借着一次参加活动的机会，塔赫雷·阿琳贾德塔布里兹（Tahereh Alinejadtabrizi）来到了澳大利亚塔斯马尼亚岛西北角的肯纳乌克/格里姆角（Kennaook/Cape Grim），这里坐落着一处大气监测站，实时监测着南大洋上空的空气数据。

在来到这里后的每一次呼吸中，阿琳贾德塔布里兹仿佛都能在新鲜空气进入肺时，感觉到很畅快。“我从一个忙碌又污浊的城市赶来，”她回忆道，“在这里，我被如此新鲜的空气震惊了。”

事实上，这种感觉并非阿琳贾德塔布里兹的心理作用——她呼吸到的空气，被称为“地球上最干净”的空气。



何为“最干净”


严格来说，我们很难对“最干净”的空气给出一个科学的定义，因为不同地方的空气质量会受到许多因素的影响，因此难以制定一个能够兼顾全球各地空气的标准。但一般来说，我们会将受污染程度最低，或是气溶胶含量极少的地区，称为“最干净”。

2020年，美国科罗拉多州立大学的索尼娅·克赖登维斯（Sonia Kreidenweis）和团队在《美国科学院院刊》（PNAS）发表了一项研究，其中描述了他们对南大洋南纬40°以南地区大气的分析结果。他们发现，在这里采样的空气几乎不含有来自陆地的气溶胶。换句话说，这是一片极为原始和纯净的大气，几乎不受到人类活动的影响。

 
图片来源：Kathryn Moore/Colorado State University

起初，研究者希望着眼于南大洋上空云层的成因。云由微小的液滴和冰晶组成，无论是云滴还是冰晶，形成时都与空气中的细小颗粒有关。这些颗粒可以是来自汽车、火力发电厂、燃气灶等人类活动排放的污染物，也可以来自于风吹起的灰尘、飘荡的花粉，甚至是海浪中盐。无论来源如何，这些悬浮在空气中的细小固体颗粒或液滴都被称为气溶胶。

想要直接分析这些气溶胶的来源比较困难，因此研究者选取了一种巧妙的方法：通过DNA调查空气中细菌的来源，它们的来源也代表着气溶胶的来源。

然而分析结果显示，这里大气中的细菌基本都是生活在南大洋的海洋物种。换句话说，这里的空气中几乎只有来自南大洋的海洋气溶胶。来自遥远陆地和人类活动的气溶胶，例如化石燃料燃烧的污染或地表风化的尘埃，并没有向南进入南大洋。也正是因为这个原因，这里被誉为地球上“最干净”“最不受人类干扰”的空气。



从卫星看云层


在阿琳贾德塔布里兹来到肯纳乌克/格里姆角观测站之前，她就已经对这里非常熟悉了。今年3月，她和同事在《npj气候与大气科学》（npj Climate and Atmospheric Science）发表了一项研究，在这里，他们找到了“最干净”空气的一个重要成因。

“我的博士项目最重要的目标，是解决气候模型中的观测偏差问题。”阿琳贾德塔布里兹解释道。简单来说，地球的温度其实由从太阳接收的能量与地球向太空辐射的能量之间的平衡所控制，想要应对气候变化，就需要深入理解这种平衡的关系。“然而，对于影响能量平衡的不同参数，仍然存在很多不确定性和未知因素。而云层就是对能量平衡产生重大影响的参数之一。”因此，南大洋成为了一个能够连续观察云层和气溶胶，并结合实地信息进行深入研究的绝佳地点。


图片来源：pixabay

不过，过去想要在南大洋上获得良好的数据非常困难。放眼全球海洋的监测数据，我们会发现北半球明显多于南半球，这是因为北半球有着更多的陆地，有助于在海洋沿岸安装一系列监测仪器。然而南半球却缺少足够的陆地。同时，南半球的气候情况非常难以预测，这使得使用船只或其他海上平台来收集数据也非常困难。

好在，卫星并不会受到气象变化的影响。研究团队借助卫星图像，得以以前所未有的细节研究云层的变化。将卫星图像与其他的气溶胶观测数据和降水测量数据结合，研究团队尝试深入了解了降水和空气结果与云层的关系。



蜂窝云


事实上，这里的云层明显呈现出了一种独特的组合模式。这些模式被称为中尺度细胞状对流（mesoscale cellular convection, MCC），研究者也将它比喻为“蜂窝云”（honeycomb-shaped clouds）。在卫星图像中，这些蜂窝云明显呈现出两种不同的状态，一种是看似中空，边缘明显的“开放式”蜂窝云，另一种则是内部也被填满的“封闭式”蜂窝云。这些云就像一个个小细胞，填满了南大洋的上空。

研究者好奇的是，开放和封闭的云层结构会对这里的空气产生怎样的影响。因此，他们借助机器学习算法来识别不同时间段卫星图像展示出的云层模式，并将其与大气监测和降雨观测结果进行了比较。

 
卫星图像中可以清楚地看到“开放式”蜂窝云（Open MCC）和“封闭式”蜂窝云（Closed MCC）（图片来源：原论文）

结果显示，那些空气格外干净的日子，往往也是研究区域上空被“开放式”蜂窝云填满的日子。同时，这些“开放式”的云层往往能产生更强烈、更急速的降雨或阵雨。研究者意识到，这样的阵雨似乎会冲刷掉大气中的气溶胶，从而净化那里的空气。

“传统上，科学家会将洁净的空气归因于人类活动造成的污染减少，这种情况在北半球更常见，因为这里的陆地更多。但随后研究者也发现，南大洋也有自己的污染源。” 阿琳贾德塔布里兹解释道。例如在夏季，随着更多的阳光照耀着海水表面，浮游植物大量繁殖，这会导致更多的硫酸盐颗粒进入大气。因此几十年来，研究者一直专注于研究这些活动随季节和地点的变化，并以此解释为什么南大洋冬季的空气会尤其纯净。“然而，这样一来，他们就忽略了从大气中清除气溶胶的过程——而这正是我们在研究中发现的。”

研究者同样也关注到了蜂窝云随季节的模式变化。当剧烈的风暴席卷南大洋时，南大洋上空就会出现这样的蜂窝云。而在冬季，“开放式”蜂窝云更为常见，这也解释了为什么南大洋冬季的空气最为干净。



阵雨之下


今年4月，阿琳贾德塔布里兹来到肯纳乌克/格里姆角（Kennaook/Cape Grim）是为了参加一个新项目的启动仪式，这个项目旨在以更高的分辨率监测云层、降水和阳光的变化。在这里，她亲身体验到了天气的无常。即使是在陆地上的观测站，天气也一直在急剧变化。往往刚才还阳光明媚，马上就下起了小雨。

“有一次，在午餐时下了一场阵雨，但只持续了大约10分钟后，太阳就出来了。”阿琳贾德塔布里兹回忆道，“但在整个过程中，这里都吹着刺骨的寒风。所有这一切让这里非常有荒野的气息。”

而在不远的南大洋上，类似的阵雨也在不断地冲刷这里的空气。“科学家试图模拟海洋大气是如何运作和相互作用的，而这些云层正是气候模式中的不确定因素之一，”阿琳贾德塔布里兹表示，“正是这些复杂的相互作用，让肯纳乌克/格里姆角，甚至整个澳大利亚南部的人们都能呼吸到世界上最清新的空气之一。”



图片来源：2020年6月4日“环球科学要闻”栏目评论区