當(dāng)我們抬頭仰望天空，時常能看到云朵在蔚藍(lán)的“畫布”上悠然漂浮，變幻莫測。對美國哥倫比亞大學(xué)氣候?qū)W家卡拉·蘭布來說，云彩遠(yuǎn)不止是浪漫飄渺的想象。她更關(guān)注云層的氣候?qū)W意義——研究它們?nèi)绾瓮ㄟ^反射陽光或吸收熱量來影響地球溫度。

云輻射反饋影響氣候變暖

云是當(dāng)前氣候預(yù)測中最大的未知因素之一。如果大氣中的二氧化碳濃度達(dá)到前工業(yè)化時代水平的兩倍，地球溫度究竟是會升高1.5℃還是4.5℃？無人能給出確切答案。我們對云的了解不足，是這種巨大不確定性的根源。

云有幾個關(guān)鍵特征會影響地球能量平衡，其中最為重要的是云的總面積、云層高度及其反照率（即云層反射陽光的能力）。例如，低層、明亮的云具有強(qiáng)大的冷卻效應(yīng)，因為它們能夠反射大量太陽光，同時不會吸收過多地表熱量。而高層云，如纖維狀的卷云，則往往會產(chǎn)生加熱效應(yīng)，因為它們不僅會將由地表升騰起來的熱量困住，還幾乎不反射太陽光。

低層云有強(qiáng)大的冷卻效應(yīng)。

盡管云總體上有冷卻效果，但氣候變化正在悄然改變它們的特性，從而削弱其冷卻作用。問題在于，這種削弱到底有多嚴(yán)重？美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的格雷厄姆·費(fèi)因戈爾德坦言，目前形式非常嚴(yán)峻。

現(xiàn)在用于預(yù)測未來幾十年氣候變化的全球氣候模型主要依賴物理學(xué)與統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方程來模擬大氣層的動態(tài)變化。然而，這些“大氣環(huán)流模型”相對粗糙，即使在超級計算機(jī)上運(yùn)行，也難以準(zhǔn)確模擬云的精確變化。美國國家大氣研究中心的瑪格麗特·達(dá)菲將其形容為“像在沒有顯微鏡的情況下研究細(xì)胞”，這使得預(yù)測云對氣候變暖的影響充滿不確定性。

這一不確定性有多大？澳大利亞新南威爾士大學(xué)史蒂文·舍伍德團(tuán)隊在研究中發(fā)現(xiàn)，全球變暖引發(fā)云的變化，會通過“云輻射反饋”機(jī)制進(jìn)一步影響氣候。這些反饋包括海洋上空云層減少、中緯度云層向兩極移動，以及冰云中的水分增加等。但這些反饋究竟會在多大程度上影響氣候變暖，目前的模型給出的預(yù)測結(jié)果范圍很廣——從幾乎沒有影響到顯著增加變暖效應(yīng)，差異懸殊。

微小細(xì)節(jié)難倒氣候預(yù)測

大氣中的氣溶膠對云的影響同樣復(fù)雜且難以捉摸。

氣溶膠是指懸浮在空氣中的顆粒物。從塵土、燃煤工廠排放的煙塵，到漂浮在空氣中的真菌，這些顆粒物為水滴或冰晶的形成提供了“種子”。而顆粒物的大小、種類和數(shù)量會改變云中水滴或冰晶的數(shù)量，從而影響云的亮度。

盡管現(xiàn)有的氣候模型已能較為準(zhǔn)確地模擬氣溶膠如何影響云的亮度，但它們對氣溶膠如何改變云的生命周期等連鎖效應(yīng)的模擬仍顯不足。

美國加州大學(xué)圣迭戈分校的鄧肯·沃森·帕里斯認(rèn)為，搞清楚氣溶膠的影響尤為關(guān)鍵。例如，自2020年以來，全球航運(yùn)業(yè)實(shí)行強(qiáng)制性清潔排放規(guī)定，但這一行動究竟在多大程度上阻止了全球氣候變暖，沒人能準(zhǔn)確評估。帕里斯質(zhì)疑：“如果我們連全球航運(yùn)減少80%排放后帶來的影響都無法準(zhǔn)確評估，又如何指望通過向大氣中噴撒氣溶膠顆粒這樣的地球工程來干預(yù)氣候？”

