飞机碳气溶胶排放的冰云效应机理示意图
冰云通常存在于5千米以上的高空，是地球辐射平衡系统中重要组成部分，其对长波辐射的吸收可导致温室效应。而在5千米以上的高空，飞机排放几乎是唯一的人为排放源。那么，飞机排放的碳气溶胶是否是有效的冰核从而会影响冰云的形成和发展？受限于观测条件和实验难度，这个问题一直没有有力的证据，成为冰云与气候变化研究领域一个存在较大争议的话题。 |
近期，天津大学地球系统科学学院与国内外数家单位合作，综合运用卫星遥感和数值模拟方法，系统研究了飞机碳气溶胶排放的冰云效应，提出明确证据证明了飞机排放的碳气溶胶是有效的冰核，并揭示了其影响冰云微物理特征和辐射效应的机理机制。相关成果以“Decreased aviation leads to increased ice crystal number and a positive radiative effect in cirrus clouds”为题，发表于美国地球物理学会（AGU）的地学综合旗舰期刊AGU Advances。地科院朱佳雷教授为论文第一/共同通讯作者，美国密西根大学Joyce Penner教授为共同通讯作者。
从人类发明飞机以来，全球飞机活动水平呈单调上升趋势，2012~2019年全球飞机里程数年增速约为5%。然而，2019年底新冠疫情的出现对全球航空业产生了重大打击，出现了人类历史上最大规模的飞机活动水平下降。据统计，2020年4-5月全球飞机里程数较2019年同期下降73%（图1a）。这样异常的飞机活动水平显著变化，给研究飞机碳气溶胶排放的冰云效应提供了自然实验条件。通过CALIPSO卫星近11年观测数据分析发现，在飞机航线最密集的北纬30°~60°区域2020年4-5月冰云冰晶数浓度较过去10年显著偏高（图1b），极有可能是由于飞机排放减少所致。
图1（a）2020年4-5月全球飞机里程数与2019年同期偏差（b）卫星观测2010-2020年北纬30°~60°区域冰云冰晶数浓度变化（c）飞机碳气溶胶排放减少导致全球冰云冰晶数浓度变化数值模拟（d）飞机碳气溶胶排放减少产生的冰云辐射效应
进一步发展地球系统模型，通过数值模拟方法探究了飞机碳气溶胶排放减少对冰云的影响机理。研究发现，飞机排放的碳气溶胶作为有效的冰核，其排放减少可引起冰云异质成核过程减少，异质成核过程对同质成核过程的抑制作用随之减弱，从而使得冰云同质成核过程增强，导致冰云中冰晶数浓度显著升高（图1c），冰晶有效半径减小，增强了冰云的长波辐射吸收能力（图1d），对全球气候产生变暖效应。即使当未来疫情过去，随着航空燃料低碳化升级，仍可导致全球飞机碳气溶胶排放减少50~70%，从而通过影响冰云微物理特征对气候变暖产生一定贡献。
该研究得到国家自然科学基金（项目号：42177082）的资助。
Jialei Zhu, Joyce E. Penner, Anne Garnier, Olivier Boucher, Meng Gao, Lei Song, Junjun Deng, Cong-qiang Liu, Pingqing Fu (2022). Decreased aviation leads to increased ice crystal number and a positive radiative effect in cirrus clouds. AGU Advances, 3, e2021AV000546.
全文链接：https://doi.org/10.1029/2021AV000546。
