在本周的“裸体科学家”节目中，我们来看看天空，找出监测和改变大气化学成分的方法。我们和研究人员一起登上了一架空气采样飞机，去发现太阳落山后大气化学成分是如何变化的，我们还讨论了如果天气太热，如何设计气候。在新闻中，厄瓜多尔人可能拥有无病生活的基因钥匙，以及在死亡谷中移动的岩石。此外，有针对性的肌肉再神经支配策略可以为截肢者提供更强大的假肢控制能力。
在这一集里
01:50 -侏儒症基因是健康长寿的关键?
侏儒症基因是健康长寿的关键?
根据发表在该杂志上的一项研究，厄瓜多尔一个与世隔绝的人群可能掌握着健康长寿的基因关键科学转化医学这个星期。
众所周知，生长信号通路的突变可以延长酵母菌和线虫等模式生物的寿命，减少遗传损伤，甚至可以降低小鼠的胰岛素抵抗和癌症发病率。
为了找出相似基因突变对人类可能产生的影响，厄瓜多尔基多内分泌、代谢和生殖研究所的Jaime Guevara-Aguirre;南加州大学的Valter Longo和他的同事研究了一组99人，他们都表现出生长激素受体(GHR)基因的突变——他们中的大多数都有E180突变，由此产生的蛋白质缺少8个氨基酸，因此不能折叠成正确的形状。由于这种突变，它们的生长受到限制。
自1988年以来对受试者本身进行了观察，并收集了另外53名ghr缺乏亲属和1606名未受ghr缺乏影响的亲属的疾病和死亡信息。这使得研究人员可以研究两种人群的疾病和死亡原因，看看是否有任何显著差异。
癌症占所有疾病的17%，占未受影响亲属死亡的20%，但没有记录为ghr缺乏人群中任何人的死亡原因。同样，在受影响的人群中也没有糖尿病病例的报告，血液测试显示胰岛素水平明显降低——这告诉我们，这种突变增加了胰岛素敏感性。然而，没有证据表明寿命延长，这可能是由于惊厥性疾病、酒精中毒和事故等与年龄无关的原因造成的死亡比例很高。
为了解释这可能是为什么，研究人员将人类细胞与ghr缺陷受试者或其未受影响亲属的血清孵育，然后将这些细胞暴露在高度氧化的过氧化氢溶液中。虽然与ghr缺陷血清孵育的单个细胞显示较少的DNA损伤，但这些细胞中也有较高水平的凋亡或程序性细胞死亡。这表明细胞倾向于自我毁灭而不是累积DNA损伤。
作者认为，他们的结果“为进一步研究阻断GHR的药物在预防或减少癌症、糖尿病和其他与年龄有关的疾病的发病率方面的作用提供了基础。”
地球等离子体尾巴的图片
北极光最近出现在本周的新闻中，它们是由太阳风引起的，太阳风是由太阳抛出的高能带电粒子组成的，它们被地球磁场捕获，然后撞击到大气中，激发空气分子，使它们发光。不幸的是，对于那些试图理解这一点的人来说，移动的带电粒子实际上是一种电流，电流产生磁场，改变粒子的路径，改变磁场等。
更困难的是，带电粒子在太空中飞行时基本上是看不见的，它们对磁场的影响只能通过在那个位置放置仪器来测量，而且一次可以使用的卫星数量是有限的。
星际边界探测器或IBEX卫星实际上是为了观测太阳层顶而设计的，太阳层顶是太阳磁场和太阳风被银河太阳风淹没的地方。在这个连接处，有时带电的原子核会吸收电子成为中性原子，这些电子不受磁场影响，只受重力影响，继续沿直线运动。所以如果其中一些到达IBEX卫星，你可以测量它们的方向。IBEX已经建立了一些有趣的日球层顶的照片，但有时在它的轨道上，它看着地球，那里发生了非常相似的事情，地球的磁场被太阳的磁场所淹没。
结果是一个公认的低分辨率的磁尾或等离子体片的图像，从地球后面流出。Dave McComas是这次任务的首席研究员，他发布了两张彗尾的照片，照片显示这是一个非常活跃的地方，从一个轨道上拍摄的照片显示它是一条光滑的彗尾，但另一个轨道上有一块等离子体被挤压，比目前理论预期的更接近地球，可能是因为彗尾被太阳风挤压了。
随着太阳进入其11年太阳活动周期的活跃阶段，太阳风暴已经摧毁了卫星、电报甚至电网，了解这些过程变得越来越重要。这是一个有趣的例子，一个用来研究非常抽象的东西的仪器被用在离地球更近的地方。
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目标肌肉再神经支配推动假肢性能
芝加哥康复研究所的Todd Kuiken和Martin Baechler博士;格伦·雷曼中士
当一个人失去肢体的时候，虽然可以用假肢代替缺失的部分，但让它移动完全是另一回事。但芝加哥大学开创的一项技术可能会改变这种状况。
托德·库伊肯(Todd Kuiken)一直在进行定向肌肉再神经支配手术的实验，他所做的是将过去供应被切断的身体部位的神经重新引导到肢体上的一块肌肉中。现在，当病人想要移动身体缺失的部分时，重新连接的肌肉会改变它的活动。通过使用电极来窃听这种活动，它可以用来控制假肢手臂的马达。
在华盛顿举行的美国科学促进会会议上，克里斯·史密斯会见了托德·库伊肯和他的病人格伦·雷曼中士，后者实际上已经接受了这种手术。
托德:我们最大的挑战是如何控制假肢。你失去了手臂，我们可以制造机械肢体，但你怎么告诉它做什么?所以我们已经开发了一种技术，我们称之为目标肌肉再神经支配，我们已经开发了一个神经接口来捕捉人们想要用他们的肢体做什么。从本质上讲，它的工作方式是我们取走过去通往断臂的主要神经，它们仍然具有功能。它们会发出运动指令，如果你刺激它们，你就会感觉到失去的手臂。所以我们把这些神经移植到残肢的一些备用肌肉上。这些神经会生长到这些肌肉中，当他们——比如格伦——想要握紧他的手时，他的内侧二头肌就会收缩，我们可以检测到肌肉收缩的信号并告诉他的假手握紧。这样，我们可以得到更多的功能和直观。他想把手合上。他的手合上了。
克里斯-格伦，你能给我们示范一下吗?
