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有读书笔记A scaling theory for the size distribution of emitted dust aerosols suggests climate models underestimate the size of the global dust cycle

球球 添加于 2011-1-6 04:12 | 2314 次阅读 | 0 个评论

  •  作 者

    Kok JF

  •  摘 要

    Mineral dust aerosols impact Earth’s radiation budget through interactions with clouds, ecosystems, and radiation, which constitutes a substantial uncertainty in understanding past and predicting future climate changes. One of the causes of this large uncertainty is that the size distribution of emitted dust aerosols is poorly understood. The present study shows that regional and global circulation models (GCMs) overestimate the emitted fraction of clay aerosols (< 2 μm diameter) by a factor of ∼2–8 relative to measurements. This discrepancy is resolved by deriving a simple theoretical expression of the emitted dust size distribution that is in excellent agreement with measurements. This expression is based on the physics of the scale-invariant fragmentation of brittle materials, which is shown to be applicable to dust emission. Because clay aerosols produce a strong radiative cooling, the overestimation of the clay fraction causes GCMs to also overestimate the radiative cooling of a given quantity of emitted dust. On local and regional scales, this affects the magnitude and possibly the sign of the dust radiative forcing, with implications for numerical weather forecasting and regional climate predictions in dusty regions. On a global scale, the dust cycle in most GCMs is tuned to match radiative measurements, such that the overestimation of the radiative cooling of a given quantity of emitted dust has likely caused GCMs to underestimate the global dust emission rate. This implies that the deposition flux of dust and its fertilizing effects on ecosystems may be substantially larger than thought.

  •  详细资料

    • 文献种类:期刊
    • 期刊名称: Proceedings of the National Academy of Sciences
    • 期刊缩写: Proceedings of the National Academy of Sciences
    • ISBN: 0027-8424

  • 相关链接 DOI URL 

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    科学家用尘埃颗粒模拟气候变化

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    一个普通玻璃饮水杯的碎裂，或能作为预测未来气候变化的线索。据美国物理学家组织网报道， 泥土破碎时，微小的尘埃颗粒能射入大气层，其碎裂的方式跟玻璃和其他易碎物体非常相似。由于碎裂泥土产生了大量的尘埃碎片，研究人员杰斯普·科克认为，大 气中的尘埃颗粒比我们以前认为的要多好多倍。该研究由美国国家大气研究中心（NCAR）进行，研究结果发表在12月27日的美国《国家科学院院刊》（PNAS）上。
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    对于理解未来气候变化来说，尘埃在控制大气中太阳能方面发挥着重要作用。根据它们的大小及其他特性，一些粉尘颗粒能反射太阳能量，使地球保持凉爽，另一些能吸收能量，使地球保持温暖。
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    尘土颗粒可预报天气状况
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    “尽管它们很小，土壤中尘土颗粒的聚集方式，在表现效果上就和一只玻璃杯掉落在厨房的地板上相似。”科克说，“研究这种方式，有助于我们为未来气候变化拼起一幅更清晰的图景。”该研究还能提高天气预报的准确性，尤其是在那些沙尘地区，尘埃颗粒会影响云层、降水和气温。
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    科克的研究集中于飘在空中的矿尘颗粒，当沙砾被吹进土壤，尘土被击碎，碎片就被发射出去，送进空气中。碎片直径大约50微米，或大约一根人类头发的宽度。
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    最小的颗粒是粘土级，直径仅2微米，在大气中停留约1周，几乎能周游全球，它将太阳热量反 射太空，使地球保持凉爽。较大些的颗粒，属于泥土级，能漂浮几天。颗粒越大，在大气中越倾向于产生热的效果。除了影响大气中的热量，灰尘微粒还会沉积在高 山积雪场，吸收热量促进冰雪融化。
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    科克的研究显示，泥土颗粒对粘土颗粒的比例是目前气候模型中的2—8倍。他们仔细地校准了模型，模拟出大气中粘土颗粒的实际数字。
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    他们在论文中还提到，在涉及到泥土微粒时，模型最可能出错。在沙漠地区，这些较大微粒中大 部分在约1600公里大气范围内打旋，因此计算机模型要不断调整它们的数量，才能更好地反映未来沙漠地区的气候，比如美国西南部和非洲北部。但要根据模型 来确定哪些地区未来的气温是否会上升，上升多少，需要做更多研究。
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    研究结果还显示出，海洋生态系统导致了大气中二氧化碳的下降。海洋生态系统从飘尘中接受的铁比以前估计的要多很多，铁增加了生物的活动性，有益于海洋食物链通过光合作用摄入碳。
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    碎片大小分布具有不变性
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    物理学家早就知道，某种易碎物体，比如玻璃、岩石甚至原子核，其碎片的形式是可预测的。它们被击碎后的残片大小在一定范围内，小片、中片和大片的分布都可预测。科学家指出，这种形式是一种比例变换下的不变性。
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    物理学家设计了数学公式来模拟这一过程，通过公式，可预测易碎物体碎裂后的碎片传播方式。 根据科克的理论，用这些公式来估计灰尘微粒的大小范围是可能的。他查阅了1983年德国美因茨大学气象学院两位科学家的一项研究，该研究对干旱土地上灰尘 的大小分布进行了测量。科克利用他的易碎物体碎片公式，也对这些土壤进行了检测，确定发射出的灰尘颗粒的大小分布。结果令人吃惊，该公式能很好地描述对灰 尘颗粒的测量。
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    “所有这些物体都以同样方式碎裂。”科克说，“这种想法非常美，这是大自然在混乱中创造秩序的方式。”（来源：科技日报 常丽君）
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