大气中的黑碳主要由化石燃料以及生物质燃料不完全燃烧产生，具有独特的物理化学性质，如可强烈吸收可见光、耐高温、不溶于水以及大部分有机溶剂等。现今，全球每年的黑碳排放量约为7500 Gt。其中，绝大部分源于人类的生产生活排放，包括交通工具排放以及工业用煤等；其次来源于生物质燃烧，如秸秆焚烧/森林大火等。作为全球人类活动密集区，东亚与南亚的黑碳排放量可达每年2000 Gt。
进入大气中的黑碳，可显著改变能见度，对雾霾的形成与发展具有重要作用，是一种重要的污染物。同时，黑碳能够显著吸收太阳辐射，导致近地表增温，是仅次于二氧化碳的气候辐射强迫因子。大气中的黑碳经由传输以及沉降等过程，可到达并沉积于偏远地区的雪冰表面。相对于洁净的雪表，较暗的黑碳可吸收更多的太阳辐射，导致雪表反照率降低。由于黑碳显著的气候反馈效应，黑碳对雪冰反照率以及雪冰消融的影响程度如何呢？
针对上述科学问题，中国科学院西北生态环境资源研究院康世昌研究员团队近十年来致力于该研究，以期揭开雪冰中黑碳的神秘面纱。从海拔最高的第三极到偏远的南北极，研究团队攻坚克难、孜孜以求，通过系统采样与监测，建立了覆盖三极的大气污染物监测与冰冻圈变化研究网络（APCC）（图1），并取得显著研究进展。
图1 大气污染物与冰冻圈变化监测网络
凌空千尽飘，冰雪夕望曛：全球雪冰中黑碳浓度空间分布特征
从全球范围来看，雪冰中黑碳浓度存在显著差异（图2）。整体上，南北极较低，而中纬度地区偏高。但是，不同的黑碳测试方法对结果的影响也会比较大。雪冰中黑碳测试方法目前主要有热光法/以及单颗粒烟尘光度计。前者是基于雪冰融化后，过滤到石英滤膜上，通过测试滤膜上黑碳的光学与热学性质进行的；后者则通过直接测试融雪样品中的单个黑碳颗进行计算的。这两种测试方法本身就会导致黑碳浓度存在数量级上的差异。但对于同一种测试方法而言，中低纬度地区（例如青藏高原、阿尔卑斯等）雪冰中黑碳浓度较南北极显著偏高1-2个数量级，这可能主要与冰川距离黑碳排放源区远近、大气传输以及后沉积过程等有关。而对于同一条冰川不同雪冰类型而言，老雪和粒状冰中黑碳的浓度显著高于新降雪的浓度。
图2 不同区域雪冰中黑碳浓度以及工业革命以来冰芯记录的黑碳历史变化
以青藏高原中部小冬克玛底冰川面上雪冰黑碳浓度分布为例（图3），可以看到在冰川下部消融区（海拔较低），由于冰川消融导致雪表黑碳富集，黑碳浓度与海拔高度成反比，即海拔越高，由于雪冰消融较弱，雪冰中黑碳浓度越低。黑碳在不同类型雪冰中含量的差异，特别是冰川消融区老雪中含量普遍高于雪坑/冰芯含量，更新了我们对于同一条冰川不同区域表层雪中黑碳浓度的认识，为评估黑碳对雪冰反照率以及消融的影响提供了新数据。
图3 青藏高原不同冰川雪冰黑碳含量（a）以及典型冰川表雪中黑碳含量的空间分布（b）
将今以论古，博观而约取：工业革命以来冰芯黑碳的历史记录
黑碳具有很强的稳定性，沉降到冰川后会逐年累积。利用冰钻在冰川季肋区自上而下连续逐段取出的圆柱状冰雪样品，称之为冰芯（图4）。冰芯记录作为气候环境信息的载体，具有信息量大、保真性强、分辨率高、时间尺度长等特点，可用于反演气温、降水、人类活动、气候环境变化的历史等。自工业革命以来，大量的人类活动对地球环境的影响日益明显。由于受到人类活动排放的大量黑碳气溶胶的影响，全球范围内，冰芯记录的黑碳浓度总体升高，但不同地区的变化趋势存在差异（图2）。例如，北极和欧洲区域20世纪初黑碳浓度快速升高，但青藏高原在20世纪中后期快速升高；而南半球冰芯黑碳历史记录与北半球不同，主要体现出南半球黑碳排放的影响。这种历史变化的差异主要受到黑碳的来源和传输过程的影响，同时也揭示出冰芯黑碳记录是自然源排放和人类活动排放双重影响的体现，为我们认识历史时期黑碳气溶胶的变化提供了全球视角的参考。
图4 珠峰东绒布冰川冰芯钻取
雪原度遥岑，厚积而薄发：黑碳加速雪冰消融
源自化石燃料以及生物质燃烧排放的黑碳经由大气传输，通过干湿沉降过程沉积于冰川、积雪表面，使得雪表变暗，雪冰表面反照率降低，雪表吸收更多的太阳辐射，促进雪冰消融（图5）。基于现有相关的模式模拟研究结果，发现雪冰中黑碳导致的辐射强迫在全球尺度上约为+0.04 Wm-2，中纬度地区（如青藏高原地区）雪冰黑碳导致的辐射强迫要显著高于南、北极地区。虽然，北极地区雪冰中黑碳的辐射强迫值较小（通常不足1 W m-2），但是对冰冻圈的影响不容忽视（图6）。例如，黑碳的正反馈作用可导致7~9月北极海冰（北纬66.5-90º）的范围减少1~3%；雪冰中黑碳导致的北极积雪减少约占20世纪减少量的20%。对格陵兰冰盖而言，黑碳可导致消融量增加约6.8%。在欧洲阿尔卑斯地区，黑碳导致冰川消融增加15~19%。青藏高原雪冰中黑碳可导致冰川消融增加约20%，积雪持续期减少约3.1-4.4天。北美地区雪冰中黑碳作用使得积雪消融提前31~51天。由此可见，雪冰中黑碳可显著加速冰冻圈的消融，并由此在一定程度上改变着区域尺度的水循环以及水资源的时空分布。
图5 碳质气溶胶来源、沉降、及其潜在影响示意图
图6 雪冰中黑碳对冰冻圈消融的影响
在青藏高原及周边地区，基于雪坑样品中黑碳的∆14C和δ13C研究指出现，雪坑中黑碳的同位素组成在区域上具有显著差异，高原东北部雪冰中黑碳具有最大的化石燃料贡献，可达66%；高原中部雪冰中黑碳则主要来源于生物质燃烧，其比例可达70%；喜马拉雅山脉南坡雪冰中黑碳的化石燃料贡献约为54%，与南亚地区的比率一致；显示从高原边缘到高原内部，生物质燃烧对黑碳的贡献逐渐增大。这也揭示出，雪冰中黑碳主要来源于人类活动的大量排放。对于雪冰黑碳的研究，为不同地区黑碳减排措施提供了重要的科学依据。
参考文献：
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来源：中国科学院西北生态环境资源研究院
