環境與生態

氣膠就在你身邊

氣膠就是飄浮在空氣中的微塵,雖然尺寸微小得幾乎看不見,但它對溫度、降雨、生態,都有重要的影響。

撰文/陳正平

環境與生態

氣膠就在你身邊

氣膠就是飄浮在空氣中的微塵,雖然尺寸微小得幾乎看不見,但它對溫度、降雨、生態,都有重要的影響。

撰文/陳正平


重點提要
■氣膠是指懸浮在空氣裡的微塵,除了火山灰與風吹沙等自然來源,工業污染、交通運輸等人為因素產生的氣膠也佔了一定比例。
■越小的氣膠對人體健康危害越大,此外氣膠對氣候的影響力更不容小覷。
■氣膠可做為水氣凝結的核心,或是促進雲內冰晶的形成,對於雲的形成以及降雨相當重要。
■有人提出可利用人為氣膠使雲滴增加,以減少照射到地表的太陽光,造成地表冷卻,來因應全球暖化,然而這需要更進一步的科學研究。


每當掃地、擦桌子的時候,你會不會心煩、抱怨,這麼固執的灰塵究竟從哪兒來的?或者你早就觀察到,大部份的灰塵是由看似透明的空氣中沉降下來的,只要以強光一照,空氣中的灰塵就會無所遁形。不過,空氣中的灰塵遠比我們看到的多,因為肉眼只看得見直徑上百微米的灰塵,看不見的微塵反而佔大多數。


飄浮在空氣中的微塵,也稱為「氣懸微粒」或「氣溶膠」粒子(在此簡稱「氣膠」),有各式各樣的來源,例如強風颳起的沙塵或海沫碎裂噴出的海鹽、火山噴發的灰燼、燃燒過程所產生的煤灰、植物釋出的花粉與孢子,以及在空氣中經化學作用與凝結作用而產生的酸性微粒。由於陸地上的來源較多也較強,氣膠的濃度通常由工業區、都市、沙漠地區,向四周、向海洋遞減。


以質量而言,整個地球大氣中的氣膠以沙塵、海鹽為主;但以數量而言,則是由硫酸和水氣所形成的氣膠居多,這種氣膠的自然來源,主要是火山活動以及海洋浮游生物排出含硫的物質,經過大氣化學作用而轉變成硫酸,再產生所謂的「硫酸根氣膠」。然而人類的工業、交通活動製造了更多硫化物,使得目前全球的硫酸根氣膠含量已經高達自然含量的三倍,而且集中在人口較密集的地區。其他人類所製造的污染物,如氨、硝酸、煤灰、有機物,也會混入硫酸根氣膠裡。


根據中央研究院環境變遷研究中心周崇光的測量,台灣各地的氣膠就是這樣的大雜燴,甚至還包含沙塵以及許多不明物質。空氣污染嚴重的都市常常看似有霧、無法見遠,就是因為氣膠太多,散射了光線,形成了「霾」的現象。人為氣膠的酸性甚強,我們估計,都市空氣中一顆顆的氣膠,酸度更甚於電池酸液。這些酸性物質不論是直接沉降至地表,或形成酸霧,或進入雲內形成酸雨,對於生態、人體健康、建築物、藝術品都有不良影響。若你有機會遊覽泰姬陵或樂山大佛,可留意是否多了酸雨侵蝕的痕跡。


飛揚跋扈的大地之塵


火山爆發是自然界製造氣膠最猛烈的手段之一。地球歷史上有許多火山爆發造成氣候變化的例子,有的甚至稱得上是氣候巨變。例如約7萬4000年前印尼蘇門答臘的托巴超級火山爆發,噴出2800立方公里的物質,漫天的灰塵造成歷時千年的氣候冷卻,稱為「火山冬天」,導致大規模生態浩劫,推估當時全世界的人類僅剩下不到一萬甚至一千人,險險躲過了萬劫不復之境。1815年,一個規模小了數十倍的印尼坦博拉火山爆發,使得接下來一、兩年內全球地表平均溫度下降了約1℃,也造成了著名的歐洲「沒有夏天的一年」。隕石、彗星撞擊地球,也很可能造成灰塵瀰漫在大氣中,導致長期的氣溫降低、生物大滅絕,例如造成恐龍滅絕的隕石撞擊事件。