格伦——我能。
克里斯-首先，跟我们谈谈你到底发生了什么事，你用假肢多长时间了?
格伦- 2008年11月1日，我失去了我的手臂。我在伊拉克参加战斗巡逻，他们向我的卡车投掷了一枚RKG-3手榴弹，它穿透了装甲，使我的手臂分离或截肢。在那之后，我被疏散到沃尔特里德医院接受治疗。Baechler医生和Kuiken医生来找我，问我是否愿意接受定向肌肉再神经支配手术，就在上周，我接受了这只手臂，或者去了芝加哥的IRC，和他们一起训练这只手臂。
克里斯-你能给我们展示一下它的功能吗?
格伦-我可以举起它们，放下肘部，我可以转动手，这样就可以伸出来了。我可以张开和闭合我的手，我可以向内或向外弯曲手腕。这些动作都是由我控制的，想着我的幻肢。
克里斯:所以你在想，你不再拥有的手指在移动，但很明显，这些想法被转化为假肢的功能。
格伦:是的，没错。
克里斯:容易学吗?
格伦——我用这只手臂才两个星期，所以很容易。
克里斯-你能处理什么样的运动分辨率?如果我给你一些豌豆让你捡起来，你能做到吗?
格伦——我相信我能，是的。物品越大，就越容易掌握。我的意思是，一瓶水或类似的东西更容易。把桌子上的东西拿下来是很困难的。
克里斯:如果你没有这个，你会用什么来代替它，它在什么方面丰富了你的生活?
格伦:我只要一只传统的手臂就行了。我可以操作肘部和手，但不能同时操作。我只能通过切换共收缩肌肉来循环每件事。所以这就像是小型货车和跑车之间的比较。这是不同的分类。
克里斯-马丁(Baechler)，你必须做一些手术来实现这个目标。要实现这样的假肢需要做些什么呢要把神经重新连接到肌肉等等?
马丁:手术的效果其实很简单。解剖结构是可以预测的，将切断的神经移植到健康肌肉上的过程也很简单。
克里斯:病人真正开始使用和使用这些假肢需要多长时间?
马丁:嗯，因为我们把切断的神经放在离新肌肉很近的地方，只需要几个月的时间，肌肉就会开始收缩。它可能需要六个月甚至一年的时间才能完全成熟，大脑和新神经支配的肌肉之间的联系也会停滞不前，这就是未来的样子。
克里斯:托德，回到你的话题上来，关于这个过程是如何工作的，实际上，在格伦想要做什么时，有一些物理上的电极可以听到肌肉在做什么。
托德:没错。我们有几组像天线一样的小电极，监听他的肌肉。
如果他是在20年前受伤的，而不是最近才受伤的，你在他刚刚受伤的时候找到他，这对他能否成功会有什么影响吗?
托德:可能是吧。这个问题的答案并不为人所知。我们可以在年轻病人受伤后的5到10年做手术，但也许有一天我们会发现有一个限制，我们不想跨越这个限制。我们知道，神经在受伤后的几十年里仍然可以存活，但它们的再生能力有多好还是个问题。
克里斯:那感觉呢?因为此刻，他显然能看到自己在做什么，但他感觉不到自己在做什么。接下来把它带入那个域呢?
