两座空着的码头 坐落在一个废弃的码头干涸的淤泥之上，刺眼地提醒人们，西半球最大的咸水湖正在消失。犹他州大盐湖有三个主要支流汇入，但几十年来，它们的流量一直被用于农业、城市和工业——加上长期的干旱——已经耗尽了这个 1700 平方英里的水体。去年夏天，这个内陆海成为全国头条新闻，因为它降到了有记录以来的最低点，暴露了大约 750 平方英里的沉积物，暴露在雕刻着南部和东部岩石森林和拱门的同一阵风之下。
尽管在这个十月初的下午迎来了急需的雨水，但湖泊本应在的地方只有微弱的水光闪烁——而且会在几天内消失。它留下的裸露土地很容易变成灰尘，直接吹进犹他州最大的城市地区——盐湖城，位于东部约 30 英里处。更糟糕的是，这些沉积物含有砷。
凯文·佩里（Kevin Perry），一位来自盐湖城犹他大学的大气科学家，骑着（有时是推着）胖胎自行车，几乎走遍了这片沙质地貌的每一个角落，以采样和识别最易侵蚀的区域。在 2016 年到 2018 年之间，他骑行了 2,300 英里——躲避闪电、来自好斗的射击者的子弹，以及在伸入湖泊东南角的州立公园羚羊岛上游荡的野牛。他还遭遇了 15 次左右日益频繁的沙尘暴，它们发生在干涸的湖床上，也就是盐碱滩。他说：“我的腿被沙子打磨了。”“能见度在几分钟内降到几英尺。沙子进到了我的眼睛里。”
佩里是六名科学家组成的团队成员，该团队旨在追踪尘埃，包括其在剧烈风暴中的移动程度以及微粒（称为颗粒物）隐匿的慢性蠕动，这些颗粒物会使一年比一年多尘——或者改变地面空气对气候变化的长期影响。他们的项目名为“Dust Squared”，将用五年时间扩展监测范围，评估颗粒物对水质的影响，并开发分子“指纹”，以更好地追踪、建模并最终预测其运动。他们不仅想知道这些物质来自哪里，还想了解其中携带了什么——以及一旦沉降，会对人类健康和生态系统功能产生什么影响。量化大盐湖排放量的努力可以更好地为土地和水资源管理政策提供信息。该项目只是美国科学家建立联盟以协调和优先研究项目以调查日益严重的尘埃威胁的一个例子。
“关于灰尘对水质影响的研究并不多。我们在积雪上看到了，但下一步是看看它会去哪里，它最终会落在流域的哪里。这会变得相当混乱。”
——格雷格·卡林（Greg Carling），水文学家
尘埃可能是被例行性地忽视的最大环境危害之一。卡内基梅隆大学环境经济学家领导的一项 2021 年研究发现，2016 年至 2018 年间，美国西部和中西部尘埃增加了 9.7% 和 12.2%，到 2018 年每年导致 9,700 人过早死亡，造成 890 亿美元的损失。虽然持续的干旱以及土地和水资源管理是因素，但空气中颗粒物增加的其他可能原因包括野火活动增加和《清洁空气法》执法力度减弱。直径为 10 微米的颗粒物称为 PM10。小于此尺寸的任何颗粒物都会损害肺组织，导致肺癌，并增加死亡风险。尘埃引起的交通事故虽然也引起人们关注，但尘埃还可能引起“谷热病”，这是一种真菌疾病，一旦被强风卷起就会感染肺部，目前正在上升。然而，尘埃引起的交通事故也吸引了最多的关注。2021 年 7 月下旬一个周日下午，在犹他州西南部，能见度低导致了 22 辆车连环相撞，造成 8 人死亡，10 人住院。“这是一起极其悲惨的事件——我们在犹他州从未见过这样的事情，”Dust Squared 团队成员 Maura Hahnenberger 说，她研究气象学如何影响该地区到落基山脉的尘埃运动。
干涸的湖床是西部最大的单一尘埃来源。大盐湖只是最近一个干涸的所谓“终端湖”——一个不流入海洋的水体。最臭名昭著的是加州的欧文斯湖，其主要支流在 1913 年被用于向洛杉矶供水。到 1987 年，当 EPA 首次发现该湖违反了国家环境空气质量标准关于颗粒物的规定时，它已成为全国最大的 PM10 来源。
杨百翰大学 2020 年发布的一项研究发现，由于空气质量差，犹他州居民的预期寿命可能每人缩短约两年。此外，每年给该州带来约 20 亿美元的医疗保健费用、误工、旅游业损失和经济增长放缓。
