Journal of Geophysical Research D: Atmospheres

Các hạt carbon đen đóng một vai trò đặc biệt và quan trọng trong hệ thống khí hậu của Trái Đất. Carbon đen là một loại vật liệu chứa cacbon với sự kết hợp độc đáo của các tính chất vật lý. Đánh giá này cung cấp một phân tích về tác động khí hậu của carbon đen một cách toàn diện với sự bao gồm tất cả các quá trình được biết đến và có liên quan, cũng như cung cấp các ước lượng tốt nhất và những không chắc chắn của các yếu tố tác động chính: hấp thụ trực tiếp từ ánh sáng mặt trời; ảnh hưởng đến mây dạng lỏng, pha trộn và băng; cũng như sự lắng đọng trên tuyết và băng. Những ảnh hưởng này được tính toán bằng các mô hình khí hậu, nhưng khi có thể, chúng cũng được đánh giá thông qua cả các phép đo vi mô và quan sát thực địa. Các nguồn chính là liên quan đến sự cháy, cụ thể là, nhiên liệu hóa thạch cho giao thông, nhiên liệu rắn cho công nghiệp và sử dụng gia đình, và đốt cháy mở biomass. Tổng lượng khí thải carbon đen toàn cầu theo phương pháp thống kê từ dưới lên vào năm 2000 là 7500 Gg năm⁻¹ với một khoảng không chắc chắn từ 2000 đến 29000. Tuy nhiên, sự hấp thụ khí quyển toàn cầu liên quan đến carbon đen là quá thấp trong nhiều mô hình và nên được tăng lên gần 3 lần. Sau khi điều chỉnh này, ước lượng tốt nhất cho tác động bức xạ trực tiếp của carbon đen trong thời kỳ công nghiệp (1750 đến 2005) là +0.71 W m⁻² với khoảng không chắc chắn 90% là (+0.08, +1.27) W m⁻². Tổng tác động trực tiếp từ tất cả các nguồn carbon đen, mà không trừ đi nền tảng trước công nghiệp, được ước tính là +0.88 (+0.17, +1.48) W m⁻². Tác động bức xạ trực tiếp một mình không thể giải thích các cơ chế điều chỉnh nhanh quan trọng. Một khuôn khổ được mô tả và sử dụng để định lượng các tác động khí hậu, bao gồm cả các điều chỉnh nhanh chóng. Ứớc lượng tốt nhất về tác động khí hậu của carbon đen trong thời kỳ công nghiệp thông qua tất cả các cơ chế tác động, bao gồm cả tác động mây và khí quyển, là +1.1 W m⁻² với khoảng không chắc chắn 90% từ +0.17 đến +2.1 W m⁻². Do đó, có một xác suất rất cao rằng khí thải carbon đen, độc lập với các loài đồng phát thải, có tác động tích cực và làm ấm khí hậu. Chúng tôi ước tính rằng carbon đen, với tổng tác động khí hậu là +1.1 W m⁻², là loại khí thải nhân tạo quan trọng thứ hai về mặt tác động khí hậu trong khí quyển hiện tại; chỉ có carbon dioxide được ước tính có tác động lớn hơn. Các nguồn phát thải carbon đen cũng phát thải các loài ngắn hạn khác có thể làm lạnh hoặc làm ấm khí hậu. Các tác động khí hậu từ các loài phát thải đồng được ước tính và sử dụng trong khuôn khổ được mô tả trong đây. Khi những ảnh hưởng chính của các đồng phát thải ngắn hạn, bao gồm các chất làm lạnh như sulfur dioxide, được bao gồm trong tác động ròng, các nguồn liên quan đến năng lượng (nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu sinh học) có tác động khí hậu trong thời kỳ công nghiệp là +0.22 (−0.50 đến +1.08) W m⁻² trong năm đầu tiên sau khi phát thải. Đối với một số nguồn như động cơ diesel và có thể là nhiên liệu sinh học tại nhà, việc loại bỏ tất cả các phát thải ngắn hạn từ những nguồn này sẽ làm giảm tác động khí hậu ròng (tức là, tạo ra làm lạnh). Khi các phát thải từ việc đốt mở, phát thải mức cao của vật chất hữu cơ, được bao gồm trong tổng lượng phát thải, ước lượng tốt nhất về tác động khí hậu ròng trong thời kỳ công nghiệp từ tất cả các loài ngắn hạn từ các nguồn giàu carbon đen trở nên hơi âm (-0.06 W m⁻² với khoảng không chắc chắn 90% là -1.45 đến +1.29 W m⁻²). Những không chắc chắn trong tác động khí hậu ròng từ các nguồn giàu carbon đen rất lớn, chủ yếu là do thiếu kiến thức về các tương tác giữa mây với cả carbon đen và cacbon hữu cơ đồng phát thải. Trong việc ưu tiên các hành động giảm thiểu carbon đen tiềm năng, các yếu tố không liên quan đến khoa học, như khả năng kỹ thuật, chi phí, thiết kế chính sách và khả năng thực hiện, đóng vai trò quan trọng. Các nguồn chính của carbon đen hiện đang ở những giai đoạn khác nhau về khả năng giảm thiểu trong thời gian gần. Đánh giá này, bằng cách đánh giá số lượng lớn và sự phức tạp của các quá trình vật lý và bức xạ liên quan trong tác động khí hậu của carbon đen, đã tạo ra một nền tảng để cải thiện các ước lượng tác động khí hậu trong tương lai.