托德:我们已经能够为一些截肢者提供手部感觉。我们要做的是通过这些神经转移将神经切到皮肤上然后手的感觉神经就会生长到残肢皮肤上。所以当你触摸它的时候，感觉就像你触摸了失去的那只手。这对我们来说是非常令人兴奋的，因为它让我们有可能把传感器放在假肢上，当你触摸什么东西或者你挤压的力度有多大，然后把这些信息反馈给病人，这样病人就能感觉到他们失去的那只手受到了触摸或压力。
如果这个假肢和传统的小型货车相比就像一辆跑车，那么想象一下，当你能感觉到你的假肢触摸到的东西时，它会是什么样子。这是托德·库伊肯、马丁·贝克勒和格伦·雷曼中士本周在华盛顿举行的美国科学促进会会议上对克里斯·史密斯所说的话。
黑熊可能会把我们送到星星上
阿拉斯加黑熊不像其他较小的哺乳动物那样冬眠，了解它们是如何实现冬季休息的，可能有助于改善医疗保健，并为深空旅行打开大门。
冬眠在具有挑战性的环境中是一种非常有用的行为。通过减缓新陈代谢速度，动物能够显著降低能量消耗，仅靠身体储备就能度过严冬。一般来说，体温每下降10摄氏度，代谢率就会减慢50%。
到目前为止研究的大多数冬眠动物，通常是像刺猬这样的小型哺乳动物，通常会连续几周将体温降低到冰点附近，偶尔会在体温上升到正常水平时休息一天左右。这些休息被认为是修复冬眠本身造成的神经损伤的机会，并且占动物冬眠期间能量消耗的80%左右。
由于技术限制，像熊这样的大型动物更难研究。写日记科学在美国，阿拉斯加费尔班克斯大学的研究人员和斯坦福大学的同事们有一个独特的机会来研究被阿拉斯加渔猎局作为讨厌的动物捕获的五只阿拉斯加熊。Øivind Tøien和同事们让熊在人工洞穴中冬眠，这些洞穴配备了红外摄像机、活动探测器和其他遥感设备，并在冬眠的五个月里对它们进行监控。他们测量了空气中的氧气浓度，作为新陈代谢率的标志，并通过手术在熊体内植入无线电发射器，以报告熊的温度和心脏活动。
这让他们看到黑熊将新陈代谢率降低到正常水平的25%，尽管它们保持温暖——平均33度。他们的心率从每分钟55次左右下降到每分钟14次，并表现出明显的窦性心律失常——呼吸频率的变化。这表明熊具有将代谢率与体温分离的机制，使它们能够长时间不吃、不喝或不排便，但不需要寒冷。在春天结束冬眠后，熊并没有立即恢复到高代谢率。相反，这种情况在接下来的两到三周内发展起来。此外，不像人类在不活动的时期会失去肌肉和骨骼，熊似乎不会遭受这种损失。
这不仅可以提高我们对大型动物如何应对恶劣环境的理解，还可以帮助我们开发新的医疗干预措施。该研究的资深作者布莱恩·巴恩斯说:
“如果我们能够发现这种保护的遗传和分子基础，以及代谢需求减少的机制，我们就有可能开发出新的疗法和药物，用于预防骨质疏松症、废用性肌肉萎缩，甚至将受伤的人置于一种暂停或减少的状态，直到他们可以接受高级医疗护理。”
神秘的死亡谷移动的岩石
在死亡谷上端几乎完全平坦的干湖床上，一些被称为“风帆石”的奇怪岩石散布在几乎光滑的湖床上，其中一些重达36公斤，但在它们后面有时有几十米长的轨道，好像它们在移动。这些足迹可能是笔直的，也可能是曲折的，有些石头已经做了标记，它们的位置似乎随着埋在地上的桩子而变化，但没有人看到过石头移动。
这种运动似乎发生在湖床被一层浅水覆盖、强风和温度很低的罕见情况下。人们认为，冰山和湖面上方几英寸处时速可达90英里的风都是移动这些石头的方式，但两者都没有起到决定性作用。
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| 死亡谷赛马场海滩上的两块岩石的照片。注意那些通向石头的神秘小树林。©Maveric149 |
约翰·霍普金斯大学的科学家拉尔夫·洛伦兹提出了一种新的解释，将两者巧妙地结合起来。湖水涨到几英寸深，在此过程中，石头周围会形成一个小冰山，水位会略微上升，因为浮冰会使石头上升，减少与地面的摩擦。然后，大风就能推动这些石头形成长长的轨道。他们已经做了一些实验来支持他们的假设，尽管很难确定发生了什么，直到有人真正看到一个移动。
这是一个可爱的谜团，但研究像赛马场盐湖这样的区域可能有助于理解像土星的卫星土卫六上的浅湖这样的地方，那里有一些碳氢化合物湖泊似乎偶尔会干涸。
行星地球在线-苔藓虫和南极历史
英国南极调查局的大卫·巴恩斯博士
Ben -科学家们正密切关注着南极西部的冰盖，因为如果它融化了，海平面上升会给我们带来大麻烦。但它有多脆弱呢?英国南极调查局的大卫·巴恩斯博士一直试图通过研究一种叫做苔藓虫的小型海洋生物来找到答案。《地球脉动》播客主持人理查德·霍林厄姆和大卫一起深入探讨了一块小岩石上的生命是如何告诉我们气候变化的。
大卫:我们现在看到的是一块从威德尔海大陆架上收集的小岩石，这些小岩石是生命的绿洲，它们覆盖着其他基质，上面覆盖着苔藓虫等动物。
理查德:首先，在我们用显微镜观察之前，它实际上是半个拳头大小的灰色岩石，上面有白色的螺旋图案。这些是苔藓虫……
大卫:是的。如果我们在它们活着的时候看它们，它们的颜色会很鲜艳。很多漂亮的橙色、棕色、绿色、黄色……但当它们变干时，就会变白。如果你在显微镜下观察它们，就像我们将要做的那样，你可以看到它们在互相争斗。我们看到的是一个古老的战场。
理查德-一个古老的战场。好了，让我们用显微镜看看……我们来调整一下……当它们在岩石上时，它们看起来就像有人画的螺旋，但当你在显微镜下观察时，它们是非常三维的，几乎像气泡膜。
大卫:螺旋形是由它们生长出来的模块形成的，它们就像微型珊瑚。所以他们会建立一个庞大的帝国，拥有很多很多相同的模块。但最终，他们会耗尽空间，遇到另一组正在成长的模块，这就像两支军队在战场上相遇，然后他们要么开始战斗，要么放弃，因为他们势均力敌。或者甚至，如果它们在同一物种中有非常非常密切的关系，它们会融合在一起形成一个巨大的超级有机体。
理查德:你在南极洲海岸附近寻找这些东西。你发现了什么?什么让你吃惊?
