“会不会是我看错了？”当张礁石第一次观察到这个特殊的新粒子生成现象时，他既矛盾又兴奋，连忙找来了其他视频数据。他瞪大眼睛，逐帧分析了画面后，一个大胆的想法闪现出来：大部分新粒子并不是在云外流区形成的！
要知道，这可是颠覆传统观点的新发现。当他把想法分享给导师王坚后，王坚鼓励他继续探索，并给予他充分的信任和支持。在之后的4年里，张礁石成功地找到更多的数据，进一步佐证了之前的观测不是偶然。
这项研究近日在Science上正式发表，揭示了新粒子生成的全新机制。美国圣路易斯华盛顿大学博士后研究员张礁石为第一作者，该校能源、环境与化工系教授、气溶胶科学与工程中心主任王坚为通讯作者。
在外人看来，“80后”张礁石的科研之路有点“折腾”：他2012年电子工程专业硕士毕业后进入大厂当程序员；2013年从大厂裸辞转读环境科学博士；2016年进入中国科学院工作；2019年前往美国继续博士后生涯……
张礁石
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不过，张礁石笑道：“如果能做一些有意思的事，‘折腾’一点也没关系。”
一个颠覆教科书的发现
当我们抬头看天空的时候，很少有人会想到，我们头顶上方的大气层其实是一个巨大的化学实验室。这个实验室中充满了各种气体分子和微小的颗粒，在不断碰撞和相互作用下，形成了我们熟知的天气现象（如云和降水），深刻地影响着全球气候环境。
实际上，环境大气中大部分颗粒物来源于新粒子生成（New Particle Formation, NPF）。新粒子生成，指的是在大气中气态物种通过均相成核形成新的微小颗粒的过程，这些颗粒直径通常只有人类头发直径的千分之一到万分之一，肉眼无法看到。
传统观点认为，对流层大气新粒子生成通常与云息息相关，新粒子大多是在云外流区域形成的。原因在于，云外流区域的空气比较清洁，低层大气的气态前体物随着对流作用被输运到这一区域，形成了适于新粒子生成的条件。
2020年，张礁石在分析实验飞机从北大西洋上空采集的观测数据时，敏锐地发现一些新粒子生成事件发生的区域并没有云。直觉告诉他，这将是一个全新的发现。他将想法汇报给王坚，王坚当即就觉得非常有意思，并告诉他“何不一试？”
王坚教授团队（左三王坚，左四张礁石）
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2022年，依靠实验飞机在北大西洋上空飞行收集到的数据，张礁石完成了初稿。但由于支撑观点的数据偏少，王坚和张礁石对这篇手稿都不太满意。
因此，他们开始搜集全球其他地区的飞行机载观测实验数据，寻找更多可信的证据。这一次，他们干脆花了一整年的时间，分析了覆盖全球的飞行观测数据：从地球表面到平流层高空、从南极到北极。令人惊喜的是，这一次的数据夯实了张礁石的发现。
在这项研究中，张礁石等人发现，在对流层上部，大部分新粒子并不是在云外流区形成的，而是在平流层和对流层空气混合的区域。由于高空急流的作用，平流层的空气会偶尔进入对流层。
“当富含臭氧的平流层空气与更湿润的对流层空气混合时，会产生高浓度的羟基自由基（OH）。这种氧化剂能够帮助生成前体物，从而促进新颗粒物的形成。这一新粒子生成机制在全球范围内普遍存在，高空对流层甚至可能比云外流区的新粒子生成更为频繁。”张礁石说。
这一发现将帮助我们更全面地理解大气化学过程，对改进气候模型、模拟气候变化和预测未来气候有重要意义，并为应对气候变化提供新的思路。随着气候变化的加剧，未来平流层空气进入对流层的频率可能会显著增加，这一机制的重要性也将进一步提升。
2024年7月12日，这项研究在Science上正式发表。审稿人对该研究给予高度评价和赞赏，认为“这是一个重要的新发现且具有广泛的影响力，很好地弥补了主流观点无法解释所有实际观测结果的缺乏”。
从程序员到大气科学领域学者
张礁石坦言，在这项研究中，他面临最大的困难是数据分析。
