瑞典裔美籍氣象學家Carl-Gustaf Rossby (1898-1957)，是現代氣象學中最具有影響力的人物。他主要的研究貢獻在大氣動力學，對航空氣象、數值天氣預報、大氣化學、雲物理、地球系統科學等也有很重要的貢獻。
1957年8月19日，Rossby因心臟病發驟逝，享年58歲，震驚整個科學界。原先Rossby友人規劃慶祝他六十歲大壽的學術特別專輯，變成Rossby的逝世紀念專輯，但未改變其初衷，即見證Rossby在大氣科學的學術發展、教學、和國際科學合作上的重要貢獻與領導角色。
Rossby的紀念專輯於1959年出版，標題為：
THE ATMOSPHERE AND THE SEA IN MOTION
SCIENTIFIC CONTRIBUTIONS TO THE ROSSBY MEMORIAL VOLUME
專輯的主編是Bert Bolin，由Rockefeller University Press出版，網路上可找到全文：https://books.rupress.org/sites/books.rupress.org/files/ebooks/9780874700336_WEB.pdf。
Rossby紀念專輯的第一篇文章 (Rossby 1959)，是Rossby過世前幾個月在瑞典國家科學研究委員會的1956 年年鑑發表的文章：Aktuella Meteorologiska Problem (瑞典文，中譯為「當前氣象學面臨的問題」)，分成以下章節：
Introduction
Planetary problems of balance and circulation
A. Radiation balance and heat storage
B. Carbon dioxide and its cycle
C. Tritium and the hydrologic cycle
The general circulation of the atmosphere
Weather forecasts
Distribution of matter in the atmosphere
A. Air trajectories
B. Distribution and circulation of maritime salts
C. The circulation of sulphur and ammonia
D. The exchange of matter at the sea surface
Attempts to control atmospheric processes
這篇文章，從現在來看仍是極具意義和遠見。系列文Part 8.4，來筆記 “Distribution of matter in the atmosphere” 這一個章節 (p37-44)。這章節的資訊很多，講了空氣軌跡、海鹽、硫、氮、海面的物質交換等，這在當時是很新的研究領域。Rossby提到在歐洲跟美國的降水化學成份的初步分析結果，以及科學家提出的假說來解釋這些現象，但還需要更進一步的研究。其中不少分析和研究工作是在瑞典做的，從Rossby的語氣，可以感覺到有很多未知的東西，有很多令人興奮的研究課題，這也促成後續大氣化學和生物地球化學的發展。
對Rossby故事有興趣的話，可以參考我之前寫的文章：https://yihsuanchen-journey.blogspot.com/search/label/Carl-Gustaf%20Rossby：
Carl-Gustaf Rossby: Part 0 - Rossby’s mentorship
Carl-Gustaf Rossby: Part 1 - 簡介
Carl-Gustaf Rossby: Part 2 - 少年時代
Carl-Gustaf Rossby: Part 3 - 美國氣象局 & 建立航空氣象地面觀測網
Carl-Gustaf Rossby: Part 4 - MIT時期
Carl-Gustaf Rossby: Part 5 - 二戰期間
Carl-Gustaf Rossby: Part 6.1 - 芝加哥大學氣象研究所的成立
Carl-Gustaf Rossby: Part 6.2 - 芝加哥的學生
Carl-Gustaf Rossby: Part 7.1 - 重返瑞典
Carl-Gustaf Rossby: Part 7.2 - 瑞典的學生
