尘埃上百里，奥秘亿万年

黄宗慈

在人们看来，灰尘是最不起眼的无用之物，然而，在距离地球数十千米的平流层里，尘埃却非同一般，它们是人类探索太阳系起源和地球未来气候趋势的重要线索。

与地面附近满是尘埃的空气相比，20千米以上的大气算是纯净的，但即使这样，在距地球表面15～50千米的平流层，依然有尘埃存在。在这里，火山喷发的物质与太阳系早期的粒子、航天器的残骸等混合在一起，令不同学科的科学家颇感兴趣。这些科学家已对平流层中形形色色的尘埃锲而不舍地研究了20年。

平流层里有秘密

在距离地面17～40千米的高空，停留着来自火山、宇宙和宇航空间的尘埃。

早在20世纪70年代，科学家就开始搜集和分析这些尘埃。通常，每1000立方米，也就是差不多一座中等规模公共游泳池的体积里，有1～10个直径为10～50微米的尘埃粒子，人们一般通过飞机或气球对它们进行收集。

平流层里尘埃的构成是不断变化的。有从上面落下的，也有从下面进入的，而已经在那里的粒子还在地球引力的作用下频频下落。一个粒子的位置越高，从平流层下降到对流层的时间就越长。除此之外，粒子下降的速度取决于它的形状、结构和大小。比如，一颗小的球状粒子显然下落得比一颗又大又扁的粒子快得多。

尘粒如此之小，电子显微镜是最有效的观测仪器。用最先进的电子显微镜可以观察直径十分之几纳米的无机物结构，还可以分析尘粒中直径小于1／20微米的单个无机物晶粒的成分，甚至還能测量氧的稳定同位素比例、氘和氢的比例，鉴定出来自外层空间的尘埃。

根据尘埃的形状和化学成分，可以分辨出来自火山、宇宙和宇航空间的3种粒子。由于粒子的光学特征——颜色、光泽和透明度与依赖颜色、成分的分类法完全相同，所以对一个尘埃样品进行光学检验，就可以知道样品中3种尘埃粒子的比例。在平流层里，虽然尘埃数量有变化，但每立方米中宇宙尘的数量是恒定的。宇宙尘以一定比例到达大气顶部，然后均匀地下落到地球表面。因此，科学家通常把宇宙尘作为测量其他类型尘埃数量变化的一把标尺。

火山、宇航、尘埃

在过去的几十年里，地球上陆续发生了几十次较大的火山爆发，巨大的冲击力能够将火山灰直接送到平流层，每次产生的大量尘埃都要在平流层里持续停留几年。

1985年5月，在墨西哥的埃尔奇琼火山爆发3年后，研究者仍然在距离地面35千米左右的高度——火山羽状物所能达到的最高位置，发现了直径千分之几到10微米的火山尘；但在喷发后的第2年，在较低的平流层里——大约18千米高处，却没有发现直径大于1微米的尘粒。目前，科学家还不了解火山尘下沉的速度有多快，散布是否均匀。

火山灰主要由无机物晶粒的碎块或团块形式的硅酸盐构成，个别的则是磷石英和斜长石。磷石英是像石英那样的硅氧化物，斜长石是一种钙钠铝硅酸盐。像辉石和橄榄石这样的镁、铁硅酸盐很少见，像重晶石、铁氧化物和铅氧化物这样的无机物也不多。这些无机物都是典型的火山灰。除此之外，火山灰还包括盐和钾盐的结晶、钙硫酸盐结晶，以及硫酸微粒。

火山的强烈爆发，会使距离地面27～35千米高的硫酸微粒层的密度增加，从而导致地球表面平均温度下降，给全球气候带来明显的短期效应。至于火山尘能否长久拦阻太阳辐射，或者清除平流层里的有害气体，还不得而知。但可以确定的是，火山尘的浓度起伏很大，在较大的火山爆发后，浓密的火山灰会淹没其他种类的尘埃，包括科学家调查宇宙尘的飞行计划，也只能暂时中止。

除了火山灰，平流层里还有来自地球的宇航空间尘埃。

从1957年10月苏联发射人类第一颗人造地球卫星开始，航天器的发射和运行都在产生尘埃：运载火箭上升时，会喷出大量废气，箭体受热，表面油漆就会剥落，这些都会形成微小的粒子，留在火箭的轨迹中；到了空中，为了保持轨道高度和定位，航天器按惯例要点燃固体燃料火箭，火箭排出的固体物质也会落到平流层里；在轨道中运行的航天器如果被太空中高速飞行的陨石击中，航天器的部分碎片就会掉落进平流层。可以说，从人类有了航天活动以来，平流层里宇航空间尘埃的数量与日俱增。

