研究收藏Education and activities
当前位置 > 首页 > 研究收藏 > 学术动态

鸟类标本揭示空气污染的变化

        在鸟类的羽毛中获取的黑碳颗粒含量正在帮助科学家重新认识过去100年中美国空气污染的状况。美国的研究人员测量了在过去一个世纪里美国北部几所工业城市中采集的1,300只百灵、啄木鸟和雀类标本中的黑碳含量。他们的结果更为全面地反映了美国工业发展进程中空气污染状况[1]。这项研究也提高了我们对历史气候变化的认识。

    红头啄木鸟(Melanerpes erythrocephalus

1901年(上)和1982年(下)的红头啄木鸟标本(Care Fuldner 和 Shane DuBay提供)

 烟雾弥漫的城市

        黑碳颗粒是煤烟的主要组成部分,通过煤炭等化石燃料的不完全燃烧产生。由于19世纪末,欧洲和美国的大规模工业发展,煤烟所造成的空气肮脏是当时主要的环境问题之一。

       由于煤炭在家庭和工厂中不受节制的燃烧,城市很快就被煤烟所覆盖。虽然黑碳对城市居民生活健康的巨大影响早在数十年前已被公认,但至到近年科学家们才逐渐了解到黑碳颗粒在气候变化中的作用。当它们悬浮在空气中时,颗粒物质会吸收光照所产生的热量,从而加速气候变暖。当它落到地面上时,会加快冰雪融化的速度,甚至通过大气循环与北冰洋地区的冰雪融化有关。

       美国研究人员一直在努力寻找准确记录工业产生的黑碳含量的方法,这些黑碳所产生的烟雾在19世纪末一直弥漫在芝加哥,底特律和匹兹堡等工业城市群的上空。

        田雀鹀(Spizella pusilla pusilla

        上图比较了1906年和1996年的田雀鹀标本,可以看出腹部的颜色显著不同,在下图中可以看到使用扫描电子显微镜对腹部羽毛的拍摄,发现了在1906年的标本上发现了黑碳颗粒(下左),下中为黑碳颗粒的放大,下右图为1996年干净的羽毛样本(来自Dubay和Fuldner 2017,PNAS论文)。

       这项新发表的研究是用一个不常规的方法度量在过去100年里,从美国这片工业城市群里面黑碳污染的规模。科学家通过在该地区的自然历史博物馆的鸟类标本中测量了黑碳存在的证据。当它们飞过烟雾弥漫的城市上空的大气时,黑碳的颗粒被保留在鸟类身体或者翅膀的羽毛里(如上图)。研究人员能够通过拍摄鸟类并测量反射的光量来准确地估算每只鸟上的黑碳丰度。这项工作的作者之一——芝加哥大学菲尔德自然历史博物馆和芝加哥大学的研究者Shane DuBay告诉“英国广播公司(BBC)”的记者:“当我们检视这些博物馆中的鸟类标本,发现了100年来的鸟类标本羽毛有黑碳,这是它们在烟雾缭绕的工业区城市带的天空上活动的证据(如下图)。

    角百灵(Eremophila alpestris

20世纪初在城市工业群(左)和之外(右)的角百灵标本(Care Fuldner 和 Shane DuBay提供)

    Shane DuBay 接着说:“我们看到,现在的鸟类标本很干净,我们知道在某个时间点,这些鸟类羽毛都被“净化”了(如下图)——当我们对光反射到羽毛上的数据进行第一次分析时,我们大吃了一惊,原来这种光学分析能给我们提供如此高的精度!”他们对1,300多只鸟类标本的分析显示,在二十世纪头十年的黑碳含量达到顶峰,这说明在上个世纪早期的空气比以前想象的还要差。

    东唧鹀(Pipilo erythrophthalmus

1906年的(上)和2012年(下)的东唧鹀标本(Care Fuldner 和 Shane DuBay提供)

    这项研究表明,在美国经济大萧条的时期,煤炭使用量下降,但又在第二次世界大战期间再次激增。随着二战后新燃料的使用,如天然气或者污染较少的煤炭被普通家庭用来作为供暖的燃料, 黑碳污染的情况就一直处于下降的趋势。

    这项研究不仅改善了我们对于美国工业地区空气污染状况随时间变迁的了解(如下图),而且也表明,目前的认知低估了早期工业化时期大气中黑碳的水平。Shane DuBay说:“我们研究的重大意义和启示还在于:它重新确定了大气中黑碳的相对浓度,结果表明浓度高于之前用其他方法估计的值,这有助于我们去了解黑碳在过去气候变化中所扮演的角色,并使得我们能够更为准确地模拟未来气候变化的情形。”

    上图使用美国北部工业城市带中的5种共1097只(每一个点代表一个个体)鸟类腹部羽毛的黑碳颗粒反射率的倒数(Z score,高的值代表碳富集量多的个体,低的值代表干净的个体)的估算重构出的自1880-2015年的变化趋势(黑色线);橘黄色线代表美国能源信息部提供的煤炭消费量(1950之前每五年一个平均值,之后每年一个值);紫色线是根据Bond等人2007年文章估算的每年的碳排放量[2]。可以看到几个关键的时间节点 :1881年第一部美国吸烟条例;1906-1910年格陵兰岛的冰芯开始融化;1929年美国经济的大萧条时代;1945年第二次世界大战结束;1955年治理空气污染行动启动;1963年清洁空气行动启动;1970年清洁空气行动延长。

    在完善了这种创新性方法之后,作者认为,他们的研究方法同样适用于世界上具有工业传统的其他国家和地区。来自芝加哥大学的合作者卡尔·福尔德(Carl Fuldner)说:“我们对使用该方法在英国进行研究的前景感到非常兴奋,因为这个国家不仅有更加悠久的工业文明史,而且自然历史方面的收藏也十分丰富。“英国所能提供的一些研究资源(如鸟类标本)可以帮助我们构建更为久远的历史图景,所以我们可以预期,从比较研究中人们很有可能获得更令人惊叹的结果”。本研究已在线发表于“美国国家科学院学报”(PNAS)杂志。

     参考文献

   [1] DuBay S. & Fuldner C.C. 2017. Bird specimens track 135 years of atmospheric black carbon and environmental policy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Online first:  doi:10.1073/pnas.1710239114

   [2] Bond TC, et al. 2007. Historical emissions of black and organic carbon aerosol from energy-related combustion, 1850–2000. Global Biogeochemistry Cycles 21:GB2018.

本文摘自:2017-10-15 Matt McGrath 推鸟









返回
地址:友谊路31号,银河广场(近平江道) 电话:022-23347988 022-23359807
版权所有:天津自然博物馆 技术支持:才略科技 备案信息:津ICP备14004277