大卫:我们发现，如果我们观察生活在特定地点，特定区域的所有物种，并将其扩大到整个海洋，威德尔海，我们想看看哪里最相似。从逻辑上讲，你会认为它与附近的地区最相似，这些动物很难四处走动。在某种程度上，这就是我们的发现，但有一个很大的例外。
理查德-那是…?
大卫:那是威德尔海和罗斯海。这两大洋相隔很远。它们被地球上存在的三大冰原之一——南极西部冰原隔开，我们不知道它在地球过去有多稳定，但我们需要知道，因为它可能对海平面上升至关重要。事实上，这两个地区相距1500英里，被这块巨大的冰块分开，这是一个真正的惊喜，它告诉我们，在某种程度上，它们最近是联系在一起的。
理查德:那么，这两个相隔数千英里的海洋连接在一起，有什么意义呢?
大卫:如果我们想了解我们的星球将如何应对目前正在发生的气候变暖，这在过去的3000万年里是前所未有的，我们需要知道过去冰盖是如何应对气候的。我们只能预测未来，但我们实际上有过去的数据。所以我们可以回去看看三个大冰盖是如何对过去的温度做出反应的，我们通过冰芯和沉积物芯有很好的记录。如果我们观察每一个，南极东部冰盖——目前最大的冰盖非常非常稳定。另外两个，我们不太确定，很多注意力都集中在格陵兰岛。但如果我们是对的，这可能意味着南极西部冰原是这三个冰原中最不稳定的，也是预测海平面随着温度升高而上升的最重要的冰原。因此，了解崩塌的地点和时间变得非常非常重要，例如，上一个间冰期是一个非常短暂的时期，非常温暖，就像我们现在所处的时代一样，短暂但温暖。所以，如果它确实在最后一次间冰期坍塌，那就意味着我们之前所有的想法都是错误的，冰坍塌的时间太短了。如果不是，那这对我们不久的将来来说是很重要的。
英国南极调查局的本-大卫·巴恩斯在和理查德·霍林厄姆谈话。
采样大气和跟踪污染- RONOCO运动
罗德·琼斯教授和RONOCO的其他研究人员
本:我们如何研究大气?我们有大量的工具和化学技巧可以依靠，但大气是一个非常动态的东西。所以对一个地方的空气取样只能告诉我们这么多。现在，一个由科学家和组织组成的国际联盟，包括英国气象局、自然环境研究委员会，乘坐一架改装的BAe-146客机升空，探索太阳下山后大气化学会发生什么变化……
Rod -任务到任务2。任务2 -说吧。
罗德:我只想说，我们即将进入云层的顶部，所以仪器可能需要意识到这一点。
任务2 -好的，收到。
罗德-仪器科学家的任务，我们正在下降，希望进入污染物层…
本- RONOCO活动，是夜间化学在控制大气氧化能力中的作用的缩写，让来自欧洲各地的科学家以一种独特的方式研究大气。当许多化学反应的驱动者太阳减弱时，大气化学就会发生变化。因此，通过在黄昏时分乘坐一架改装过的飞机，跟随污染的羽流进入夜晚，机上的科学家们可以更好地了解夜间化学过程的普遍性和重要性。为了知道何时何地追踪这种污染，研究人员依靠英国气象局的天气报告作为他们每日电话会议的一部分。戴夫·金德雷德报道。
戴夫:我想今天之后，它将会寻找和追逐更清晰的补丁。我想今天将会是我们接下来几天里最好的飞行日，我想我们计划沿着英吉利海峡飞行。我认为这仍然是今天最好的区域，西南方向可能是布里斯托尔海峡。
有了这些知识，剑桥大学的罗德·琼斯教授，RONOCO活动的任务科学家，可以开始决定他们将要采取的路线。
罗德:我要做的就是坐在驾驶舱内的飞行员旁边。我要一定数量的信息从机组人员和科学家们在后面,告诉我气氛的样子,我们会去哪里进行判断,我们实际上看到的基础上,因为我们使用预测给我们一个好主意,我们应该广泛地说,我们要用我们的测量在飞机上尝试和改进,并把它在正确的位置。
本-是罗德·琼斯打来的。来自莱斯特大学的卡伦·霍恩斯比(Karen Hornsby)是船上的科学家之一。
凯伦:因为我们观察的是离地表很近的边界层，所以我们必须尽可能地接近地表。所以，在海上的白天，我们可以降到50英尺的低空，当你站起来，绑在架子上，看着窗外的海浪呼啸而过时，这是非常令人兴奋的。但很明显，在晚上，飞得那么低更危险，所以我们在海面上飞行了大约1500英尺，这仍然很令人兴奋。
本-飞机本身装有科学仪器，每个仪器都测量、采样或监测大气的不同方面。来自约克大学的Ruth Purvis向我们介绍了核心化学仪器。
鲁斯-这是飞机上的一套仪器，每次飞行时，它往往是我们所说的核心仪器的一部分我们有臭氧分析仪，一氧化碳分析仪和一氧化氮x分析器，那是二氧化氮。这个架子上最重要的两个是臭氧和一氧化碳监测器。它们都是关键的大气示踪剂。我们有一氧化碳，我们称之为人为示踪剂，这意味着它实际上是一种人为污染物。你会看到大量的一氧化碳在我们追踪的各种烟雾中。臭氧往往是在非常严重的污染羽流中，所以我们可以用这两种测量方法来观察我们什么时候在羽流中，它们是很好的标记。