宇宙尘，来自太阳系的童年

相比以上两种，科学家更热衷于对宇宙尘的研究。宇宙尘是迄今人们能够得到的除陨石、月岩之外的第三种宇宙物质，里面藏着大量关于太阳系早期地质活动的信息。

每年，有1万～1 0万吨尘埃作为陨星从空间落入地球大气层。这些陨星通常只有微米大小，母体大部分是在空间运行了几十亿年的小行星和彗星。从外形看，它们多为球形，表面有的粗糙并有烧蚀的痕迹，有的光滑而晶莹透明并呈现五颜六色。由于它在落入地球大气层后运动速度很慢，不会像流星那样燃烧，因此可能保存着更多的原始信息。搜集平流层里的宇宙尘，是研究太阳系早期天体样品的一种既便利又有效的途径。不过，要知道这种原始粒子隐藏着什么秘密，必须先弄清楚它们进入平流层的情况。

直径上百微米的粒子在进入大气时，会发生熔融，最后呈球形，通常是硅酸盐、铁镍混合物或铁镍硫混合物。它们的结构取决于进入大气的时间（一般为5秒）和变热的方式。熔融后，尘埃的成分有了变化，会失去像钠、硫这样的易挥发元素，留下铝、镁这样的不易挥发元素。

也有一些宇宙尘粒在进入大气时未熔融，保持了它们的原始特征。一粒尘埃进入大气后能达到多高的温度，取决于它的质量、进入大气时的角度和速度。大部分宇宙尘粒的质量几乎相同，如果进入大气的角度也相同，那么就只有速度会决定它们的熔融程度。测算表明，源于小行星的尘埃进入大气的速度约为5.5千米/秒，彗星尘的速度则要快得多。总体来看，彗星尘一般都熔融了，留下来的常常是小行星尘。

最有意思的或许不是结构单一的球状体，而是尘粒的聚合体。一些绒毛状、多孔的铝聚合体，其稳定性同位素的比例证明它们来自外层空间。这种尘埃含有在1200℃以上的高温下形成的黑富铝钛石和黄长石，估计它们是太阳诞生时最早出现的无机物。这些铝聚合体很可能是来自星际空间的粒子。

另外一种聚合体呈球粒多孔状，几乎可以肯定它是太阳系最早的粒子，其成分具有原始球粒陨星的典型特征，氦、氖稳定同位素的比例，氘和氢的比例，为它们的宇宙起源提供了支持。这种微粒的矿物学性质和结构表明，它们几乎原封不动地保持着太阳系诞生时的状态，似乎是一种罕见的地外物质。这种聚合体与一般陨星不同源，可能是彗星或外层小行星带中的固体残骸。由于木星的引力摄动，以这类小行星为母体的大陨星很难进入太阳系内层。它们含有数百个直径为几纳米的无机物晶粒，一般是嵌在非结晶碳和来历不明的碳氢化合物里的铁，以及镍硫化物的富镁硅酸盐，是一些如果加热或加压就容易被破坏的无机物，很可能在进入大气之前就已经作为小物体飘浮在空间中了。在那里，高能太阳粒子击中暴露的无机物晶粒，产生了伤疤似的痕迹。如果这些聚合体曾经是在较大的天体里，那么辐射是不可能破坏它们的。还有一些长得像小晶体，直径1微米左右的辉石晶体。这种奇怪的形状说明它们是在冷却太阳星云里形成的尘埃。

其他原始粒子还包括一些球形结构的碎块，差不多占平流层宇宙尘的10%～15％。球状碎块表面很光滑，碳含量丰富，主要成分是层状硅酸盐，即水和橄榄石、辉石反应时形成的无机物。现在还不清楚球状碎块和前者之间的确切关系，以及两种结构是否来自同一类天体。如果它们确实起源于同一类天体，那将进一步证实早期太阳系演化着的行星上就已经存在水了。

明确回答关于这些微粒的问题为时尚早。目前，科学家还不知道这些小粒子是如何改变地球气候的。对尘粒的研究使我们对它们有了初步的认识，继续深入探讨不仅会丰富地球和平流层的知识，而且也有助于我们了解地球气候的长期变化。