塵埃上百里，奧秘億萬(wàn)年

黃宗慈

在人們看來(lái)，灰塵是最不起眼的無(wú)用之物，然而，在距離地球數(shù)十千米的平流層里，塵埃卻非同一般，它們是人類(lèi)探索太陽(yáng)系起源和地球未來(lái)氣候趨勢(shì)的重要線(xiàn)索。

與地面附近滿(mǎn)是塵埃的空氣相比，20千米以上的大氣算是純凈的，但即使這樣，在距地球表面15～50千米的平流層，依然有塵埃存在。在這里，火山噴發(fā)的物質(zhì)與太陽(yáng)系早期的粒子、航天器的殘骸等混合在一起，令不同學(xué)科的科學(xué)家頗感興趣。這些科學(xué)家已對(duì)平流層中形形色色的塵埃鍥而不舍地研究了20年。

平流層里有秘密

在距離地面17～40千米的高空，停留著來(lái)自火山、宇宙和宇航空間的塵埃。

早在20世紀(jì)70年代，科學(xué)家就開(kāi)始搜集和分析這些塵埃。通常，每1000立方米，也就是差不多一座中等規(guī)模公共游泳池的體積里，有1～10個(gè)直徑為10～50微米的塵埃粒子，人們一般通過(guò)飛機(jī)或氣球?qū)λ鼈冞M(jìn)行收集。

平流層里塵埃的構(gòu)成是不斷變化的。有從上面落下的，也有從下面進(jìn)入的，而已經(jīng)在那里的粒子還在地球引力的作用下頻頻下落。一個(gè)粒子的位置越高，從平流層下降到對(duì)流層的時(shí)間就越長(zhǎng)。除此之外，粒子下降的速度取決于它的形狀、結(jié)構(gòu)和大小。比如，一顆小的球狀粒子顯然下落得比一顆又大又扁的粒子快得多。

塵粒如此之小，電子顯微鏡是最有效的觀測(cè)儀器。用最先進(jìn)的電子顯微鏡可以觀察直徑十分之幾納米的無(wú)機(jī)物結(jié)構(gòu)，還可以分析塵粒中直徑小于1／20微米的單個(gè)無(wú)機(jī)物晶粒的成分，甚至還能測(cè)量氧的穩(wěn)定同位素比例、氘和氫的比例，鑒定出來(lái)自外層空間的塵埃。

根據(jù)塵埃的形狀和化學(xué)成分，可以分辨出來(lái)自火山、宇宙和宇航空間的3種粒子。由于粒子的光學(xué)特征——顏色、光澤和透明度與依賴(lài)顏色、成分的分類(lèi)法完全相同，所以對(duì)一個(gè)塵埃樣品進(jìn)行光學(xué)檢驗(yàn)，就可以知道樣品中3種塵埃粒子的比例。在平流層里，雖然塵埃數(shù)量有變化，但每立方米中宇宙塵的數(shù)量是恒定的。宇宙塵以一定比例到達(dá)大氣頂部，然后均勻地下落到地球表面。因此，科學(xué)家通常把宇宙塵作為測(cè)量其他類(lèi)型塵埃數(shù)量變化的一把標(biāo)尺。

火山、宇航、塵埃

在過(guò)去的幾十年里，地球上陸續(xù)發(fā)生了幾十次較大的火山爆發(fā)，巨大的沖擊力能夠?qū)⒒鹕交抑苯铀偷狡搅鲗?，每次產(chǎn)生的大量塵埃都要在平流層里持續(xù)停留幾年。

1985年5月，在墨西哥的埃爾奇瓊火山爆發(fā)3年后，研究者仍然在距離地面35千米左右的高度——火山羽狀物所能達(dá)到的最高位置，發(fā)現(xiàn)了直徑千分之幾到10微米的火山塵；但在噴發(fā)后的第2年，在較低的平流層里——大約18千米高處，卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)直徑大于1微米的塵粒。目前，科學(xué)家還不了解火山塵下沉的速度有多快，散布是否均勻。

