作為歐洲核子研究中心（CERN）”雲”（CLOUD）國際項目的一部分，PSI 的研究人員發現所謂的倍半萜–植物釋放的氣態碳氫化合物–是雲形成的一個主要因素。這一發現可以減少氣候模型的不確定性，有助於做出更準確的預測。這項研究現已發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌上。

根據政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的最新預測，到2100 年，全球氣候將比工業化前水平變暖1.5 至4.4 攝氏度。這一數字是基於各種假設情況得出的，這些假設情況描述了人為溫室氣體排放在未來的發展情況。因此，在最好的情況下，如果我們能夠快速、徹底地控制排放，我們仍然可以實現《巴黎協定》規定的1.5 攝氏度的目標。在最壞的情況下，我們將遠遠超過這一目標。

然而，這種預測也存在一定的不確定性。例如，在最壞的情況下，如果排放量繼續急劇增加，氣溫升幅可能低至3.3 攝氏度，也可能高達5.7 攝氏度，而不是4.4 攝氏度。

在預測溫室氣體排放的具體發展將導致氣溫如何變化方面存在的這些不確定性，主要是由於科學家尚未完全了解大氣中發生的所有過程–大氣中各種氣體和氣溶膠之間的相互作用。日內瓦歐洲核子研究中心（CERN）核研究中心的大氣研究人員開展了一項國際合作項目–CLOUD 項目（宇宙離開室外的液滴），其目的就是建立這些過程。PSI 協助建造了CLOUD 試驗室，並且是該項目的指導委員會成員。

盧布娜-達達（Lubna Dada）在大氣化學實驗室研究氣溶膠的形成和化學成分等。圖片來源：保羅-舍勒研究所/馬庫斯-菲舍爾

雲層形成之謎

尤其是未來雲層的形成方式，目前在很大程度上仍然是個謎。然而，這是預測氣候的一個關鍵因素，因為更多的雲會反射更多的太陽輻射，從而冷卻地球表面。

要形成構成雲的水滴，水蒸氣需要凝結核，即可以在其上凝結的固體或液體顆粒。這些顆粒由各種氣溶膠提供，氣溶膠是直徑在0.1 到10 微米之間的微小固體或液體顆粒，由自然界和人類活動產生並釋放到空氣中。這些微粒包括海洋中的鹽分、沙漠中的沙子、工業和交通產生的污染物或火災產生的煙塵微粒等。

然而，約有一半的凝結核實際上是在空氣中由不同的氣態分子結合成固體時形成的，專家將這種現象稱為”成核”或”新粒子形成”（NPF）。一開始，這些顆粒非常微小，僅有幾納米大小，但隨著時間的推移，它們會通過氣態分子的凝結而長大，然後成為凝結核。

可以聞到的溫室氣體

導致顆粒形成的主要人為氣體是以硫酸形式存在的二氧化硫，主要來自煤炭和石油的燃燒。其中最重要的天然氣體是所謂的異烯烴、單萜烯和倍半萜烯。這些都是主要由植被釋放的碳氫化合物。它們是精油的主要成分，例如，當我們割草或在樹林中散步時，就會聞到精油的味道。當這些物質氧化，即與臭氧發生反應時，就會在空氣中形成氣溶膠。

PSI 的大氣科學家Lubna Dada 說：”應該指出的是，由於環境立法更加嚴格，近年來空氣中二氧化硫的濃度已經大幅下降，而且還將繼續下降。另一方面，萜烯的濃度正在增加，因為植物在承受壓力時會釋放出更多的萜烯–例如當氣溫升高、極端天氣增多、植被更頻繁地遭受干旱時。”

因此，改善氣候預測的一個大問題是，哪種因素將占主導地位，導致雲的形成增加或減少。要回答這個問題，我們需要知道這些物質中的每一種如何促進新粒子的形成。人們已經對硫酸有了很多了解，而單萜和異戊二烯的作用現在也有了更好的認識，這要歸功於實地測量和PSI 參與的CLOUD 等室內實驗。

倍半萜稀有但有效

“到目前為止，倍半萜還不是研究的重點。”達達解釋說：”這是因為它們很難測量。首先是因為它們與臭氧的反應速度非常快，其次是因為它們出現的頻率遠遠低於其他物質。”

每年地球上大約會釋放4.65 億噸異戊二烯和9100 萬噸單萜，而倍半萜只佔2400 萬噸。儘管如此，這些化合物在雲的形成過程中發揮著重要作用。根據測量結果，在相同濃度下，它們形成的微粒是其他兩種有機物質的十倍。

為了確定這一點，達達和她的合作者使用了歐洲核子研究中心（CERN）獨一無二的CLOUD 試驗室。該試驗室是一個密封的房間，可以模擬不同的大氣條件。這個氣候室有近30 立方米，是全世界同類氣候室中最純淨的。純度如此之高，以至於即使在大氣中記錄到的濃度很低的情況下，我們也能對倍半萜烯進行研究。

這正是這項研究的目的所在。這項研究旨在模擬大氣中生物顆粒的形成。更具體地說，研究人員有興趣研究沒有人為二氧化硫排放的前工業時代。這樣就能更清楚地確定人類活動的影響，並預測未來。然而，人為排放的二氧化硫早已在大自然中無處不在。這也是為什麼只有云室才可行的另一個原因。它還可以在受控條件下產生工業化前的混合物。

持久性微粒帶來更多雲層

實驗發現，異戊二烯、單萜烯和倍半萜烯的天然混合物在純淨空氣中氧化會產生大量有機化合物，即所謂的ULVOC（超低揮發性有機化合物）。顧名思義，這些有機化合物揮發性不強，因此能非常有效地形成微粒，隨著時間的推移，這些微粒會逐漸增大，成為凝結核。當研究人員將倍半萜添加到僅有異戊烯和單萜的懸浮液中時，倍半萜的巨大作用就顯現出來了。即使只添加2%，新粒子的形成率也增加了一倍。這可以用這樣一個事實來解釋：倍半萜分子由15個碳原子組成，而單萜烯只有10個碳原子，異戊烯只有5個碳原子。

一方面，這項研究揭示了植被影響天氣和氣候的另一種方式。但最重要的是，研究結果表明，在未來的氣候模型中，應將倍半萜作為一個單獨的因素，與異戊烯和單萜烯並列，以使其預測更加準確。特別是考慮到大氣中二氧化硫濃度的降低以及氣候壓力導致生物排放的同時增加，這意味著後者對未來氣候的影響可能會越來越大。不過，還需要開展其他研究來進一步改進云的形成預測。大氣化學實驗室已經在計劃開展這些研究。

大氣分子過程組研究組長伊馬德-埃爾-哈達德（Imad El Haddad）說：”接下來，我們和我們的CLOUD 合作夥伴希望調查在工業化過程中究竟發生了什麼，當時自然大氣中越來越多地混入了人為氣體，如二氧化硫、氨和其他人為有機化合物。”