科学家发现来自污染，沙漠风暴和森林火灾的气溶胶如何加剧雷暴

麻省理工学院的科学家发现了一种新的机制，通过这种机制，气溶胶可以加剧热带地区的雷暴。

研究人员确定了一种机制，大气中的小颗粒可以通过这种机制产生更频繁的雷暴。

对地球大气层的观察表明，在存在高浓度的气溶胶的情况下，雷暴通常会更强，这些气溶胶太小了，肉眼看不到。

例如，与周围的海洋相比，沿着运输路线的闪电频率更高，在该路线上，货轮将微粒排放到空中。热带地区最强烈的雷暴在陆地上酝酿，自然资源和人类活动都使气溶胶升高。

尽管科学家数十年来一直观察到气溶胶与雷暴之间的联系，但这种联系的原因尚未得到很好的理解。

现在，麻省理工学院的科学家发现了一种新的机制，通过这种机制，气溶胶可以加剧热带地区的雷暴。使用理想的云动力学模拟，研究人员发现高浓度的气溶胶可以通过增加云周围空气的湿度来增强雷暴活动。

研究小组将这种新的气溶胶和云之间的机制称为“加湿”机制，可以将其纳入天气和气候模型中，以帮助预测该地区的雷暴活动可能会随着气溶胶水平的变化而变化。

麻省理工学院大气科学助理教授蒂姆•克罗宁（Tim Cronin）说：“通过清理污染，有可能使地方遭受的风暴更少。”“总的来说，这提供了一种方式，使人们可以在我们过去从未真正欣赏过的气候上占有一席之地。”

克罗宁和他的合著者，麻省理工学院地球，大气与行星科学系的研究生特里斯坦·阿伯特（Tristan Abbott）于2021年1月1日在《科学》杂志上发表了他们的研究结果。

盒子里的云

气雾剂是悬浮在空气中的任何细小颗粒的集合。气溶胶是由人为过程产生的，例如生物质的燃烧，在船舶，工厂和汽车排气管中的燃烧，以及火山喷发，海浪和沙尘暴等自然现象的产生。在大气中，气溶胶可以充当云形成的种子。悬浮的颗粒用作空气传播的表面，周围的水蒸气可在这些表面上凝结，形成形成云状悬挂的单个液滴。云中的水滴可以碰撞并合并，形成更大的水滴，这些水滴最终会随着雨水而掉落。

但是，当气溶胶高度浓缩时，许多微小的颗粒会形成同样微小的云滴，不易合并。尽管科学家们提出了几种可能性，但是这些含气溶胶的云如何产生雷暴仍然是一个悬而未决的问题，克罗宁和雅培决定在云的高分辨率模拟中测试这些可能性。

在模拟过程中，他们使用了理想化模型，该模型可以模拟整个128公里宽的热带海洋中代表地球大气层的云的动力学。该盒子被钉在网格中，科学家可以观察到诸如相对湿度之类的参数如何在单个网格中调整模型中的某些条件时发生变化。

在他们的案例中，研究小组对云进行了模拟，并通过增加云中水滴的浓度来表示气溶胶浓度增加的影响。然后，他们抑制了被认为驱动先前提出的两种机制的过程，以观察雷暴在提高气溶胶浓度时是否仍在增加。

当这些过程关闭时，模拟仍会产生更强的雷暴和更高的气溶胶浓度。

“这告诉我们，这两个先前提出的想法并不是在模拟中产生对流变化的原因，”雅培说。

换句话说，必须有其他机制在起作用。

在低气溶胶浓度区域中一天云形成的模拟。有色表面代表该表面的气温。许多云层（灰色）高10至15公里，达到或超过大多数飞机的巡航高度。这些模拟云的大小类似于在现实世界热带地区产生雷暴的云。

驾驶风暴

该小组研究了有关云动力学的文献，发现了以前的工作，这些工作指出了云温度与周围空气湿度之间的关系。这些研究表明，随着云层的上升，它们与周围的清澈空气混合，蒸发了其中的一些水分，从而使云层自身冷却。

如果周围的空气干燥，它可以吸收更多的云层水分并降低其内部温度，从而使充满冷空气的云层在大气中的上升较慢。另一方面，如果周围的空气相对潮湿，则云将随着蒸发而变暖，并会更快地上升，从而产生上升气流，并可能演变成雷暴天气。

克罗宁（Cronin）和雅培（Abbott）想知道这种机制是否可能在气溶胶对雷暴的影响中发挥作用。如果云中包含许多抑制降雨的气溶胶颗粒，它可能能够将更多的水蒸发到周围环境中。反过来，这可能会增加周围空气的湿度，从而为雷暴的形成提供更有利的环境。因此，这一系列事件可以解释气溶胶与雷暴活动的联系。

他们使用相同的云动力学模拟对他们的想法进行了测试，这次注意到了云中和周围每个网格单元的温度和相对湿度，因为它们增加了模拟中的气溶胶浓度。他们设定的浓度范围从类似于海洋偏远地区的低气溶胶条件到类似于市区附近相对受污染的空气的高气溶胶环境。

他们发现，气溶胶浓度高的低洼云更不可能下雨。取而代之的是，这些云层将水蒸发到周围环境中，从而形成了潮湿的空气层，这使空气更容易通过强烈的暴风雨上升气流迅速通过大气层上升。

雅培说：“在空气中相对较低的湿度层建立之后，就会有温暖潮湿的气泡，可以作为雷暴的种子。”“在上升到10至15公里的高度时，气泡将更容易，这是需要增加深度的云才能起到雷暴的作用。”

这种“夹带水分”的机制，其中充满气溶胶的云与周围空气混合并改变周围空气的湿度，似乎至少是对气溶胶如何驱动雷暴形成的一种解释，特别是在通常空气相对较热的热带地区湿。

雅培说：“我们提供了一种新的机制，应该使您有理由预测世界上有很多气溶胶的雷暴。”

参考：Tristan H. Abbott和Timothy W. Cronin于2021年1月1日在Science.DOI上发表了“通过增加湿度来使大气对流进行气溶胶激发”。
10.1126 / science.abc5181

这项研究部分得到了美国国家科学基金会的支持。