Trung Quốc đã trải qua ô nhiễm sương mù nghiêm trọng vào tháng 1 năm 2013. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thực hiện một phân tích chi tiết về các nguồn gốc và cơ chế phát triển của ô nhiễm sương mù này, tập trung vào bốn đợt sương mù xảy ra từ ngày 10 đến 14 tháng 1 tại Bắc Kinh. Nguồn dữ liệu chính được phân tích là từ các phép đo aerosol siêu vi (submicron) bằng Thiết bị phân tích hóa học aerosol Aerodyne. Nồng độ khối PM1 trung bình trong bốn đợt sương mù dao động từ 144 đến 300 µg m⁻³, cao hơn hơn 10 lần so với mức quan sát trong các khoảng thời gian sạch. Tất cả các loài aerosol siêu vi đều cho thấy sự gia tăng đáng kể trong các đợt sương mù, với sulfate là loài lớn nhất. Các loài vô cơ thứ cấp đóng vai trò quan trọng hơn trong quá trình hình thành sương mù, được gợi ý bằng mức độ đóng góp tăng cao trong các đợt sương mù. Phân tích phân giải ma trận dương cho thấy sáu yếu tố aerosol hữu cơ (OA) bao gồm ba yếu tố OA chính (POA) từ giao thông, nấu ăn và khí thải từ đốt than, cùng với ba yếu tố OA thứ cấp (SOA). Tổng cộng, SOA đóng góp từ 41–59% OA, với phần còn lại là POA. OA từ đốt than (CCOA) là nguồn chính lớn nhất, trung bình chiếm từ 20–32% OA, và cho thấy sự gia tăng đáng kể trong các đợt sương mù. SOA vùng (RSOA) đã được xác định lần đầu tiên, cho thấy một đỉnh rõ rệt chỉ xuất hiện trong đợt sương mù kỷ lục (Ep3) vào ngày 12–13 tháng 1. Các đóng góp khu vực được ước tính dựa trên sự tiến triển dốc của các chất ô nhiễm không khí cho thấy vai trò chủ đạo trong việc hình thành Ep3, trung bình chiếm 66% PM1 trong đỉnh của Ep3, với sulfate, CCOA và RSOA là phần lớn nhất (> ~ 75%). Các kết quả của chúng tôi cho thấy rằng điều kiện khí tượng tĩnh, đốt than, sản xuất thứ cấp và vận chuyển khu vực là bốn yếu tố chính thúc đẩy sự hình thành và phát triển của ô nhiễm sương mù ở Bắc Kinh trong mùa đông.