同样来自约克大学的本-萨拉·莫勒(Ben - Sarah Moller)负责N.O.x或NOx架子上。
萨拉:氮氧化物通常是在温度足够高的地方产生的，空气中的氮和氧结合在一起形成氮氧化物，这就是燃烧，类似的东西。所以当你看到污染物羽状物时，它们通常含有NOx这就是我们用这个仪器测量的。它所做的就是从外面吸进空气，然后产生NO2处于激发态，然后发出光，我们测量它发出了多少光，这就告诉我们有多少NO或NO2我们飞到空中了。在白天，你有NO和NO2但在晚上，一氧化氮不会形成，因为它是由阳光改变一氧化氮形成的2到没有。所以在晚上，你会看到全是NO2。所以当我们在黄昏或黎明飞行时，你看到黄昏时，NO开始随着阳光消失而消失，所有的过程将那里的NO转化为NO2然后在黎明，你看到太阳升起，你开始得到NO2光解，开始生成NO。
其他氮的化合物也很重要，曼彻斯特大学的Jennifer Muller解释道……
CIMS是化学电离质谱仪的缩写，我们用的是一种叫做甲基碘化物的化合物，它能产生碘离子，所以是I-然后把它们放在一个房间里，与外界的空气样本发生反应。我的-锁定我们感兴趣的特定化合物。举个例子，有一种化合物，对这场战役也很重要，那就是硝酸。所以硝酸是HNO3.基本上，I-紧紧抓住HNO3.我们可以在质谱中看到某一特定质量。所以，HNO3.硝酸是我们感兴趣的氮化合物之一，我们关注的焦点是夜间的氮化合物以及它们是如何反应的。
本:除了氮，RONOCO运动还关注一系列其他重要的化学物质。Hannah Bunyan来自利兹大学。
Hannah - FAGE代表气体膨胀荧光分析，这是一种低压技术，从飞机外部采样空气，也就是周围空气。我们把它吸进一个检测细胞，然后用激光激发我们感兴趣的分子。我们要测量OH和HO的浓度2自由基，所以我们调整激光波长，这样我们就可以激发OH自由基，然后我们测量自由基松弛时产生的荧光，这就给了我们浓度的测量。OH和HO2它们一起被称为HOx。在白天，OH是碳氢化合物和类似物质的重要氧化剂，它是由臭氧的光解作用产生的，但在晚上，它的作用是什么以及它是如何工作的，就更加模糊了。它有可能是由臭氧与烯烃反应产生的，但也有可能是在这些飞行中测量的硝酸盐自由基也很重要。所以基本上，我们试着给出晚上OH自由基对氧化的贡献。到目前为止，一切都很顺利。
Karen -我叫Karen Hornsby，是莱斯特大学的一名研究助理，研究过氧自由基化学放大器，简称PERCA。我的架子基本上由两个半高的19英寸金属架子组成，在里面，我们储存了几个装有压缩空气、氮气和氮氧化物的气瓶。我们用两个玻璃进气口对飞机表面的气体进行取样，然后进入两个探测器，它们会告诉我从过氧化自由基中产生了多少二氧化氮，这些二氧化氮被我转化成了二氧化氮。
来自曼彻斯特大学的本-加文·麦克米金测量的不是大气中的气体，而是颗粒。
加文-这是气溶胶质谱仪。它测量大气中悬浮的小颗粒。它和飞机上的其他东西有点不同因为它不观察气相物质，而是观察这些粒子。气溶胶对大气和空气质量有很大的影响，特别是对RONOCO感兴趣的东西。首先，它们是氮的重要归宿，很多氮基本上可以变成硝酸最终进入粒子阶段形成像硝酸铵这样的东西，这个仪器可以测量这个。另一件事是，气溶胶本身可以成为大气中发生的许多不同化学反应的表面场所。所以，这是我们感兴趣的事情之一，我们想要描述的是在飞行的不同部分有多少粒子，我们在不同的高度，诸如此类的事情，然后它是如何随着时间的变化而变化的，我们是否看到随着夜幕降临，或者随着天气变得更冷，随着天气变得更潮湿，诸如此类的因素，粒子中的氮的数量在增加。
本- RONOCO活动在几周前进行了最后一次冬季飞行，了解他们收集的所有数据需要时间。在最后一次飞行之前，米歇尔·凯恩解释了他们目前所看到的情况。
米歇尔:我们遇到了不同的天气状况。首先，有锋面经过，因此有很强的气流。所以我们在伯明翰、曼彻斯特和爱丁堡看到了一些非常好的羽流，所以我们能够追踪这些羽流离开海岸的过程。现在我们有更多的，一个非常高的气压系统在我们上方停滞。这不是一个强大的流。风很弱，前几天我们成功地让一架飞机飞越了英吉利海峡。这是相当混乱的，我们看到很多污染从整个英国流出，但嵌入其中的是伦敦的烟雾。那是一次黄昏飞行所以我们看到了从白天到夜晚的转变，所以所有的照相化学反应都关闭了然后你看到不同的东西在天黑后开始出现。这很有趣，我们今天要重复一下。所以总的来说，这是非常成功的，我不得不说，我们非常幸运的天气!