盐湖城居民担心，潜在的有毒干燥沉积物会加剧他们本已令人担忧的雾霾。这座城市坐落在一个被称为大盆地的碗状地带，从加州延伸到犹他州西部；湖泊位于西部，是盆地的最低点，而高耸于城市中心的瓦萨奇山脉和尤因塔山脉构成了其东部边界。冬天，山峰造成逆温，温暖的空气将受污染的冷空气层困在山谷中很长时间。夏天，温暖停滞的空气导致臭氧激增，而且，犹他州越来越受到加州野火烟雾的影响。“通常，春季和秋季是我们空气质量非常好的时候，”佩里说，“但那正是我们遭遇大沙尘暴的时候。它们正在关闭我们良好的空气质量窗口——这让我们所有人面临不良健康后果的风险。”
海拔 7,800 英尺，橙黄色的白杨树环绕着一座 80 岁的老气象站，该气象站位于瓦萨奇山脉和尤因塔山脉的交汇处。两名 Dust Squared 团队成员正在安装高海拔收集设备，以应对本季节的第一场大风暴——将倾盆而下超过一英尺的雪。
尤因塔山脉是下 48 个州为数不多拥有不寻常东西向走向的山脉之一。因此，蒙罗说，它们为科学家提供了一个“现成的实验”来研究灰尘如何从大盆地移动到落基山脉。“它就像一个漂亮的接球手手套，用来捕捉来自南方或北方的东西，”位于普罗沃杨百翰大学的水文学家、同事格雷格·卡林（Greg Carling）补充道。他们在大约 18 个这样的设备分布在整个山脉中，可以确定落下的尘埃量以及方向。
蒙罗正在结束他在尤因塔山脉的第 25 个研究季。他最早在那里开始研究灰尘如何塑造高海拔生态系统，并于 2020 年在瓦萨奇山脉部署了第一批收集设备。他与卡林于 2015 年开始合作。2019 年，两人首次尝试确定是盐碱滩还是城市污染是这两个山脉的主要尘埃来源；他们发现，瓦萨奇山脉中惊人的 90% 的颗粒物来自约 75 英里外的东部大盐湖的盐碱滩和约 150 英里外的西南塞维尔湖。但他们无法区分这两种来源。卡林说，下一步是区分不同的盐碱滩，然后考虑其他来源，如其他盐碱滩、农业以及石油和天然气开发。抓住了研究“从源头到汇”的灰尘的机会，蒙罗和五位犹他州当地的同事在 2020 年获得了美国国家科学基金会 500 万美元的资助后，组成了 Dust Squared 团队。
该团队旨在解决的一个大问题是，附着在灰尘上的矿物质、金属和微生物对遥远生态系统可能产生什么影响。例如，犹他州立大学的生物地球化学家珍妮丝·布拉尼（Janice Brahney）研究含磷的灰尘如何改变高山湖泊的 pH 值和浮游生物的生长。
与此同时，卡林研究了携带的金属是否会降低水质，当积雪冲刷到山溪中时。“在融雪期间，我们看到河流中的金属浓度增加，”他说。卡林使用普罗沃河发源地附近气象站的样本，检测到了铅、铜、铍和铝——这些都不可能来自当地的石英岩母岩。“样品中不应该有铅，”他说。“它一定来自另一个来源。”这一发现引起了人们对风吹进来的东西的关注。“关于灰尘对水质影响的研究并不多。我们在积雪上看到了，但下一步是看看它会去哪里，它最终会落在流域的哪里。这会变得相当混乱。”为了建立这些联系，卡林将普罗沃河（饮用水源）中的物质与尘埃中的物质进行了比较。
同样，犹他大学的雪冰川学家麦肯齐·斯凯尔斯（McKenzie Skiles）一直在模拟灰尘对山区融雪的影响，试图弄清楚这对该地区的水供应和水质有何影响。斯凯尔斯说，盐湖城 80% 到 90% 的用水来自降雪，“然而目前的融雪模型并未考虑灰尘的影响。”她的研究表明，空气中的土壤会导致积雪比其他情况下提前一到三周融化。与其在春季稳定地涓涓细流，不如在日益炎热干燥的夏季留下更少的水流入河流和地下水。在最坏的情况下，融化会导致水淹，而土壤（和水库）无法吸收和储存。她说：“是山脉提供了我们所有的水源。”
该团队的真正目标是为如何管理进入积雪的尘埃量提供政策指导，这就是为什么卡林寻找化学指纹来将落在山顶上的物质与干涸的湖床联系起来。2020 年，他显示，尽管这种差异很小，但锶同位素的差异足以区分大盐湖的尘埃和几乎消失的塞维尔湖的沉积物。“这是一个指纹，但有更多指纹会更好，”他说。卡林和他的同事还在探索是否能找到足够独特的微生物 DNA 来区分他们的样本是来自沉积物、土壤还是采矿。
没有指纹，现有的监测方法可能会遗漏很多。研究人员可以追溯一个较大的尘埃事件到其来源，但这需要运气：卫星必须在正确的时间出现在正确的地点才能捕获明确的图像。当这些图像不存在时，斯凯尔斯会转向一种称为“后轨迹建模”的技术，该技术利用气象数据追溯一段时间内的空气团，以查看它从何处拾取颗粒物。利用大气计算机模型确定气团的起源，斯凯尔斯将瓦萨奇山脉的尘埃追踪到 2017 年一次来自大盐湖和沙漠的事件。该模型显示，该事件约占积雪总尘埃沉积量的一半。