Bộ sản phẩm dữ liệu khí quyển của Kính viễn vọng quang học độ phân giải vừa (MODIS) bao gồm ba thuật toán được áp dụng để thu thập độ sâu quang học của aerosol trong miền khả kiến trung (AOD): thuật toán Enhanced Deep Blue (DB) và Dark Target (DT) trên đất liền, cũng như thuật toán DT trên mặt nước. Tất cả ba thuật toán này đã được tinh chỉnh trong quá trình tái xử lý MODIS “Collection 6” (C6) gần đây. Đặc biệt, DB đã được mở rộng để bao gồm các bề mặt đất có thực vật cũng như các khu vực sa mạc/thành phố sáng hơn. Thêm vào đó, một tập dữ liệu “hợp nhất” mới rút ra từ cả ba thuật toán được đưa vào trong các sản phẩm C6. Nghiên cứu này nhằm mục đích làm điểm tham chiếu cho những người sử dụng dữ liệu MODIS mới và có kinh nghiệm để hiểu các đặc điểm toàn cầu và khu vực của các tập dữ liệu C6 DB, DT và hợp nhất, dựa trên dữ liệu MODIS Aqua. Điều này bao gồm việc xác thực chống lại các quan sát của Mạng lưới Robot Aerosol (AERONET) tại 111 địa điểm, tập trung vào phân tích khu vực và theo loại (bề mặt/loại aerosol). Không thuật toán nào nhất quán vượt trội hơn thuật toán kia, mặc dù ở nhiều trường hợp, AOD thu được và mức độ đồng thuận của nó với AERONET là rất tương đồng. Ở nhiều khu vực, các tập dữ liệu DB, DT và hợp nhất đều phù hợp cho các ứng dụng định lượng, nhưng cần ghi nhớ rằng chúng không thể được coi là độc lập, trong khi trong các trường hợp khác, một thuật toán thực sự vượt trội hơn thuật toán kia. Do đó, các khuyến nghị và cảnh báo về việc sử dụng có phần phức tạp và phụ thuộc vào khu vực.

Những ảnh hưởng bức xạ của các hạt bụi từ sa mạc Sahara được nghiên cứu trong mô hình tuần hoàn khí quyển tổng quát NASA GEOS‐5. Mô hình vi sinh hạt bụi phân đoạn (CARMA) được thực hiện online trong GEOS‐5. CARMA quản lý vòng đời của hạt bụi và các dấu hiệu của nó được kết hợp bức xạ với GEOS‐5. Một loạt các mô phỏng theo kiểu AMIP được thực hiện, trong đó các thuộc tính quang học của bụi đầu vào (hình dạng hạt và chỉ số khúc xạ) được thay đổi. Phân bố bụi mô phỏng cho bụi Sahara mùa hè so với các quan sát cho thấy sự tương đồng tốt, với kết quả tốt nhất khi giả định các thuộc tính quang học của bụi hấp thụ mạnh nhất. Sự hấp thụ bụi dẫn đến tăng cường tuần hoàn tế bào Hadley mùa hè, gia tăng nâng cao bụi lên độ cao lớn hơn, và tăng cường gió đông châu Phi, dẫn đến gia tăng tuổi thọ của bụi trong khí quyển và vận chuyển xa hơn về phía bắc và phía tây. Chúng tôi phát hiện ra rằng có một phản hồi tích cực của lực bức xạ bụi đối với việc phát thải, trái ngược với các nghiên cứu trước đây, mà chúng tôi cho là do việc chúng tôi tạo ra lực bức xạ sóng dài tương đối mạnh do việc mô phỏng kích thước hạt hiệu quả lớn hơn. Lực bức xạ sóng dài này làm giảm độ lớn của sự làm mát bề mặt ròng vào buổi trưa so với các nghiên cứu khác, và dẫn đến sự nóng lên vào ban đêm, kết quả là gia tăng tốc độ gió vào ban đêm và phát thải bụi. Các tác động bức xạ của hình dạng hạt bụi chỉ có ảnh hưởng nhỏ đến vận chuyển và phát thải, với ảnh hưởng nhỏ (~5%) đến lực bức xạ sóng ngắn tại đỉnh khí quyển, phù hợp với các nghiên cứu trước đó, nhưng có tác động rõ rệt hơn đối với việc gia nhiệt khí quyển sóng ngắn và áp lực bề mặt (~20% tăng lực bức xạ trong khí quyển đối với hình cầu). Các tác động của hình dạng đối với các yếu tố gia nhiệt sóng dài khoảng ~10%.