飞行员-开始下降。三，二，一。
Ben:听起来这是个多么奇妙的任务啊。我们期待着在未来的某个时候发现他们的发现。非常非常感谢剑桥大学的罗德·琼斯和克兰菲尔德大学的道格·安德森，他们为实现这一目标提供了必要的帮助。
地球工程-如何改变气候
剑桥大学的Peter Braesicke博士
另一个尝试理解大气化学的原因是，万一有一天我们不得不尝试做一些地球工程。如果全球变暖变得足够严重，我们可能不得不采取一些物理上的措施，也许是向大气中添加一些化学物质来降温。Peter Braesicke博士来自剑桥大学化学系。他向戴夫·安塞尔解释了我们可用的方法。
我认为主要的方法之一是向大气中注入颗粒前体，我认为最常见的是，人们想到像二氧化硫这样的东西，就像火山一样，然后基本上形成气溶胶，这些气溶胶将阳光反射回太空。
戴夫:我想皮纳图博山就是一个很好的例子。那是一次大的火山喷发，它将大量的灰尘喷射到大气中，实际上影响了气候。
彼得:是的，你说得很对。可以说，皮纳图博山是我们研究的一个重要案例。基本上火山爆发了，向大气中注入了大量的二氧化硫，形成了气溶胶，基本上在这些气溶胶上，我们和臭氧发生了有趣的反应。所以在皮纳图博火山爆发后，臭氧实际上减少了，之后又恢复了，这给了我们一个很好的大气化学示踪剂。同时，很明显，它对大气中的升温速率也有影响。所以皮纳图博在全球范围内冷却了大气，尽管它导致了所谓的冬季变暖。实际上，皮纳图博火山爆发后的一个冬天在我们的纬度和我们的地区平均来说比没有皮纳图博火山爆发时要暖和一些。
戴夫:所以这是因为灰尘起到了绝缘体的作用，所以如果你在一个非常温暖的地方，它会把热量挡在外面，但如果你在深冬，它会把一些热量挡在里面吗?
彼得:是的，这是真的。这也是问题的一部分，但正如我们今天早些时候讨论的，环流和环流模式将会发生变化，显然会对我们当地的温度和我们所经历的当地天气产生某种影响。因此，这些环流变化以某种方式影响着我们，我们最终会得到一个稍微温暖的北半球。
戴夫:所以，大气中的环流是由温差驱动的。赤道非常非常温暖，所以那里的空气上升，而其他寒冷的地方空气下沉。如果你影响了进入一个区域的光和热的量，你就会影响到这个区域的循环。
彼得:完全正确，而且垂直结构非常复杂。当你在大气中有局部高空气溶胶，在15到17千米的地方，它实际上会导致大气中的局部变暖。而在更低的地表，气溶胶将光散射出大气，实际上是局部冷却。所以你改变了温度的垂直结构，你也改变了从北到南的梯度，然后就像一个调节器一样调节了环流的变化。
戴夫:所以，它对整个非常非常复杂的系统都有影响。
彼得:是的。
戴夫:那么，你是在尝试模拟其中的一些影响?
彼得:完全正确。所以我们正在运行大型气候模型，在剑桥大学化学系的大气科学中心，与英国气象局一起，这基本上是我们共同使用和开发的英国气象局模型之一。我们正在研究皮纳图博火山对臭氧层循环和地表气候的影响。但总的来说，平流层中有什么样的大运输变化，气溶胶是如何矢量化的，气溶胶最终离开大气的地方，以及它在大气中存在了多长时间。
戴夫:所以，我猜你真正担心的一件事是，故意做这样的事情，如果你要产生对整个地球来说看起来很小的副作用，但对生活在那里的人来说，这可能是绝对灾难性的。
没错，我认为如果你随便摆弄一下气候系统就会发生这种情况。你可能会得到一些正确的东西，比如全球平均温度，这显然是一种重要的度量，但它并不能真正告诉你任何关于当地和任何给定国家的生活状况。如果你改变了环流，印度就会出现季风，那就会给那里的人们带来非常严重的后果。
戴夫:那你能不能调整一下粒子的注入方式来反射光线，从而影响相对局部的天气，这样在某些地区，你就能增加或减少降雨量?