火山灰主要由無(wú)機(jī)物晶粒的碎塊或團(tuán)塊形式的硅酸鹽構(gòu)成，個(gè)別的則是磷石英和斜長(zhǎng)石。磷石英是像石英那樣的硅氧化物，斜長(zhǎng)石是一種鈣鈉鋁硅酸鹽。像輝石和橄欖石這樣的鎂、鐵硅酸鹽很少見(jiàn)，像重晶石、鐵氧化物和鉛氧化物這樣的無(wú)機(jī)物也不多。這些無(wú)機(jī)物都是典型的火山灰。除此之外，火山灰還包括鹽和鉀鹽的結(jié)晶、鈣硫酸鹽結(jié)晶，以及硫酸微粒。

火山的強(qiáng)烈爆發(fā)，會(huì)使距離地面27～35千米高的硫酸微粒層的密度增加，從而導(dǎo)致地球表面平均溫度下降，給全球氣候帶來(lái)明顯的短期效應(yīng)。至于火山塵能否長(zhǎng)久攔阻太陽(yáng)輻射，或者清除平流層里的有害氣體，還不得而知。但可以確定的是，火山塵的濃度起伏很大，在較大的火山爆發(fā)后，濃密的火山灰會(huì)淹沒(méi)其他種類(lèi)的塵埃，包括科學(xué)家調(diào)查宇宙塵的飛行計(jì)劃，也只能暫時(shí)中止。

除了火山灰，平流層里還有來(lái)自地球的宇航空間塵埃。

從1957年10月蘇聯(lián)發(fā)射人類(lèi)第一顆人造地球衛(wèi)星開(kāi)始，航天器的發(fā)射和運(yùn)行都在產(chǎn)生塵埃：運(yùn)載火箭上升時(shí)，會(huì)噴出大量廢氣，箭體受熱，表面油漆就會(huì)剝落，這些都會(huì)形成微小的粒子，留在火箭的軌跡中；到了空中，為了保持軌道高度和定位，航天器按慣例要點(diǎn)燃固體燃料火箭，火箭排出的固體物質(zhì)也會(huì)落到平流層里；在軌道中運(yùn)行的航天器如果被太空中高速飛行的隕石擊中，航天器的部分碎片就會(huì)掉落進(jìn)平流層?？梢哉f(shuō)，從人類(lèi)有了航天活動(dòng)以來(lái)，平流層里宇航空間塵埃的數(shù)量與日俱增。

宇宙塵，來(lái)自太陽(yáng)系的童年

相比以上兩種，科學(xué)家更熱衷于對(duì)宇宙塵的研究。宇宙塵是迄今人們能夠得到的除隕石、月巖之外的第三種宇宙物質(zhì)，里面藏著大量關(guān)于太陽(yáng)系早期地質(zhì)活動(dòng)的信息。

每年，有1萬(wàn)～1 0萬(wàn)噸塵埃作為隕星從空間落入地球大氣層。這些隕星通常只有微米大小，母體大部分是在空間運(yùn)行了幾十億年的小行星和彗星。從外形看，它們多為球形，表面有的粗糙并有燒蝕的痕跡，有的光滑而晶瑩透明并呈現(xiàn)五顏六色。由于它在落入地球大氣層后運(yùn)動(dòng)速度很慢，不會(huì)像流星那樣燃燒，因此可能保存著更多的原始信息。搜集平流層里的宇宙塵，是研究太陽(yáng)系早期天體樣品的一種既便利又有效的途徑。不過(guò)，要知道這種原始粒子隱藏著什么秘密，必須先弄清楚它們進(jìn)入平流層的情況。

直徑上百微米的粒子在進(jìn)入大氣時(shí)，會(huì)發(fā)生熔融，最后呈球形，通常是硅酸鹽、鐵鎳混合物或鐵鎳硫混合物。它們的結(jié)構(gòu)取決于進(jìn)入大氣的時(shí)間（一般為5秒）和變熱的方式。熔融后，塵埃的成分有了變化，會(huì)失去像鈉、硫這樣的易揮發(fā)元素，留下鋁、鎂這樣的不易揮發(fā)元素。