Bộ cảm biến Hồng ngoại tầm nhìn (VIIRS) trên vệ tinh Suomi Quốc gia đối lưu Bắc Cực (S-NPP) tích hợp các kênh nhạy cảm với lửa, bao gồm một kênh 4 µm có nhiệt độ bão hòa cao và đa dạng, cho phép phát hiện và đặc trưng hóa lửa hoạt động. Sản phẩm lửa hoạt động, dựa trên các băng tần “M” có độ phân giải trung bình 750 m của VIIRS, là một trong những sản phẩm hoạt động tiêu chuẩn được tạo ra bởi Phân khúc Xử lý Dữ liệu Giao diện của hệ thống mặt đất S-NPP. Sản phẩm này xây dựng dựa trên phiên bản “Collection 4” trước đó của thuật toán được sử dụng để xử lý dữ liệu của Đài quan sát quang phổ độ phân giải trung bình (MODIS). Sau khi tiến hành đánh giá chất lượng và điều chỉnh sau khi phóng trong quá trình xử lý Dữ liệu Ghi cảm biến VIIRS đầu vào, độ thiên lệch phát hiện ban đầu thấp đã được loại bỏ và sản phẩm này đã đạt chất lượng Beta vào tháng 4 năm 2012. Các phát hiện giả trong ngày dọc theo các đường quét cũng đã được giảm thiểu đáng kể nhờ các cải thiện trong việc xử lý vào tháng 10 năm 2012. So sánh trực tiếp sản phẩm với MODIS trong 4 tháng dữ liệu trong năm 2013 cho thấy VIIRS tạo ra khoảng 26% nhiều phát hiện hơn so với MODIS trong khu vực tích hợp trung tâm 3 pixel của VIIRS với góc quét khoảng ±31° và 70% nhiều phát hiện hơn bên ngoài khu vực đó, chủ yếu là kết quả của các đặc tính quét và lấy mẫu vượt trội của VIIRS. Sự phát triển thêm đang được tiến hành để đảm bảo sản phẩm lửa VIIRS chất lượng cao tiếp tục ghi lại dữ liệu của MODIS và phục vụ cộng đồng người dùng tốt hơn bằng cách cung cấp sản phẩm phân loại hình ảnh đầy đủ và thu thập mức công suất bức xạ lửa. Nghiên cứu cũng đang được tiến hành để tận dụng tín hiệu bức xạ từ các băng tần “I” 375 m của bộ cảm biến VIIRS.

Khí hậu khu vực Bắc Cực bị ảnh hưởng bởi tác động bức xạ của carbon đen aerosols (BC) cả trong khí quyển và trên bề mặt tuyết và băng. Mô hình vận chuyển khí quyển toàn cầu của NIES (Viện Nghiên cứu Môi trường Quốc gia) đã được sử dụng, với các nguồn phát thải BC từ những khu vực giữa vĩ độ của nhiên liệu hóa thạch và đốt sinh khối, để mô phỏng nồng độ BC trong thời gian 16 năm. Nồng độ BC mô phỏng bởi mô hình phù hợp tốt với các quan sát BC, bao gồm cả xu hướng và tính mùa vụ, tại ba địa điểm Bắc Cực: Alert (Nunavut, Canada), Barrow (Alaska, Hoa Kỳ) và Zepplin, Ny-Ålesund (Svalbard, Na Uy). Các quan sát carbon đen tương đương (EBC, BC được suy ra từ độ hấp thụ) tại ba địa điểm Bắc Cực cho thấy tổng thể đã giảm 40% từ 1990 đến 2009; với phần lớn sự thay đổi xảy ra trong những năm đầu thập niên 1990. Các mô phỏng của mô hình đã xác nhận sự giảm thiểu ảnh hưởng đến đóng góp BC gần bề mặt khoảng 70% và khối lượng BC trong khí quyển đã giảm một nửa từ khu vực nguồn BC của Liên Xô cũ (FSU) trong suốt 16 năm. Ngược lại, đóng góp BC từ khu vực Đông Á (EA) có ảnh hưởng rất nhỏ đến bề mặt nhưng khối lượng BC trong khí quyển của Bắc Cực đã tăng gấp 3 lần. Sự lắng đọng khô được mô phỏng chiếm ưu thế trong Bắc Cực vào mùa đông, trong khi sự lắng đọng ướt chiếm ưu thế ở tất cả các vĩ độ vào mùa hè. Các phân tích độ nhạy về các chế độ lắng đọng khô và ướt cho thấy rằng các tham số hóa cần được tinh chỉnh để cải thiện hiệu suất của mô hình. Có những hạn chế trong mô hình do các tham số hóa giản lược và các không chắc chắn còn lại của mô hình, điều này yêu cầu cần khám phá thêm về sự đóng góp từ các khu vực nguồn, đặc biệt là từ khu vực nguồn EA đang phát triển đến mức carbon đen ở Bắc Cực trong tương lai.