即使看似微不足道的細(xì)節(jié)，也可能對氣候預(yù)測產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。例如，蘭布當(dāng)前的研究重點(diǎn)是卷云中冰晶的生長。“冰晶的大小至關(guān)重要。這是模型中最重要、最敏感的因素之一。”蘭布說，根據(jù)卷云中冰晶大小的不同，模型預(yù)測出來的溫室效應(yīng)結(jié)果也會有巨大差異，“但目前我們對氣溶膠及其他因素如何影響高空冰晶的形成仍沒有清晰的理解”。

盡管存在上述問題，經(jīng)過多年努力，科學(xué)家們在提高云輻射模擬的精確性方面取得了不小的進(jìn)展。聯(lián)合國氣候變化政府間專門委員會（IPCC）發(fā)布的報告顯示，2014年至2023年，與云相關(guān)的預(yù)測不確定性減少了約50%。不過，由云輻射反饋導(dǎo)致變暖效應(yīng)的預(yù)測值在此期間增長了約20%，其帶來的影響究竟多大仍難確定。

新技術(shù)助力破解云的奧秘

云的復(fù)雜性要求各方攜手，從不同角度共同攻克這一難題，一些新技術(shù)正在發(fā)揮重要作用。

利用云室設(shè)備，美國密歇根理工大學(xué)的雷蒙德·肖及其團(tuán)隊創(chuàng)造出了一個可控的小型大氣環(huán)境。該大學(xué)擁有美國唯一的研究云室，能夠研究氣溶膠、湍流和溫度等不同因素如何影響云中水分的分布，這對于理解云的亮度至關(guān)重要。

肖團(tuán)隊的研究重點(diǎn)是追蹤水滴如何在云中相互碰撞、結(jié)合，并形成雨滴。為了更深入理解這些微觀相互作用，肖還是名為“氣溶膠-云-細(xì)雨對流室”（ACDC-2）合作項目的一員。該項目致力于設(shè)計一個更大的云室，預(yù)計高度達(dá)10米，足以讓水蒸氣形成細(xì)雨。肖將這個云室視為云科學(xué)中的粒子加速器，“我們不僅會研究云中的氣溶膠，還將模擬降雨的形成過程，進(jìn)一步揭示云內(nèi)各要素間復(fù)雜的相互作用”。

還有科學(xué)家正在開發(fā)一種新型的高分辨率氣候模型，能夠在1公里的網(wǎng)格尺度上模擬大氣狀態(tài)。但由于對算力要求極高，這些模型目前只能用于短期預(yù)測或模擬有限的區(qū)域，尚未能將海洋、冰層或生物圈的動態(tài)模擬納入。

同時，機(jī)器學(xué)習(xí)算法也能在云層解析模型的基礎(chǔ)上發(fā)揮輔助作用。谷歌最近發(fā)布的一種新模型，能用遠(yuǎn)低于基于物理學(xué)模型的算力來精確模擬云。但沃森·帕里斯認(rèn)為，還應(yīng)盡可能保留物理原理模型，以確保預(yù)測結(jié)果的可靠性。

此外，2024年5月，EarthCARE衛(wèi)星發(fā)射升空，預(yù)計2025年起正式運(yùn)行。該衛(wèi)星是歐洲航天局和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）的聯(lián)合任務(wù)，耗資8.7億美元，是迄今最大、最復(fù)雜的對地觀測任務(wù)。EarthCARE將提供云、氣溶膠和輻射之間復(fù)雜相互作用的整體視圖，并提供迄今為止最精確的云層數(shù)據(jù)，從而在氣候危機(jī)背景下為地球輻射平衡研究提供新線索。

文：劉琦/編譯

編輯：劉琦

責(zé)任編輯：許琦敏

來源：文匯網(wǎng)