彼得:这是可能的，但是非常非常复杂，因为要记住，基本上，平流层的环流是大气中15千米以上的一部分，是非常非常全球性的。所以它的作用时间比我们在对流层看到的稍微慢一些，但它是全球性的，基本上，几个月之内，气溶胶就从热带带到高纬度地区。所以无论你在平流层做什么，你都要想得远大。你必须在全球范围内考虑，它可能会在对流层的区域范围内产生影响。
戴夫:这种事情真的有可能发生吗?或者你认为法律效应和对事情变得可怕的普遍担忧会阻止它发生吗?
彼得:我个人认为这不太可能发生。这是我们需要研究的东西，它将帮助我们了解大气是如何工作的，但正如你所说，有太多的法律问题，道德问题，我认为我们最终不会这样做。
戴夫:但我想，如果世界处于一个非常非常糟糕的状态，由于全球变暖，那么副作用可能比发生的事情的可能结果要小。
彼得:可能是吧。这很难说，我认为我们讨论和思考这些事情很重要。但我认为我们必须记住，无论你做什么，都有赢家和输家，从“全球公民”的角度来管理这一点，我认为，是一件非常困难的事情。
裸工程- SPICE项目
与剑桥大学休·亨特博士合作
Meera - SPICE项目，即平流层粒子注入气候工程，由剑桥大学、布里斯托尔大学和牛津大学共同承担，旨在研究地球工程技术。这周，Dave和我来到了剑桥大学工程系去了解更多关于这个项目的工程方面的内容。SPICE项目的一名工程师休·亨特博士正在研究如何将其送入平流层。休，首先，你是怎么设计这个的?
Hugh - Meera，你可能会想，如果你想把一些粒子带到那里，你可以说，用飞机把它们带上或者用气球把它们送上去，但如果你真的坐下来计算出所有可能的总和，那就缩小了范围。我们正在研究的技术是把一个气球放在平流层，20公里高。这是普通巡航商用飞机的两倍高，就像一个大的花园软管一样。这个软管就像花园用的软管，有20公里长，我们把东西往管道里泵。它的好处是我们可以有一个旋钮，如果你喜欢的话，我们可以控制它来调整我们注入这些粒子的速度。
米拉:这听起来很简单，因为这是一个带管子的气球，你把东西送到管子上，但你也把它送到了20公里高的平流层。我们在这里的一个工程车间里，这里有一个大氦气球，上面挂着一条细金属链。
休-为了尝试了解20公里长的绳索是如何与平流层中的气球一起工作的，我们真的需要确保我们了解较小规模的实验。这很好。我们有一条链子，就是一条普通的浴室链子，还有一个气球，你可以看到它在上面。它非常大，直径可以达到一米。它在几米高的地方，你可以看到，如果我在它的侧面拍一下，链条开始在这个地方摇晃，气球开始上下弹跳。这将在20公里的范围内进行管子必须能够承受相当于20公里重量的流体的压力。加固的花园水管，我们知道它长什么样，但最重要的是要注意它是加固的。所以如果我们要控制几千个大气压的压力我们需要把这些东西泵进这个管道，我们就必须把加固设计得很好。
戴夫:但是重量是个大问题，因为管子越重，你需要的气球就越大，而且管子里的张力也越大。
休-是的。所以这个东西的总重量是几百吨。那是几辆双层巴士的重量。所以想象一下，你需要多大的氦气球才能装下几辆双层巴士——一个大气球!我们在看一个直径可能有100或200米的气球。它和温布利体育场差不多大。
米拉-那是一个非常大的气球。所以，我们已经解决了你需要考虑重量和强度的问题，但如果真的把东西泵到那个高度，然后把它喷到平流层呢?
休-如果我们在几千个大气压下抽气，我们必须抽起一种研磨性物质，这是一个工程挑战。压力很高，水泵必须设计成能承受这些压力。然后在顶部，我们要通过某种喷嘴将物质分散到平流层。如果喷嘴被堵住了，那就不像喷墨打印机，你可以直接更换墨盒。我们就不能上去做任何事了。所以我们必须让这个东西一次可靠地工作几个月，甚至几年，我们每天都要向这个管道输送数万公斤的材料。所以，这是一个很大的挑战。
米拉:那把气球发射到这么高的地方呢?
休-真正的问题是你把气球折起来了。这有点像你在袋子里装了一个睡袋，你试着把它从袋子里拿出来，你试着把它装满氦或氢，然后把它发射出去，带着它穿过多风的大气层，不管天气如何，把它带到20公里的安全高度，在平流层，风的条件要温和得多。
戴夫:我猜地面和平流层之间的温度变化也很大。
休-是的，有一件事我们必须尽力避免，那就是防止绳子上结冰。我们是否需要确保缆绳保持温暖，或者我们是否需要在表面涂上涂层以确保不会形成冰?
米拉:我想要检验它是否可行的一个方法就是做一个试验。
休-是的，没错，我们计划在今年10月/ 11月在一公里处进行测试。这将是一项非常引人注目的工作，在我们获得这项试验的许可之前，我们正在进行一项公众参与的工作，就在我们说话的时候。
Meera - SPICE项目的设计工程师Kirsty Kuo参与了这次试验…
Kirsty:为了更好地理解其中涉及的一些工程挑战，我们计划用类似于花园软管的速度将水从管道中抽上来。所以，尽管压力不像20公里系统那样高，但它仍然可以帮助我们了解我们应该使用哪种类型的泵，以及水在管道上的流动情况，以及它是否会使气球和管道比风更容易移动。
戴夫:所以你实际上是在做一个实验;那么，有什么是你不太明白的，而你希望通过这样做来学习的?
