图注:“大气清洁剂”OH辐射的化学过程非常复杂。
空气里的污染物可能一时泛滥成灾,但是“大气清新剂”总能把它们清理干净。这些空气中的清洁工就是来自太阳的的紫外线。
地球的低层大气(对流层)的活动能实现自我清洁的机制,清除氧化氮、甲烷、一氧化碳。紫外线辐射扯裂了臭氧的分子结构,制造出氧原子,氧原子随后就会与水发生反应,产生起清洁作用的氢氧自由基(也就是OH)。产出的氢氧自由基非常活跃,很快就能与大气痕量气体发生反应,例如,它们可以迅速把空气中的污染物一氧化碳,转化为二氧化碳。
我们能否依赖氢氧自由基的清洁力?清洁这些污染是否会耗尽它们的力量?我们很难回答这些棘手的问题,因为我们无法通过实证找到答案。由于这些辐射在反应前仅仅能保持一秒左右的时间,而且它们的浓度很小,所以很难测试OH的水平。但是研究人员已经战胜了这个技术挑战,可以直接测量出五年内,大气中氢氧自由基的含量。
这项研究以德国南部Hohenpeissenberg气象站的观测为基础,研究发现每年大气中的氢氧自由基含量都没有太大的变化。“OH水平没有一个长期的变化趋势,”研究人员写道。看来,每年都有不少余下的大气清洁剂。但是也有个坏消息:报告的合著者、Jülich研究中心的Franz Rohrer认为,从另一个角度来看,观测也说明,大气化学家还没能充分理解我们大气中这些氢氧自由基产生、消亡之间的复杂反应。
减少、再使用、再循环
虽然氢氧自由基因为消灭污染物而减少,Rohrer说,但是也有些相同的分子能帮助它们再生。“这是个异常复杂的系统。化学反应都是相互联系的,会产生一系列连锁反应。我们试着了解其中发生的每一个反应,然后把它们结合起来,统一在一个模型中,看看最后这个系统的OH水平有什么变化。”
出乎研究人员的预想,他们发现,大气中氢氧基的含量似乎只是取决于一个特定波段的紫外线的密度。(也就是UVB,波长在280至315nm之间)“我们拿到结果的时候,简直没有人相信这是真的,”Rohrer说,“这个化学反应系统中,肯定发生了什么调节过程,才能把其他所有因素排除在外。”
在此之前,研究人员通过几周的观测,已经发现在自由基浓度和紫外线辐射之间有某种强烈的联系,但是从来没有发现这种联系在几年内都能保持稳定。
只要对UVB辐射做个简单的测试,就能预报OH的浓度。这个数据比现在这些复杂的大气模型精准得多,后者还要考虑温度、臭氧含量和污染程度等等因素。“从观测看来,很明显,我们还没有找到恰当的理论来解释低层大气中的氧化物。”加州理工学院的一位大气化学家Paul Wennberg说。
阳光普照
但是,研究人员已经简化了测量氢氧自由基水平的方法。现在,我们可以在UVB辐射测量的基础上,确立一个“OH指数”。这样,研究人员就能更轻松地观测大气清洁剂含量的长期走势。
以后,自由基浓度会发生什么变化?瑞士联邦技术学院的一位大气科学家Martin Wild写道,这当然要看地球臭氧保护层的状况。根据《自然》最近的报道,过去十年中,臭氧层的水平有所下降,多亏破坏臭氧层的污染物不断减少,最近又有了回升的趋势。现在,我们大气清洁的机制还在正常工作;不过,如果臭氧层持续变薄,那氢氧自由基的水平就可能起变化。 (cuixs)
环球科学编译