的城市化虽然有利于经济增长，但也造成了一些社会环境问题，特别是城市热岛（UHI），这可能会在变暖的世界中加剧极端高温风险。研究发现，城市植被变化、城市微气候和城市增长率等各种因素都会影响城市变暖。然而，城市温度变化对城市化的敏感程度仍然知之甚少，而城市化是制定有效降温策略的关键。通过量化城市化对近地表气温的敏感性，这是一个与人类热感知更相关的指标，我们发现，尽管城市化在城市变暖中起着主导作用，但由于广泛的农村森林覆盖和更潮湿的气候，城市化率较低的城市可能会经历更明显的变暖敏感性。城市规划者在制定降温计划时必须仔细考虑潮湿的气候，特别是对于非洲和东南亚等未来的城市化热点地区。

原创研究：室内热量和能源负担能力之间的相互作用放大了美国湿热气候区的家庭风险

在气候变化的影响下，住宅极端高温是一个日益严重的威胁，但许多家庭负担不起给家里降温的费用。相互交织的热能负担已成为美国的一个紧迫问题。在这种情况下，家庭可能会牺牲其他关键费用来支付能源账单或节省能源账单，但要承受不安全的室内温度。家庭还可能面临复合的热量和能源负担，他们同时有负担不起的账单和炎热的房屋。了解这些权衡是如何形成的，是设计和部署有效冷却策略的关键。然而，这种权衡仍然没有得到充分探索，因为其潜在机制复杂、难以衡量，而且往往受到家庭层面（如经济状况、住房特征）和全社会（如建筑环境）混合因素的影响。利用温湿度传感器数据和从湿热气候地区的57个美国家庭收集的深入参与式调查，我们确定了两种类型的热能负担和四种因果途径，这表明需要根据风险是暴露还是脆弱性驱动而采取不同的应对方案。

原创研究：全国范围的测绘显示了卢旺达采砂活动、人类土地利用和水文之间的联系

卢旺达是撒哈拉以南非洲人口密度第二高的国家，致力于到2035年成为中等收入国家。实现这一社会经济重要目标的关键途径是发展道路、住房和建筑等基础设施。这些基础设施的建设需要一个关键成分：沙子，这是水泥的重要组成部分。来自采矿业的沙子供应已经造成了许多恶劣的社会环境问题，迫切需要改善治理。至关重要的第一步是准确监测采砂活动，然而，这在很大程度上是缺失的。利用深度学习技术，我们在2008年和2023年在卢旺达创建了一张基于航空和卫星的厘米级高分辨率采砂图。发现了快速增长和广泛的采矿活动，有近4000个矿场，其中一些正在向农田推进。我们的可扩展监测方法为政策制定者和规划者提供了宝贵的工具，以平衡社会经济发展与环境保护。

对话高层：Trude Storelvmo：气溶胶、不确定性和未来变暖

奥斯陆大学地球科学系的大气科学家Trude Storelvmo教授最近与One Earth谈到了气溶胶的影响及其在地球气候系统中的不确定性。

对话高层：Shuchi Talati：考虑太阳能地球工程中的不确定性

Shuchi Talati博士是The Alliance for Just Deliberation on Solar Geoengineering (DSG) 的创始人兼执行董事。她也是探索气候冷却计划监督委员会的成员，也是美国地球物理联盟“气候干预研究、实验和部署的伦理框架”的撰稿人。她最近与One Earth就不确定性对太阳能地球工程治理的影响进行了交谈。

视觉地球：Twin Cloud (大气炼金术)

云在调节地球气候方面起着至关重要的作用。它们是由气溶胶形成的，气溶胶可以来自海浪、火山以及岩石和土壤中的灰尘等自然来源；或者它们可以通过人类活动人工配制，包括化石燃料燃烧、工业生产和交通排放。在混合的自然和人为气溶胶的化学成分和大小分布高度可变的情况下，云非常复杂，给地球的气候动力学带来了很大的不确定性。Twin Cloud，由艺术科学团队Black Void创建的数据生成艺术项目，从卫星上获取数百个城市的气象数据，生成数字云雕塑。每个数字云的形状、运动、颜色和纹理与各种气溶胶特征有关，包括温室气体、污染物、湿度、温度和位置。随着有毒化学物质的积累，例如这里展示的代表与工业活动相关的气溶胶和云形成的1型数字云，双云将气溶胶的色调可视化，并可以从柔软/稀疏状态转变为混乱/暴力状态。