或者，Dust Squared 团队可以尝试利用 EPA 传感器拼凑事件信息，但这些传感器也有局限性——犹他州只有 19 个这样的探头，其中 14 个监测 PM2.5（最容易穿透肺部的尺寸），5 个监测 PM10。他们的项目将增加 550 个低成本传感器，大部分位于城市地区，包括用于流行的实时空气质量智能手机应用程序的 PurpleAir 监测器，用于检测 PM2.5 以下的颗粒物。（该州约 80% 的人口居住在被称为瓦萨奇走廊的城市工业走廊，该走廊从布里格姆市延伸到普罗沃，包括盐湖城。）他们还计划在十几个农村地区安装传感器。近年来，EPA 已淘汰 PM10 传感器，因为 PM2.5 对公众健康构成的威胁最大，但 PM10 仍然是一个问题，而没有监测它的能力，研究人员就无法维护长期记录。“对于尘埃研究来说，没有它很困难，”哈赫宁格说。
乍一看，欧文斯湖，位于洛杉矶以北 200 英里，内华达山脉以东，看起来像一片布满地壳、被掠夺的景观。大面积的盐晶覆盖了该区域的大部分地区，而耐盐的深红色细菌则在咸浅水池中繁衍生息。几十年来，这里产生的尘埃对该地区 40,000 名永久居民和数百万前往该地区国家公园的游客都造成了危害。到 2014 年，法院命令要求实施尘埃控制措施，以缓解 110 平方英里盐碱滩的 44.2%，这是该国最大的此类项目。
EPA 对粗颗粒物的最高国家环境空气质量标准是每立方米空气 150 微克，24 小时内；超过 350 微克会对人体健康造成严重伤害。“在欧文斯湖，我们曾多次超过最高标准的 100 倍，”负责该州大盆地统一空气污染控制区减缓措施的空气污染控制官菲利普·基多（Phillip Kiddoo）说。“我们最高的一天是大约 20,000 微克。”
花了三十年的时间试验用砾石覆盖、植被种植和浅层淹没来控制尘埃。在 20 世纪 90 年代和 21 世纪初，监测的六个湖泊地点每年都有数十次超标；2020 年，该地区仅有八次超过联邦限值。这是一个减缓措施的成功案例，尽管花费了 25 亿美元，并且无疑需要持续维护。基多说：“我们了解到，与自然合作比与自然对抗要明智得多。”
为了避免这种代价高昂的惨剧，Dust Squared 的佩里认为，让大盐湖保持生命是最有意义的。2021 年 6 月，在一个严酷的干旱时期，来自熊河——湖泊最重要的水源——的水停止流入，尽管州立法者正在考虑将更多的水用于其他目的的提案。直到大盐湖开始消失，许多当地人才认为它是一个麻烦。“公众认为它是咸水，不能用于任何目的，而且流入湖泊的每一滴水都是浪费的，”佩里说。
但 2012 年的一份州报告情况并非如此。这个内陆海每年为犹他州经济带来 13 亿美元，包括工业（主要是矿产开采）11 亿美元，娱乐 1.36 亿美元，以及养殖卤水虾作为水产养殖饲料 5700 万美元。该州的滑雪产业（价值 10 亿美元）也受益于湖泊效应降雪。该地区也是候鸟迁徙的重要通道。然而，它的消失带来的一个后果具有更大的公众关注度：“团结大家的是空气质量，”佩里说。
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由于冬季逆温期间的雾霾水平，该州近十年来一直不符合国家环境空气质量标准，迫使其制定污染减缓策略。但该计划并未考虑大盐湖吹来的尘埃。现在，随着公众要求拯救该湖的呼声越来越高，政界人士已采取措施寻找解决方案。犹他州国会代表布莱克·摩尔（Blake Moore）与一位加州国会议员合作，于 2021 年 9 月提出了《大盆地州的含盐湖泊生态系统计划法案》。如果获得通过，该法案将指示美国地质调查局研究如何最好地管理该地区的终端水系统——这些知识也可能使俄勒冈州的阿尔伯特湖以及加州的索尔顿海和莫诺湖受益。
佩里以往的研究表明，最经济有效的防止尘埃的方法是停止分流淡水，尤其是用于农业，并增加流入大盐湖的水量。“十英尺的水，你就可以解决尘埃问题，”他说。
麻省理工学院骑士科学新闻学奖学金项目资助了本次报道的差旅费用。
更正 2022 年 2 月 28 日：本报道的早期版本将俄勒冈州的阿尔伯特湖（Lake Abert）误称为阿尔伯特湖（Lake Albert）。
这个故事最初刊登在《科普》杂志 2022 年春季“混乱”特刊上。阅读更多PopSci+故事。
