看似不起眼的沙塵旅行，傳遞著地球氣候、生態系的重要訊息。
撰文╱巴托勒特（Jeffrey Bartholet）翻譯／邱淑慧
重點提要
■雖然科學家投注許多心力研究污染，但多年來他們忽略了天然沙塵與大氣的關聯。最近他們開始意識到，沙塵會影響氣候與雲的形成，並且會為海洋與雨林帶來養份。
■科學家為此進行了許多研究，但大氣中沙塵的效應很複雜，因此我們所知仍有限。即使以最好的超級電腦進行最複雜的模擬，也無法提供完整的解釋。
位在撒哈拉沙漠南緣的波德利窪地，是片可怕的孤寂之地。咆哮的狂風掃過鄰近的提貝斯提山和恩內第高原，匯入這個如美國加州般大小的乾烤荒地時，風速更為強勁。這裡曾有座水量豐沛的淡水湖，但如今只剩下一個水坑。這裡最常見的景觀，就是空無一物。
不過有的時候，當風掃過這座古湖泊的湖床時，會將無數的細小顆粒捲向天空，形成紛飛的龐大煙雲。接著這些沙塵開始了神秘的旅程，這正是科學家現在極力想探究的。
幾十年前，科學家對於沙塵並不怎麼在意，就像我們一般人一樣，會清除家具底下的沙塵，偶爾注意到房子裡有微塵飄舞，這些顆粒通常綜合了昆蟲屍體的殘屑、植物纖維和廚餘碎屑。研究地球大氣的科學家，則著重於大氣中人類製造的粒子，也就是污染物。只有少數科學家想要確認，那些不時在地球循環的數百萬公噸土壤或礦物沙塵，是如何影響氣候、使海洋豐饒，並提供了亞馬遜雨林等地的重要營養成份。
美國邁阿密大學的海洋學與大氣化學榮譽博士普洛斯佩羅（Joseph M. Prospero）就是沙塵研究的先驅者之一，然而他回憶1960~70年代他發表論文指出非洲的沙塵會大規模移動、飛越大西洋抵達美洲時，他的同事很懷疑這也能做為重要的科學題目嗎？「人們總覺得把沙塵當題目很可笑。」他表示。
他監測巴貝多等原始地區的沙塵測站，分析並測量空氣過濾器捕捉到的東西。他的研究過程是孤獨的，然而研究結果卻提高了大家對沙塵的興趣，因為越來越清晰的衛星影像，與普洛斯佩羅描述的情景非常吻合：沙塵顆粒形成數百公里寬的巨大羽狀煙塵，如同巨大風暴產生的風浪般掃過非洲大陸，落在大西洋的另一側。同時，人們對於氣候變遷研究更感興趣，而且越來越顯而易見的是，沙塵對地球的溫度變化有舉足輕重的影響。
普洛斯佩羅說：「現在關於沙塵的科學論文很多了，多到不可能全部讀過。」根據統計，由1970年代早期到2001年，關於撒哈拉沙漠沙塵的論文數量每四年增加一倍。美國德州大學地質科學副教授吉爾（Thomas E. Gill）負責協助維護沙塵研究的資料庫，他說要跟上進度其實很困難，「你認為這是個深奧的題目，但是每星期我都會看到以各種形式討論沙塵的50~100篇論文。」
這所有的研究告訴了我們什麼呢？沙塵的故事其實是在描述一項挑戰，企圖找出我們所居住的行星正在發生什麼事。它顯示出，地球生態系某個區域的變動，會對其他區域造成巨大影響。「我們的科學工具讓我們更能得到答案的同時，也啟發更多問題。」維吉尼亞大學環境學教授史瓦普（Robert J. Swap）表示。他在1992年共同發表了一篇論文，是關於亞馬遜河流域裡的非洲沙塵，他對沙塵的研究結論是：「我們應該尊重自然的複雜性。」
非洲來的沙
要了解這個複雜性，有個方法是追蹤那些假設來自撒哈拉且飛越大西洋的極少量沙塵。在這些沙塵的旅途中，以及抵達下一個目的地（它們並沒有終點）時，我們都可以研究它們與周遭環境如何相互影響。
我們由波德利開始，是因為那裡是地球上最為沙塵瀰漫的地方。更廣大的撒哈拉沙漠和鄰近的沙赫爾沙漠，也是沙塵的來源：每年夏天，非洲的沙塵會飛越美國南部和東部的大部份地區，弗羅里達的沙塵有75~80%是這樣來的。當邁阿密下雨時，居民清理車子表面的紅色沙塵，所拭去的是經過了長途旅行、來自非洲的訊息。在巴哈馬群島或弗羅里達群島上漫步，就如同走在非洲的土壤上。
地球每年產生約20億公噸的沙塵，其中一半以上來自非洲的沙漠和旱地。中國產生的沙塵會往夏威夷和北美西部而去，巴塔哥尼亞的沙塵則會飄往南極洲；格陵蘭的沙塵則大多來自亞洲，但是1930年代乾旱導致的美國沙塵暴，似乎也以某種方式前往格陵蘭冰河。
非洲的沙塵大多乘著西風，飛行6400公里越過大西洋。根據估計，每年大約有4000萬公噸的沙塵降落在亞馬遜雨林，其中有一半可能是來自波德利，這些沙塵含有鐵、磷等生命所需的礦物質。
波德利的沙塵在起飛之前，一直在地質「候機室」中。當土壤原本的表層脫離，新的一層便會暴露在空氣中。要使沙塵顆粒離開土壤表面並且開始飛舞，所需要的風速會與地表和氣候的狀態有關，不過一般而言，約是每秒4~12公尺。當沙塵顆粒開始彼此推擠，會使土壤鬆動，較小的顆粒會往上浮動。飄浮在空中的沙塵開始混合在一起，最初是與盤旋在波德利上空的其他顆粒，後來則是與非洲其他地方的沙塵和污染物混合，最後成為飛越大西洋的龐大沙塵的一部份。
當我到普洛斯佩羅位於邁阿密大學的辦公室拜訪他時，他給我看了電腦裡的衛星照片，並且搖頭說：「這有點混亂。」他用手指出非洲與大西洋不同起源且多種顏色的羽狀流動，「就數量上看來，很難明確指出哪裡發生了什麼事。沙塵全部混在一起，從非洲北部不斷向外吹送。」
千年來可能都不曾發揮任何作用的沙塵，一旦進入大氣，便開始影響氣候。沙塵會吸收來自太陽的輻射，也會吸收地球表面反射的輻射，因而使大氣增溫。但它也會把部份輻射反射回太空中，造成冷卻效應。哪一部份的輻射會被吸收或反射，取決於沙塵的化學成份、礦物質和沙塵顆粒大小，還有光的波長。在大多數情況下，沙塵傾向於反射來自太空的短波輻射，吸收來自地表的長波輻射；如果混雜了煤灰，甚至會吸收更多的熱。
【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2012年第122期4月號】