也有一些宇宙塵粒在進(jìn)入大氣時(shí)未熔融，保持了它們的原始特征。一粒塵埃進(jìn)入大氣后能達(dá)到多高的溫度，取決于它的質(zhì)量、進(jìn)入大氣時(shí)的角度和速度。大部分宇宙塵粒的質(zhì)量幾乎相同，如果進(jìn)入大氣的角度也相同，那么就只有速度會(huì)決定它們的熔融程度。測(cè)算表明，源于小行星的塵埃進(jìn)入大氣的速度約為5.5千米/秒，彗星塵的速度則要快得多?？傮w來(lái)看，彗星塵一般都熔融了，留下來(lái)的常常是小行星塵。

最有意思的或許不是結(jié)構(gòu)單一的球狀體，而是塵粒的聚合體。一些絨毛狀、多孔的鋁聚合體，其穩(wěn)定性同位素的比例證明它們來(lái)自外層空間。這種塵埃含有在1200℃以上的高溫下形成的黑富鋁鈦石和黃長(zhǎng)石，估計(jì)它們是太陽(yáng)誕生時(shí)最早出現(xiàn)的無(wú)機(jī)物。這些鋁聚合體很可能是來(lái)自星際空間的粒子。

另外一種聚合體呈球粒多孔狀，幾乎可以肯定它是太陽(yáng)系最早的粒子，其成分具有原始球粒隕星的典型特征，氦、氖穩(wěn)定同位素的比例，氘和氫的比例，為它們的宇宙起源提供了支持。這種微粒的礦物學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)表明，它們幾乎原封不動(dòng)地保持著太陽(yáng)系誕生時(shí)的狀態(tài)，似乎是一種罕見(jiàn)的地外物質(zhì)。這種聚合體與一般隕星不同源，可能是彗星或外層小行星帶中的固體殘骸。由于木星的引力攝動(dòng)，以這類(lèi)小行星為母體的大隕星很難進(jìn)入太陽(yáng)系內(nèi)層。它們含有數(shù)百個(gè)直徑為幾納米的無(wú)機(jī)物晶粒，一般是嵌在非結(jié)晶碳和來(lái)歷不明的碳?xì)浠衔锢锏蔫F，以及鎳硫化物的富鎂硅酸鹽，是一些如果加熱或加壓就容易被破壞的無(wú)機(jī)物，很可能在進(jìn)入大氣之前就已經(jīng)作為小物體飄浮在空間中了。在那里，高能太陽(yáng)粒子擊中暴露的無(wú)機(jī)物晶粒，產(chǎn)生了傷疤似的痕跡。如果這些聚合體曾經(jīng)是在較大的天體里，那么輻射是不可能破壞它們的。還有一些長(zhǎng)得像小晶體，直徑1微米左右的輝石晶體。這種奇怪的形狀說(shuō)明它們是在冷卻太陽(yáng)星云里形成的塵埃。

其他原始粒子還包括一些球形結(jié)構(gòu)的碎塊，差不多占平流層宇宙塵的10%～15％。球狀碎塊表面很光滑，碳含量豐富，主要成分是層狀硅酸鹽，即水和橄欖石、輝石反應(yīng)時(shí)形成的無(wú)機(jī)物。現(xiàn)在還不清楚球狀碎塊和前者之間的確切關(guān)系，以及兩種結(jié)構(gòu)是否來(lái)自同一類(lèi)天體。如果它們確實(shí)起源于同一類(lèi)天體，那將進(jìn)一步證實(shí)早期太陽(yáng)系演化著的行星上就已經(jīng)存在水了。

明確回答關(guān)于這些微粒的問(wèn)題為時(shí)尚早。目前，科學(xué)家還不知道這些小粒子是如何改變地球氣候的。對(duì)塵粒的研究使我們對(duì)它們有了初步的認(rèn)識(shí)，繼續(xù)深入探討不僅會(huì)豐富地球和平流層的知識(shí)，而且也有助于我們了解地球氣候的長(zhǎng)期變化。