Carl-Gustaf Rossby: Part 8.1 - 當前氣象學面臨的問題：輻射收支、二氧化碳和碳循環、水循環
Carl-Gustaf Rossby: Part 8.2 - 當前氣象學面臨的問題：大氣環流、鋒面
Carl-Gustaf Rossby: Part 8.3 - 當前氣象學面臨的問題：天氣預報
▋1. 追蹤空氣的軌跡
Rossby認為，氣象學家會越來越關注大氣作為承載和傳遞物質 (如海鹽、沙塵、工業污染物等) 的角色，其更根本的氣象動力學問題是給定某一時刻位於大氣中某一位置的物質，去計算這個物質未來將沿著什麼軌跡運動。這需要知道大氣當下的三維風場、風場隨時間如何變化、傳送過程中經歷的化學過程，但當時的知識和技術還無法做到 (p37)。
從觀測來說，地面氣象觀測站一天只做兩次觀測，而且大部分測站沒有做高空觀測，無從得知大氣的高空風場。雖然美國軍方有使用氣球做觀測，這些氣球搭載自動控制裝置，可以保持在預定的大氣壓力層，並隨該層的風場移動，量測風向、風速、溫度、水氣等變數。但是這些資料是軍事機密，不會拿給氣象學家研究大氣的運動和特徵 (p38)。
從理論和數值模式來說，當時使用的單層正壓大氣模式是「假設」在500百帕氣壓面上，不是真實大氣的500百帕，另外模式也沒有考慮垂直風切，使得模式基本上無法準確計算大氣中某一定點的風向風速以及空氣塊的三維軌跡。D. Dmric和Aksel Wiin-Nielsen曾經比較模式和真實大氣500百帕氣壓面的空氣軌跡，模式的結果十分不理想 (p37-38)。此外，當想了解大氣如何傳送物質，需要考慮平流和紊流的貢獻，長程傳輸的情況下還需考慮地球旋轉的貢獻。想建構計算空氣軌跡的數值模式還需要很多研究和努力，即使完成，也需要觀測資料來跟計算結果做比對 (p38-39)。
因此，要準確的計算空氣的軌跡，並了解大氣中的物質怎麼被傳送，需要理論和觀測攜手合作，Rossby認為國際氣象組織 (World Meteorological Organization) 有必要進行定期的空氣軌跡觀測實驗，來幫助研究和解決這些問題 (p38)。
現在，我們已經有數值模式來計算物質在大氣中傳送，包括硫酸鹽、海鹽、沙塵等，也有遙測技術如衛星來監測和反演這些物質在大氣的濃度。這些模式和技術在實務上扮演重要角色，例如假設發生大規模野火、火山爆發、沙塵暴、人為空氣污染等事件，我們可以透過數值模式來計算這些物質何時會到達某地區，提前告警公私部門和民眾來做準備，並且透過實地和遙測的觀測資料，來和模式結果比較。
Rossby的未竟之志可說是實現了。
Animation of global aerosols from August 1, 2019 to January 29, 2020. Image credit: https://svs.gsfc.nasa.gov/31100/#media_group_320285
▋2. 海鹽的分佈與循環
地表上有某些持續存在的氣膠排放源 (例如海洋、工廠、森林等)，這些氣膠進到大氣後會被中低對流層的氣流傳送到其他地方，因重力或降水回到地面。因為這些氣膠排放源很穩定，Rossby注意到近年來氣象學家開始關注這些氣膠在長時間氣候尺度下的分佈情況。他在這個小節專門討論海洋產生的海鹽如何被風重送和重新分佈，這類問題不僅對氣象學具有重要意義，同時也引發了一系列地球化學的重大課題 (p39)。
在早期的地質研究，大氣中的海鹽對陸地或海洋鹽分的貢獻一般被科學家忽略。
以海洋為例，一般假設河流的鹽分來源是化學過程侵蝕岩石或生物而來，如果進一步假設河流輸送到海洋的鹽分量已知且恆定，可以藉此估計海洋的年齡。基於這個方法的估算海洋年齡約為6千萬年，遠小於一般認知的40億年。這顯示必須重新思考河流中鹽分的來源，說不定有很大一部分的鹽是大氣帶來的 (p39)。以陸地為例，過去普遍認為沙漠中的鹽沉積物是由海水入侵形成的。然而，不能排除這些沉積物中的鹽是由空氣中的鹽分沉降累積形成的 (p40)。
要估算有多少大氣中的海鹽沈降到地面，瑞典皇家農業學院和斯德哥爾摩國際氣象學研究所資助科學家來分析歐洲西北部大量氣象站的每月降水樣本的化學組成，並可用來繪製出化學-氣候地圖或是化學-水文地圖。初步結果顯示河流中的鹽分很大程度上應由大氣帶來的，這些鹽分隨後被河流帶回海洋 (p40)。
▋3. 海洋表面的物質交換
由於物質有不同特性以及可能經歷不同的化學過程，雲水和降水中的化學元素成分可能跟海水不同，例如氯離子與鈉離子的相對含量、鈣離子的含量等。
