科学家利用天文台研究原始空气污染情况

照片来源:路透社/BRUNO KELLY

受强风和无情阳光的折磨，于尔根·凯塞尔迈尔在一月份花了两个小时爬上了一座4米宽的骨架状塔内的楼梯。随着他爬得越来越高，潮湿的森林地面的气味逐渐消散，风也变得越来越大。当凯塞尔迈尔爬上塔顶向下看时，绿色的“海洋”是广阔无边的。然而，他去那里不是为了看风景，而是为了呼吸稀有的空气。

德国马克斯·普朗克化学研究所的植物学家凯塞尔迈尔是刚刚在亚马逊塔天文台(ATTO)建成的德国-巴西合作小组的负责人之一。自去年8月以来，研究人员已经通过公路和河流将塔架组件运输到偏远的森林深处。马克斯·普朗克化学研究所的负责人迈纳特·安德烈亚说，零件在那里组装成“巨大的建筑模型”。ATTO耗资940万美元，比埃菲尔铁塔还高，它将允许科学家收集原始空气样本，研究雨林如何形成自己的天气并影响全球碳循环。与此同时，一个名为Go Amazon2014/5的姐妹项目利用飞机和地面站来监测未受污染空气的严重威胁:位于亚马逊盆地中心、拥有200万人口的马瑙斯市的污染云。

去ATTO就像回到过去。巴西圣保罗大学的大气物理学家保罗·阿尔塔索是ATTO团队的成员，也是果阿马津的研究员，他说亚马逊流域850万平方公里中只有17%有人居住。“几乎82%的森林完全保持了1000年前、2000年前和3000年前的状态。”这片森林上方的空气提供了一扇了解前工业化世界的窗户。

为了采样空气，ATTO团队希望找到一个不受人类活动影响的铁塔地址，比如砍伐森林、污染、建筑等，并希望几十年内没有人会入侵。然而，为了建造一个实用的实验室，ATTO必须离马瑙斯足够近，才能在一天内到达并返回。最终位置在马瑙斯东北150公里处，更重要的是，它位于城市的逆风方向，这使得科学家可以在大约6小时内乘车或乘船到达该处。

亚马逊河流域原始空气的独特之处之一是缺少气溶胶。这些微粒周围的水蒸气可以凝结成云。哈佛大学的环境化学家兼果阿马津的研究员斯科特·马丁说，即使在北美相对未受污染的地区，每立方厘米的空气中也有大约2000个微粒。在亚马逊盆地，每立方厘米空气中只有大约300个微粒。

在世界大部分地区，气溶胶来自灰尘、野火产生的烟雾以及城市和工业污染物。亚马逊盆地的大多数气溶胶来自雨林。植物不断释放细菌、孢子和挥发性有机化合物(如异戊二烯和萜烯)形式的微生物。凯塞尔迈尔解释说，他们用这些来保护自己，并与其他植物交流。上述一些化学信号遇到上升气流，并与氧气和其他气体发生反应，从而产生复杂的气溶胶粒子，形成雨云。

阿尔塔索说，与其他陆地上形成的云相比，亚马逊的云“非常独特”。它们的顶部相对较低，类似于海洋云，它们形成的雨滴非常大，因为云附近很少有气溶胶粒子。Artaxo解释说，当世界上更多的地方被森林覆盖并且没有污染时，研究亚马逊盆地仍然原始的云可以帮助科学家理解控制气溶胶排放、云形成和降雨的过程。

冲刷ATTO的空气与其工业化前状态的一个关键区别是，由于人类活动，其二氧化碳含量高出约50%。ATTO还将研究亚马逊河如何帮助减缓二氧化碳的增加，以及它在未来是否会继续这样做。雨林从空气中吸收大量二氧化碳，并将其转化为生物量。然而，一些碳是以挥发性有机化合物的形式释放的，并且是由森林砍伐和火灾等因素造成的。科学家担心，如果足够多的森林正在消失，该地区将成为碳的净来源。然而，他们不知道临界点在哪里，因为亚马逊盆地每天吸收和释放多少碳还是个谜。

ATTO在树冠上的优势将使它能够测量几百公里处的温室气体浓度和流量，如二氧化碳和甲烷。与此同时，它还可以收集关于森林和大气之间相互作用的区域数据，而不是当地数据，例如气溶胶的产生和运输。巴西亚马逊国家研究所的大气物理学家安东尼奥·奥西马尔·曼齐(Antonio Ocimar Manzi)和ATTO的协调员凯塞尔迈尔(Kesselmeier)希望这些区域性数据将有助于改善亚马逊盆地的气候模型，甚至当地的天气预报。"在亚马逊流域，不同的气候模型可以预测完全不同甚至矛盾的年降雨量."曼齐说，没有更多的数据，“不可能说哪个模式更好”，这让亚马逊盆地的未来感觉有点像一个“黑匣子”。

与此同时，GoAmazon正在研究亚马逊盆地的一个地区，那里的大气受到了人类活动的影响。在去年的旱季和雨季，巴西-美国合作小组驾驶飞机将空气样本直接收集到马瑙斯上空的污染云中。正如马丁所说，“你被1750年的空气包围着，然后突然觉得自己进入了2014年”。空气中充满了悬浮颗粒、臭氧以及硫和氮的氧化物。该小组还从马瑙斯下风处的两个地方收集了空气样本，并将从ATTO收集的空气作为无污染的参考。

这些早期发现之一是，马瑙斯的污染可能正在改变雨林的性质。例如，马瑙斯顺风方向硫化物和氮氧化物浓度的增加导致产生更小但更大的气溶胶，从而形成更多的云滴。"这意味着这些云不同于原始雨林空气中的云."马丁说，这反过来表明“降水量不同，水循环和生态系统也不同。”亚马逊流域水循环的变化将影响整个大陆的降水和干旱，包括巴西东南部和阿根廷东北部的重要农业区。

鉴于果阿马津已经提供了阿尔塔索所称的退化的亚马逊盆地的初步印象，ATTO将记录下这片原始雨林在一个不断变化的世界中能维持多久。因此，这座塔也可能标志着亚马逊河流域的“最后一道防线”，在这个伟大的雨林屈服于现代社会——人类世界之前。(慢慢地)

《中国科学日报》(第三版国际版，2015年3月26日)