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又双叒叕寒潮,一项Nature研究发现“隐形帮凶”,你意想不到

2021-10-23  学术头条

撰文:XT
编审:寇建超
排版:李雪薇


作为一种常见的污染物,微塑料不仅会对生态环境造成污染,而且对人体和其他生物体的健康也存在着不可估量的危害。

这种粒径小于 5mm 的颗粒,具有来源广、环境存在周期长、易迁移、比表面积大、容易富集污染物等特点,从海洋深处到珠穆朗玛峰顶,从家里水龙头流出的自来水到鱼类等海鲜类食物,这些无法降解的微塑料已悄无声息地从环境进入生态系统,进入人体。

实际上,微塑料也被认为是大气中广泛存在的污染物,由于其体积小、密度低,它们可以随风绕地球扩散,近些年已经出现在全球各地的空气中。

除了对人体造成的直接危害,最新研究提出,微塑料还会影响全球气候。

近日,来自新西兰坎特伯雷大学的 Laura E. Revell 等人发表的一篇模型研究认为,
大气中的微塑料或许能通过反射阳光辐射,对气候产生微小的冷却效果,由于微塑料的持续累积,未来可能会展现出更强的气候效应。

该研究首次对空气中微塑料的直接全球气候影响进行了计算。相关研究论文也以 “Direct radiative effects of airborne  microplastics” 为题,发表在了 Nature 上。


图 | 以前研究报告的空气微塑料浓度(来源:该论文)


研究发现,尽管目前还没有对空气中的微塑料进行取样和分析的标准程序,但空气中微塑料的测量浓度因采样地点、气象条件和使用的分析方法的不同而存在数量级的差异。数据显示,北京和英国伦敦空气中测得的微塑料浓度最高,分别达到每立方米 5650 个和 2502 个微塑料。

研究人员表示,在一些地区测得的高浓度也可能是由于采样点的位置处于特大城市的原因。相比之下,偏远地区的环境中空气传播的微塑料浓度通常较低,在法国大西洋沿岸的陆上风中测得的微塑料浓度平均为离岸风中测得的三分之一。

微塑料竟使气候变冷?

提到大气中悬浮的颗粒物,人们不禁会想到气溶胶,空气中的气溶胶粒子是由极性气体凝聚而成,其粒径大小从几纳米至几百微米不等。已有研究表明,大气中的气溶胶通过散射并吸收太阳和地面辐射,可以导致大气变暖或变冷,这取决于颗粒大小、形状、成分以及大气和地表条件。

相比之下,空气中的微塑料尺寸通常在 15 至 250 微米之间,比其他类型的大气气溶胶大一到两个数量级。气溶胶通过自身的光学性质和改变云的性质,对气候的影响引起了国内外研究学者的关注。大气中的气溶胶,如矿物粉尘和其他类型的空中颗粒物,通过吸收和散射辐射(直接辐射效应)对地球气候产生影响,其影响通常用有效辐射强迫(ERF)指标来量化。

这些粒径更大的微塑料又是否会对气候有所影响?为此,研究人员对空气中的微塑料对全球气候的直接辐射效应进行了近似分析,计算了无色素碎片和纤维这两种最常见的微塑料的光学特性,并将这些光学特性纳入一般循环模型(GCM),以计算空气传播的微塑料的 ERF。

微塑料通常根据其形态类型被归类为碎片、纤维和薄膜。研究人员在对微塑料的光学特性进行分析时,充分考虑了微塑料的形状特征。为了评估空气传播的微塑料对全球能量平衡的影响,使用了英国气象局和统一模型伙伴关系开发的哈德利中心全球环境模型第三版全球大气模型(HadGEM3-GA7.1)进行模拟。

无色素的微塑料碎片和纤维的散射截面表明,微塑料能有效地散射紫外线(UV)和可见辐射,这本身就会对地表气候产生冷却影响。然而,吸收截面数据显示,微塑料吸收红外辐射,包括在 8 至 12 微米的大气窗口,在地球的大气中很少有其他物种吸收,微塑料又可能对温室效应有所贡献。


图 | 微塑料碎片和纤维的光学特性(来源:该论文)


研究人员假设大气表面微塑料平均浓度为每立方米 1 个微塑料颗粒,且垂直分布高达 10 公里高度,计算出空气中微塑料的 ERF 为 0.044±0.399 毫瓦/平方米。

然而,微塑料的地理和垂直分布存在很大的不确定性。假设大气中的微塑料仅存在于边界层,短波效应占主导地位,微塑料 ERF 约为每平方米 -0.746±0.553 毫瓦。与气溶胶辐射相互作用引起的总 ERF相比,微塑料的 ERF 还很小。

总的来说,Revell 等人发现大气中的微塑料主要在大气底层散射太阳辐射,表明这些微塑料可能会对地面气候有微小的冷却效果。但作者指出,因为目前数据不足,这一效应的确切规模尚存不确定性。他们还发现根据不同假设,微塑料的变暖效应会抵消掉不少冷却效应。

微塑料 ERF 对微塑料的垂直分布高度敏感,因为长波辐射效应取决于气溶胶的大小,同时也取决于温度等大气条件。研究人员表示,未来的研究确定微塑料是否分布在整个对流层是制约微塑料 ERF 的关键。

潜在影响还需更加深入的研究

研究人员也表示,关于微塑料对气候的变化影响还需要进一步的研究。为更加准确地反映全球平均水平,需要在一系列城市和偏远地区进行更广泛的实地研究,以更好地了解空气中微塑料在地理和垂直分布方面的浓度。

随着世界各地进行的研究越来越多,分析方法不能仅局限于微傅里叶变换红外光谱分析等方法,必须得到进一步改进和标准化,以便科学家们能够准确地测量空气中的塑料。

该研究中计算的微塑料光学特性是基于纯聚合物的折射率,这是唯一可用的与波长相关的数据。研究人员表示,还需进一步的研究来评估颜料与聚合物结合时可能的折射率范围,以及由此产生的微塑料 ERF 的范围。

此外,
该研究只考虑了微塑料的直接辐射相互作用,微塑料与云的相互作用可能也很重要,特别是在南大洋这样的地区,云对冰核颗粒的浓度非常敏感。最近的建模表明,各大陆从海洋中管理不善的塑料垃圾中收到的微塑料比它们一年生产的还要多。

微塑料不仅经久耐用,而且根据目前的塑料生产和废物管理趋势,预计在未来 30 年内,垃圾填埋场和环境中积累的塑料数量将增加一倍。因此,空气中的微塑料污染在未来也将变得更加严重。

研究人员在论文末尾警告,未来的研究应该评估微塑料是否会影响区域气候,人为气溶胶已经与极端高温的变化有关,而微塑料也可能同样影响当地和区域气候。
在城市环境中尤其如此,空气中的微塑料已经达到每立方米数百至数千个微塑料颗粒的数量,并且可能已经对大气的加热和/或冷却产生局部影响。

参考资料:
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03864-x

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