一個顛覆性的新發現登上頂刊，他計劃明年回國

“會不會是我看錯了？”當張礁石第一次觀察到這個特殊的新粒子生成現象時，他既矛盾又興奮，連忙找來了其他視頻數據。他瞪大眼睛，逐幀分析了畫面后，一個大膽的想法閃現出來：大部分新粒子并不是在云外流區形成的！

要知道，這可是顛覆傳統觀點的新發現。當他把想法分享給導師王堅后，王堅鼓勵他繼續探索，并給予他充分的信任和支持。在之后的4年里，張礁石成功地找到更多的數據，進一步佐證了之前的觀測不是偶然。

這項研究近日在Science上正式發表，揭示了新粒子生成的全新機制。美國圣路易斯華盛頓大學博士后研究員張礁石為第一作者，該校能源、環境與化工系教授、氣溶膠科學與工程中心主任王堅為通訊作者。

在外人看來，“80后”張礁石的科研之路有點“折騰”：他2012年電子工程專業碩士畢業后進入大廠當程序員；2013年從大廠裸辭轉讀環境科學博士；2016年進入中國科學院工作；2019年前往美國繼續博士后生涯……

張礁石

不過，張礁石笑道：“如果能做一些有意思的事，‘折騰’一點也沒關系。”

一個顛覆教科書的發現

當我們抬頭看天空的時候，很少有人會想到，我們頭頂上方的大氣層其實是一個巨大的化學實驗室。這個實驗室中充滿了各種氣體分子和微小的顆粒，在不斷碰撞和相互作用下，形成了我們熟知的天氣現象（如云和降水），深刻地影響著全球氣候環境。

實際上，環境大氣中大部分顆粒物來源于新粒子生成（New Particle Formation, NPF）。新粒子生成，指的是在大氣中氣態物種通過均相成核形成新的微小顆粒的過程，這些顆粒直徑通常只有人類頭發直徑的千分之一到萬分之一，肉眼無法看到。

傳統觀點認為，對流層大氣新粒子生成通常與云息息相關，新粒子大多是在云外流區域形成的。原因在于，云外流區域的空氣比較清潔，低層大氣的氣態前體物隨著對流作用被輸運到這一區域，形成了適于新粒子生成的條件。

2020年，張礁石在分析實驗飛機從北大西洋上空采集的觀測數據時，敏銳地發現一些新粒子生成事件發生的區域并沒有云。直覺告訴他，這將是一個全新的發現。他將想法匯報給王堅，王堅當即就覺得非常有意思，并告訴他“何不一試？”

王堅教授團隊（左三王堅，左四張礁石）

2022年，依靠實驗飛機在北大西洋上空飛行收集到的數據，張礁石完成了初稿。但由于支撐觀點的數據偏少，王堅和張礁石對這篇手稿都不太滿意。

因此，他們開始搜集全球其他地區的飛行機載觀測實驗數據，尋找更多可信的證據。這一次，他們干脆花了一整年的時間，分析了覆蓋全球的飛行觀測數據：從地球表面到平流層高空、從南極到北極。令人驚喜的是，這一次的數據夯實了張礁石的發現。

在這項研究中，張礁石等人發現，在對流層上部，大部分新粒子并不是在云外流區形成的，而是在平流層和對流層空氣混合的區域。由于高空急流的作用，平流層的空氣會偶爾進入對流層。

“當富含臭氧的平流層空氣與更濕潤的對流層空氣混合時，會產生高濃度的羥基自由基（OH）。這種氧化劑能夠幫助生成前體物，從而促進新顆粒物的形成。這一新粒子生成機制在全球范圍內普遍存在，高空對流層甚至可能比云外流區的新粒子生成更為頻繁。”張礁石說。

這一發現將幫助我們更全面地理解大氣化學過程，對改進氣候模型、模擬氣候變化和預測未來氣候有重要意義，并為應對氣候變化提供新的思路。隨著氣候變化的加劇，未來平流層空氣進入對流層的頻率可能會顯著增加，這一機制的重要性也將進一步提升。

2024年7月12日，這項研究在Science上正式發表。審稿人對該研究給予高度評價和贊賞，認為“這是一個重要的新發現且具有廣泛的影響力，很好地彌補了主流觀點無法解釋所有實際觀測結果的缺乏”。