Kirsty:我们真正想更好地了解的是绳子是如何在风中移动的。我们知道，如果你有一个氦气球，你向它吹气，它会左右摇摆。现在，在发射这些气球时，这是一个重要的问题吗?我们会看到当气球上升到1千米时气球从一边到另一边摆动它会摆动多少?我们真的不知道如何预测。
米拉:休，这个设计只是应对气候变化的一种方法，但如果你能把气球升到那个高度，肯定还有其他用途。
休，我可以想象目前卫星所做的事情也许可以转移到系绳气球上;通讯、气象研究等。因此，一旦我们在20公里的高空突破了系绳气球的技术，我真的可以想象它会有很多应用。
太空中最远的人造物体是什么?
戴夫:最近超越的最远的是旅行者1号。这个距离大约是116天文单位，也就是地球到太阳的距离的116倍。因为1天文单位是地球和太阳之间的距离。戴夫:没错。所以，它大约有172亿公里。本:好的。戴夫-它就在外面。它很快就没电了。到2025年左右，它就没有任何能量了这个可怜的东西就要死了，但它刚刚经历了我去年早些时候说过的这些日球层顶。现在所有的磁场都开始发生根本的变化，即使在25、30年后，它仍然在做重要的科学研究。
为什么云有不同深浅的灰色?
我们向剑桥大学的Peter Braesicke提出了这个问题。Peter -所以基本上，云的颜色是由云中水滴的大小决定的。当我们遇到下雨时，周围有不同大小的雨滴，所以云中有不同大小的小颗粒，云中的水滴。根据大小的不同，散射也会发生变化，所以你看到的云的颜色也会发生变化，所以你看到的是不同深浅的灰色。本:我们总是本能地觉得，我们可以通过观察云的颜色来预测是否会下雨。这是真的吗?Peter:我认为这基本是对的，因为通常那些颗粒较大的看起来颜色更深。所以，如果你感觉到一片又黑又大又厚的云要来了，那肯定是下雨的好兆头。
突然的气流是如何产生的?
我们向剑桥大学的Peter Braesicke提出了这个问题。
我想，正如我们从FAAM飞机测量大气的一位科学家那里听到的，如果你进入边界层，你会得到很多漩涡，这些漩涡相互作用。当你感到阵风时，通常是其中一个漩涡脱落并释放能量。本:所以是有点乱流?
彼得:没错。
为什么太阳的温度高达几十万摄氏度，太空却如此寒冷?
戴夫:太阳非常热，但太阳并不遍布整个太空。所以，当你坐在太空中，在地球轨道上，你受到的太阳辐射和你坐在地球上受到的太阳辐射是一样的，但是你剩下的部分可以看到深暗的空间大约是-270摄氏度。所以，你把热量辐射到黑暗的太空深处，因为任何温暖的东西都会在红外线中发光;你受到阳光的照射，这两者的平衡就是你所处的温度。在地球轨道上，我认为温度略低于0摄氏度。
为什么月球根本没有大气层?
我们向剑桥大学的Peter Braesicke提出了这个问题。
彼得:我觉得月球太小了。那里没有足够的重力来维持大气层，所以，因为地球要大得多，它能够把大气层重力聚集在一起，所以，这就是为什么我们享受大气层的好处。
是大气中的水多还是海洋中的水多?
我们向剑桥大学的Peter Braesicke提出了这个问题。
彼得:海洋中肯定有更多的水，因为大气中确实含有相当多的水，但与所有海洋相比，它仍然很小。
我要以多快的速度被抬离地面?
我们向剑桥大学的休·亨特博士提出了这个问题。
休-嗯，我想如果我们试着计算出你需要开多快的车有人抓住了后面的东西，你试着把他们从地上抬起来，这都是关于空气动力阻力的。空气动力阻力，有一个公式是一半ρ V2乘以正面面积，乘以阻力系数。ρ是空气的密度是1.2千克/立方米，这很简单。V是车的速度，单位是米每秒。A是人的额叶区域。现在，让我们粗略地猜测一下，这是一个10英石的人，所以他们相当苗条，平均有几米高，20厘米宽，中间更宽，腿更细。这是一个很好的猜测，所以他们的正面面积为0.4平方米。
阻力系数，我们需要再猜一次因为车后面的空气非常紊流。要知道阻力系数是多少是不可能的，但我们就说0.5吧，我认为这是一个合理的数字。
所以如果你把这些加起来，那么阻力大致等于这个人的重量，那么你最终需要以每小时160英里的速度行驶。
这合理吗?看，这是一个非常复杂的汽车后面的气流问题是什么时候阻力会变成升力?一旦人以45度的角度出来，你可能会想，我们需要计算对人的升力而不是对人的阻力。如果你愿意，我们可以在喝几杯啤酒的时候对此进行很多争论，但至少这是我开始的计算。
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