一般的情況下,自然界最容易產生氣膠的方式是風吹沙,而沙漠地區當然就是大氣沙塵的最大源區,尤其是非洲撒哈拉沙漠;中國大陸西北與北方,以及蒙古的戈壁,也是沙塵的重要源區。特別強烈的風吹沙稱為沙塵暴,發生時甚至天色昏暗,伸手不見五指,中國西北地區居民又稱之為「黑風」或「黑風暴」。每到春季或晚秋,這些地方的沙塵暴活動就會把大量沙塵帶向韓國、日本、台灣。


氣膠越小,影響越大


氣膠的影響力除了與化學成份有關,大小也是關鍵。火山噴發所形成的氣膠,直徑只有數十奈米,一天只沉降幾公分,因此可以長久駐留在大氣中,影響氣候達幾個月到數年之久。一粒芝麻或一片頭皮屑,在空氣中每秒鐘掉落幾公尺,所以在加入「地塵」的行列前只有不到一秒的「空塵」身份,難以發揮作用(雖然曾經有人研究過頭皮屑對氣候的影響)。也因為沉降作用,氣膠濃度通常隨高度遞減。


另外,大的氣膠慣性也大,不易跟著氣流轉彎,小的氣膠則容易乘風而行,這個現象在氣膠的健康效應上尤為重要。大風颳起的大沙粒,碰到鼻毛或在鼻腔轉彎處就會被攔截,但空氣污染過程中形成的微小粒子卻會隨著呼吸深入氣管與肺泡。基於對健康的影響,各地環保單位在監測氣膠含量時,也從早期僅測量總含量,後來增加測量直徑10微米以下的PM 10 ,近來又增加測量2.5微米以下的PM 2.5 ,將之納入空氣污染指標。美國哈佛大學的研究指出,城市居民的死亡率與當地的PM 2.5 濃度呈正相關。值得關切的是,台灣多數城市的PM 2.5 平均濃度已明顯高於該研究裡的城市。


氣膠微型化的另一個效應是表面積變大了。一根平凡的粉筆,變成粉筆灰後就特別顯眼,不論是變成黑板上無數的公式,或是弄花你的衣服,其中的關鍵就是顆粒的多與小,這也是氣膠能影響氣候的主要原因之一。同樣質量的氣膠,只要顆粒變小、變多,攔截光線的能力就增強。多數氣膠的大小在0.1~1微米間,碰巧這也是可見光主要波段的範圍。如果空氣中的灰塵變多了,陽光不容易穿透,就會造成地表冷卻。


氣膠與雲的聯手


除了對散射太陽光的重要性外,氣膠數量對雲和降雨的形成也扮演了重要的角色。水氣的凝結傾向發生在物體表面,如果缺乏「表面」,相對濕度要超過400%,水氣才會發生凝結。空氣中的「表面」就是由氣膠提供;如果沒有了氣膠,雲、霧將很難形成,空氣中的濕度會很高,使得草木、家具容易潮濕,我們也會覺得皮膚黏膩。也就是說,露和霜將會取代雲、霧,成為水氣凝結的主要方式。這種景況也許會在別的星球上發生,但在地球上,有許多氣膠提供水氣凝結的核心,扮演著成雲起霧的種子角色,尤其是那些含有硫酸、硝酸、海鹽等親水性成份的粒子。


30多年前,大氣科學家涂米(Sean Twomey)提出假說,認為人類活動所產生的氣膠除了能直接散射光線,也會讓雲滴變多,雲比較會反光,因此減少地表接收到的太陽光,造成地表冷卻,稱為「涂米效應」,後來的一些觀測證實這項效應的確會發生。氣候模式的模擬結果顯示,涂米效應會抵消二氧化碳的部份增溫效果,也就是說,若非人類活動同時也產生了氣膠,人為的溫室效應或許會更明顯。有人甚至提議利用涂米效應,以人工方式增加氣膠來因應全球暖化,是各種抗暖化「地球工程」的方法中成本較低、效果較好的,但可能有相當大的副作用。


涂米效應衍生出另一個概念:氣膠越多,會產生越多小雲滴,這些雲滴彼此不容易碰撞,這會影響雨滴的形成,因為碰撞結合是形成雨滴的重要機制。如果人為氣膠讓雨滴不易形成,雲的厚度與生命期就會增加,更增強了雲的冷卻效果。但涂米效應抵消了多少溫室效應,各個氣候模式之間沒有一致的答案,因為我們對氣膠的產生,以及氣膠如何影響雲與降水的形成實在不夠了解。這也是目前氣候預測研究很大的一項不確定性。