电子工程师出身的张礁石，并不擅长与数据打交道。2009年，他在国防科技大学电子工程专业毕业后，来到了中国科学技术大学攻读电子工程专业硕士。在此期间，他学会了如何设计和测试各种电路和软件，以及如何从零开始构建一个功能完整的系统。
2012年，凭借出色的专业技能，张礁石顺利拿到了互联网大厂的offer。他的工作是智能手机系统的开发。起初，他对这份工作还比较满意。
然而，新鲜感褪去后，日复一日的工作内容枯燥单一。张礁石的生活长期被困在两点一线以及狭小的工位上，高度细分的工作让他感觉自己是一个可有可无的“螺丝钉”，“没意思极了”。
与此同时，张礁石关注到我国多地出现了持续大规模的雾霾天气，导致空气质量严重下降的现象。
这激发了他投身环保领域的决心。于是，2013年，张礁石毅然决然地选择裸辞转换赛道，“做更想做的”。同年，他前往中国科学技术大学攻读环境科学博士。
然而，跨专业读博困难重重。在入门阶段，张礁石甚至很难看懂一篇普通的学术论文，他经常对着仪器收集的数据不知如何下手。后来，他通过自学环境科学领域的课程、阅读文献、与导师交流和参加学术会议等，逐步适应了新的学术环境。
不过，得益于电子工程的背景和技能，张礁石在颗粒物测量技术研究方面少走了很多“弯路”。
“我能快速地了解多种仪器的运行原理，并自己着手设计开发仪器，对大气颗粒物的粒径分布和吸湿性进行实时测量。”张礁石告诉《中国科学报》。
心之所向，素履以往
张礁石的动手能力是与生俱来的。在中学时代，他就开始自己组装电脑，并且还经常给同学修复电脑软件的bug。
2016年，张礁石博士毕业后来到中国科学院合肥物质科学研究院担任助理研究员。那时，人们主要还是利用商业化仪器在固定站点对大气颗粒物进行观测，但张礁石想要做点不一样的。
偶然的一天，他通过文献资料关注到王坚教授团队开发的具有1秒时间分辨率的气溶胶粒径分布测量系统（FIMS），该仪器解决了困扰学界已久的飞行航测无法快速准确测量气溶胶粒径分布的难题。
于是，2019年，他决定飞越重洋来到王坚课题组继续博士后研究工作。彼时，王坚交给了张礁石一项颇具挑战性的任务：将FIMS小型化。
目前，无人机、走航车、探空气球等轻量化移动观测平台越来越多地在大气污染精细化监测和治理中发挥重要作用。但FIMS仪器体积大、功耗高，导致其无法搭载到这些轻量化移动观测平台上。同时，业界学者迫切希望FIMS能在大气污染监测和治理中发挥更大作用。
这正是张礁石想要做的，他一口答应了。
接下来的科研攻关路上，他们克服了无数困难。4年后，张礁石等人设计出一套全新的方案，将整套系统体积缩小至1/20，功耗降低至50W，初步达到了无人机可荷载水平。2023年，他们申请了国际PCT专利，并于今年将相关论文投稿至美国气溶胶学会期刊。
张礁石和FIMS
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张礁石说：“这一发明将极大地助力无人机、探空气球、走航车等快速移动平台的空间观测，有助于快速掌握气溶胶粒径的空间分布，有效弥补目前固定站点观测的不足。”
今年是张礁石在美国工作的第6年。这项研究发表后，他继续在王坚的团队“捣鼓”这台小型化气溶胶粒径分布测量系统。下一步，他们将和其他团队合作推进该仪器的产业化。
张礁石在调试小型化FIMS样机
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回首走过的路，张礁石庆幸所做的每一个决定。
如果没有电子工程的背景和技能，如果没有从大厂裸辞，如果没有转专业读博……那么是不是会错过这个发现？
“心之所向，素履以往”，这是张礁石给出的答案。无论什么时候，他都坚持做自己想做的。
谈及未来，张礁石表示，计划明年回国从事科研工作，希望为我国气溶胶科学与技术的发展出一份力。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn2961
*文中图片均为受访者提供
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