從程序員到大氣科學領域學者

張礁石坦言，在這項研究中，他面臨最大的困難是數據分析。

電子工程師出身的張礁石，并不擅長與數據打交道。2009年，他在國防科技大學電子工程專業畢業后，來到了中國科學技術大學攻讀電子工程專業碩士。在此期間，他學會了如何設計和測試各種電路和軟件，以及如何從零開始構建一個功能完整的系統。

2012年，憑借出色的專業技能，張礁石順利拿到了互聯網大廠的offer。他的工作是智能手機系統的開發。起初，他對這份工作還比較滿意。

然而，新鮮感褪去后，日復一日的工作內容枯燥單一。張礁石的生活長期被困在兩點一線以及狹小的工位上，高度細分的工作讓他感覺自己是一個可有可無的“螺絲釘”，“沒意思極了”。

與此同時，張礁石關注到我國多地出現了持續大規模的霧霾天氣，導致空氣質量嚴重下降的現象。

這激發了他投身環保領域的決心。于是，2013年，張礁石毅然決然地選擇裸辭轉換賽道，“做更想做的”。同年，他前往中國科學技術大學攻讀環境科學博士。

然而，跨專業讀博困難重重。在入門階段，張礁石甚至很難看懂一篇普通的學術論文，他經常對著儀器收集的數據不知如何下手。后來，他通過自學環境科學領域的課程、閱讀文獻、與導師交流和參加學術會議等，逐步適應了新的學術環境。

不過，得益于電子工程的背景和技能，張礁石在顆粒物測量技術研究方面少走了很多“彎路”。

“我能快速地了解多種儀器的運行原理，并自己著手設計開發儀器，對大氣顆粒物的粒徑分布和吸濕性進行實時測量。”張礁石告訴《中國科學報》。

心之所向，素履以往

張礁石的動手能力是與生俱來的。在中學時代，他就開始自己組裝電腦，并且還經常給同學修復電腦軟件的bug。

2016年，張礁石博士畢業后來到中國科學院合肥物質科學研究院擔任助理研究員。那時，人們主要還是利用商業化儀器在固定站點對大氣顆粒物進行觀測，但張礁石想要做點不一樣的。

偶然的一天，他通過文獻資料關注到王堅教授團隊開發的具有1秒時間分辨率的氣溶膠粒徑分布測量系統（FIMS），該儀器解決了困擾學界已久的飛行航測無法快速準確測量氣溶膠粒徑分布的難題。

于是，2019年，他決定飛越重洋來到王堅課題組繼續博士后研究工作。彼時，王堅交給了張礁石一項頗具挑戰性的任務：將FIMS小型化。

目前，無人機、走航車、探空氣球等輕量化移動觀測平臺越來越多地在大氣污染精細化監測和治理中發揮重要作用。但FIMS儀器體積大、功耗高，導致其無法搭載到這些輕量化移動觀測平臺上。同時，業界學者迫切希望FIMS能在大氣污染監測和治理中發揮更大作用。

這正是張礁石想要做的，他一口答應了。

接下來的科研攻關路上，他們克服了無數困難。4年后，張礁石等人設計出一套全新的方案，將整套系統體積縮小至1/20，功耗降低至50W，初步達到了無人機可荷載水平。2023年，他們申請了國際PCT專利，并于今年將相關論文投稿至美國氣溶膠學會期刊。

張礁石和FIMS

張礁石說：“這一發明將極大地助力無人機、探空氣球、走航車等快速移動平臺的空間觀測，有助于快速掌握氣溶膠粒徑的空間分布，有效彌補目前固定站點觀測的不足。”

今年是張礁石在美國工作的第6年。這項研究發表后，他繼續在王堅的團隊“搗鼓”這臺小型化氣溶膠粒徑分布測量系統。下一步，他們將和其他團隊合作推進該儀器的產業化。

張礁石在調試小型化FIMS樣機

回首走過的路，張礁石慶幸所做的每一個決定。

如果沒有電子工程的背景和技能，如果沒有從大廠裸辭，如果沒有轉專業讀博……那么是不是會錯過這個發現？

“心之所向，素履以往”，這是張礁石給出的答案。無論什么時候，他都堅持做自己想做的。

談及未來，張礁石表示，計劃明年回國從事科研工作，希望為我國氣溶膠科學與技術的發展出一份力。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn2961

*文中圖片均為受訪者提供