塵埃上百里，奧秘億萬年

黃宗慈

在人們看來，灰塵是最不起眼的無用之物，然而，在距離地球數十千米的平流層里，塵埃卻非同一般，它們是人類探索太陽系起源和地球未來氣候趨勢的重要線索。

與地面附近滿是塵埃的空氣相比，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，火山噴發的物質與太陽系早期的粒子、航天器的殘骸等混合在一起，令不同學科的科學家頗感興趣。這些科學家已對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，停留著來自火山、宇宙和宇航空間的塵埃。

早在20世紀70年代，科學家就開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模公共游泳池的體積里，有1～10個直徑為10～50微米的塵埃粒子，人們一般通過飛機或氣球對它們進行收集。

平流層里塵埃的構成是不斷變化的。有從上面落下的，也有從下面進入的，而已經在那里的粒子還在地球引力的作用下頻頻下落。一個粒子的位置越高，從平流層下降到對流層的時間就越長。除此之外，粒子下降的速度取決于它的形狀、結構和大小。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儀器。用最先進的電子顯微鏡可以觀察直徑十分之幾納米的無機物結構，還可以分析塵粒中直徑小于1／20微米的單個無機物晶粒的成分，甚至還能測量氧的穩定同位素比例、氘和氫的比例，鑒定出來自外層空間的塵埃。

根據塵埃的形狀和化學成分，可以分辨出來自火山、宇宙和宇航空間的3種粒子。由于粒子的光學特征——顏色、光澤和透明度與依賴顏色、成分的分類法完全相同，所以對一個塵埃樣品進行光學檢驗，就可以知道樣品中3種塵埃粒子的比例。在平流層里，雖然塵埃數量有變化，但每立方米中宇宙塵的數量是恒定的。宇宙塵以一定比例到達大氣頂部，然后均勻地下落到地球表面。因此，科學家通常把宇宙塵作為測量其他類型塵埃數量變化的一把標尺。

火山、宇航、塵埃

在過去的幾十年里，地球上陸續發生了幾十次較大的火山爆發，巨大的沖擊力能夠將火山灰直接送到平流層，每次產生的大量塵埃都要在平流層里持續停留幾年。

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

火山灰主要由無機物晶粒的碎塊或團塊形式的硅酸鹽構成，個別的則是磷石英和斜長石。磷石英是像石英那樣的硅氧化物，斜長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，像重晶石、鐵氧化物和鉛氧化物這樣的無機物也不多。這些無機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晶、鈣硫酸鹽結晶，以及硫酸微粒。

火山的強烈爆發，會使距離地面27～35千米高的硫酸微粒層的密度增加，從而導致地球表面平均溫度下降，給全球氣候帶來明顯的短期效應。至于火山塵能否長久攔阻太陽輻射，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，在較大的火山爆發后，濃密的火山灰會淹沒其他種類的塵埃，包括科學家調查宇宙塵的飛行計劃，也只能暫時中止。

除了火山灰，平流層里還有來自地球的宇航空間塵埃。

從1957年10月蘇聯發射人類第一顆人造地球衛星開始，航天器的發射和運行都在產生塵埃：運載火箭上升時，會噴出大量廢氣，箭體受熱，表面油漆就會剝落，這些都會形成微小的粒子，留在火箭的軌跡中；到了空中，為了保持軌道高度和定位，航天器按慣例要點燃固體燃料火箭，火箭排出的固體物質也會落到平流層里；在軌道中運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掉落進平流層。可以說，從人類有了航天活動以來，平流層里宇航空間塵埃的數量與日俱增。

宇宙塵，來自太陽系的童年

相比以上兩種，科學家更熱衷于對宇宙塵的研究。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，里面藏著大量關于太陽系早期地質活動的信息。

每年，有1萬～1 0萬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五顏六色。由于它在落入地球大氣層后運動速度很慢，不會像流星那樣燃燒，因此可能保存著更多的原始信息。搜集平流層里的宇宙塵，是研究太陽系早期天體樣品的一種既便利又有效的途徑。不過，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入平流層的情況。

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

也有一些宇宙塵粒在進入大氣時未熔融，保持了它們的原始特征。一粒塵埃進入大氣后能達到多高的溫度，取決于它的質量、進入大氣時的角度和速度。大部分宇宙塵粒的質量幾乎相同，如果進入大氣的角度也相同，那么就只有速度會決定它們的熔融程度。測算表明，源于小行星的塵埃進入大氣的速度約為5.5千米/秒，彗星塵的速度則要快得多。總體來看，彗星塵一般都熔融了，留下來的常常是小行星塵。

最有意思的或許不是結構單一的球狀體，而是塵粒的聚合體。一些絨毛狀、多孔的鋁聚合體，其穩定性同位素的比例證明它們來自外層空間。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石，估計它們是太陽誕生時最早出現的無機物。這些鋁聚合體很可能是來自星際空間的粒子。

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。這種微粒的礦物學性質和結構表明，它們幾乎原封不動地保持著太陽系誕生時的狀態，似乎是一種罕見的地外物質。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，以這類小行星為母體的大隕星很難進入太陽系內層。它們含有數百個直徑為幾納米的無機物晶粒，一般是嵌在非結晶碳和來歷不明的碳氫化合物里的鐵，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機物，很可能在進入大氣之前就已經作為小物體飄浮在空間中了。在那里，高能太陽粒子擊中暴露的無機物晶粒，產生了傷疤似的痕跡。如果這些聚合體曾經是在較大的天體里，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。這種奇怪的形狀說明它們是在冷卻太陽星云里形成的塵埃。

其他原始粒子還包括一些球形結構的碎塊，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、輝石反應時形成的無機物。現在還不清楚球狀碎塊和前者之間的確切關系，以及兩種結構是否來自同一類天體。如果它們確實起源于同一類天體，那將進一步證實早期太陽系演化著的行星上就已經存在水了。

明確回答關于這些微粒的問題為時尚早。目前，科學家還不知道這些小粒子是如何改變地球氣候的。對塵粒的研究使我們對它們有了初步的認識，繼續深入探討不僅會豐富地球和平流層的知識，而且也有助于我們了解地球氣候的長期變化。