Thông qua phân tích nhiều bộ dữ liệu phát thải CO₂ từ nhiên liệu hóa thạch trên toàn cầu, dữ liệu phát thải Vulcan cho Hoa Kỳ, Báo cáo Kho Invento Quốc gia của Canada và sự biến đổi NO₂ dựa trên quan sát vệ tinh, chúng tôi xác định các yếu tố tỷ lệ có thể áp dụng cho các bộ dữ liệu phát thải toàn cầu để thể hiện sự biến đổi phát thải CO₂ theo tuần và theo chu kỳ trong ngày. Điều này rất quan trọng cho việc mô hình ngược và đồng hóa dữ liệu CO₂, sử dụng các phép đo tại chỗ hoặc từ vệ tinh chịu sự biến đổi trên các thang thời gian này. Các mô phỏng mô hình áp dụng tỷ lệ theo tuần và theo chu kỳ trong ngày cho thấy rằng, mặc dù ảnh hưởng là nhỏ xa nguồn phát thải, CO₂ trong khí quyển bề mặt bị thay đổi lên đến 1.5−8 ppm và CO₂ trung bình trên cột bị thay đổi từ 0.1−0.5 ppm tại một số thành phố lớn, cho thấy độ lớn của sai số mô hình đối với các khu vực đô thị khi các chế độ biến đổi tạm thời này không được đại diện. Ngoài ra, chúng tôi cũng xác định các yếu tố tỷ lệ để tính đến sự khác biệt lớn về phát thải CO₂ trên đầu người giữa các tỉnh bang của Canada do sự khác biệt trong việc sử dụng năng lượng trên đầu người và tỷ lệ năng lượng được sản xuất qua các phương pháp không phát thải CO₂, mà không được tính đến trong các bộ dữ liệu phát thải toàn cầu dựa trên dân số. Các sản phẩm kết quả của các phân tích này là bản đồ tỷ lệ theo kiểu lưới toàn cầu 0.25° × 0.25° có thể áp dụng cho các bộ dữ liệu phát thải CO₂ từ nhiên liệu hóa thạch toàn cầu để thể hiện sự biến đổi theo tuần và theo chu kỳ trong ngày, và bản đồ tỷ lệ 1° × 1° để phân bổ lại phát thải không gian từ hai bộ dữ liệu toàn cầu phổ biến nhằm tính đến sự khác biệt trong phát thải trên đầu người tại Canada.

Cảm biến VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) được phóng vào ngày 28 tháng 10 năm 2011 trên vệ tinh Suomi National Polar‐orbiting Partnership (SNPP). VIIRS có 22 dải quang phổ covering from 0.412 µm đến 12.01 µm, bao gồm 16 dải độ phân giải trung bình (dải M) với độ phân giải không gian danh nghĩa 750 m tại điểm thẳng đứng, năm dải độ phân giải hình ảnh (dải I) với độ phân giải không gian danh nghĩa 375 m tại điểm thẳng đứng, và một dải ban ngày-ban đêm (DNB) với độ phân giải không gian gần như không đổi, danh nghĩa 750 m trong suốt quá trình quét. Các dải này được bố trí trong ba khối lắp ráp mặt phẳng hội tụ (FPA): một FPA trong vùng khả kiến và gần hồng ngoại, một FPA trong vùng hồng ngoại sóng ngắn và sóng trung, và một FPA trong vùng hồng ngoại sóng dài. Tất cả các dải, ngoại trừ DNB, được đồng bộ hóa để thu thập chính xác các hồ sơ dữ liệu môi trường. Các quan sát từ thiết bị VIIRS cung cấp các phép đo dài hạn về các biến sinh vật vật lý cho nghiên cứu khí hậu và dòng dữ liệu vệ tinh cực cho cộng đồng sử dụng trong dự báo thời tiết, cứu trợ thiên tai và các ứng dụng khác. Dữ liệu của thiết bị được định vị chính xác (geolocated) rất quan trọng để thu thập các biến sinh vật vật lý chính xác. Bài báo này mô tả các phép đo hướng và căn chỉnh trước khi phóng, cùng với hai bộ điều chỉnh lỗi định vị địa lý trên quỹ đạo, bộ đầu tiên đã điều chỉnh lỗi từ 1300 m xuống còn 75 m (20% kích thước pixel dải I), và bộ thứ hai đã điều chỉnh các lỗi phụ thuộc vào góc quét, đưa sản phẩm định vị địa lý VIIRS đạt mức độ trưởng thành cao trong vòng một năm rưỡi hoạt động trên quỹ đạo của SNPP VIIRS. Bài báo cũng mô tả việc hiệu chuẩn trước khi phóng và đặc trưng hóa đáp ứng xung không gian của cảm biến cùng với việc đồng bộ hóa giữa các dải.