鹽的主要成分是氯化鈉 (sodium chloride | NaCl)，在海水中這兩種離子的質量比為1.8；在純氯化鈉溶液中則為1.5 (氯的原子質量為35.45 g/mol，鈉的原子質量為22.99 g/mol)。在瑞典西海岸，年降水中這兩種離子的質量比接近1.5，但越遠離海岸，該比值系統性地降低，在瑞典中部偏東地區達到 1.0 至 0.8 之間，代表降水中的鈉含量增加或是氯含量減少。氯離子與鈉離子的質量比例也受環流型態的影響。當濕潤的南風或西南風盛行的深秋時節，這兩種離子的質量比可以超過 3.0 (p43)。
要解釋瑞典不同地區的降水氯離子與鈉離子的比例差異，最簡單是假設運輸鹽分的西風在進入瑞典內陸過程中，從地面吸收了其他鈉鹽，使鹽的組成發生了改變，德國化學家和海洋學家Kurt Kalle特別支持這個觀點。還有另一個可能性是海鹽在作為雲凝結核時經歷了某些過程，導致氯離子部分被消除並被其他離子取代。H. Caver認為是臭氧促成一系列的化學反應產生氣態氯化氫，導致降水中的氯離子減少，但根據理論分析以及一些實驗，目前認為臭氧並未扮演他所宣稱的角色。值得注意的是，Christian Junge聲稱他在夏威夷採集的空氣樣本中 (已去除凝結核) 發現了游離的氯化氫氣體 (p43)。
近年來，俄羅斯研究人員發布了黑海附近空氣中氯含量的數據。他們指出，距離海岸約 100 公里或更遠的地區，空氣中的氯含量約為每立方公尺100 微克。黑海中的氯離子與鈉離子比例與海洋中的比例幾乎沒有差異。然而，黑海的水體分層穩定且更新緩慢，在 200 米深度以下含有大量的硫化氫。有研究建議，在強烈風暴的作用下，黑海上層水體可能被「掀起」，使得下層的硫化氫擴散進入大氣中。在陽光下這些硫化氫會迅速氧化為二氧化硫 (SO₂) 並進一步轉化為三氧化硫 (SO₃)。這些氧化產物可能將凝結核中的氯離子排出，形成氣態氯化氫。氣態氯化氫可隨氣流被攜帶至更遠的地區，而凝結核 (主要由硫酸鈉組成) 則會很快沉降 (p44)。
此外，在微風條件下，海洋表面常常被一層薄薄的有機膜覆蓋，這個膜可能由某些脂肪酸組成，這些脂肪酸對鈉和鉀的結合能力較低，對鈣和鎂等陽離子的結合能力較高。當海水泡沫生成時，有機膜的一部分會隨著水滴被帶入空氣中，這應該會使雲水或降水中的鈣和鎂濃度比海水要高。這可能可以解釋為何斯堪地納維亞西海岸以及更深入內陸地區的降水中有高濃度的鈣。此外，在遠離污染源的芬蘭雪中發現有機物質，可能是海洋表面的有機膜被帶到大氣中，然後沉降到芬蘭的雪中 (p44)。
▋4. 硫和氮的循環
在海水中，硫 (sulfur | S) 主要以硫酸鹽 (sulfate | SO42-) 的形式存在，硫的質量含量與鈉相比約為0.08。由於降水通常含有相當大量的硫，一般認為這些硫是來自工業污染。透過分析降水中的化學成分再減去存在海洋中的硫含量 (即0.08)，科學家發現瑞典最南端向北延伸一條「非海洋性」硫的高濃度帶，這些硫很可能是德國的工業排放透過空氣傳輸來到瑞典 (p40-41)。
但是離污染源數千公里外的斯堪地那維亞地區，這些「非海洋性的」硫有強烈的水平梯度，很難用英國群島和西歐的工業排放來解釋。一個解釋是這些「非海洋性」硫中的一部分仍然來自於海洋，可能主要從大陸棚區域排放的硫化氫 (H₂S)，但要驗證仍須進一步的研究 (p40-41)。
現在，我們對地球的硫循環已經有更清楚的認識。
Image credit: https://www.geeksforgeeks.org/sulfur-cycle-steps/
氮化合物 (nitrogen compound) 對農業和林業扮演重要角色，從19世紀中期或是更早之前就對氮化合物有詳細的研究，也有豐富的野外量測，如英國羅森斯特德 (Rothamsted) 的農業實驗站有很長期的量測資料。但是，這些量測沒有從氣象學的觀點來考慮，因此無法進行氮化合物循環的全面分析。氮化合物循環分析不只對氣象學有益，還可以跨出氣象學的範疇進到生物地球化學的領域。近年來，Evelyn Hutchinson從生物地球化學的觀點探討氮化合物的循環，做出重要貢獻 (p42)。
地表有機物的分解或是土壤和水的揮發作用，會把氨 (ammonia | NH3) 排放到大氣，這些氨可以溶解進雲滴或雨滴，再經由降水回到地表。歐洲西北部和美國的化學-氣候觀測網有分析降水中氨的濃度，瑞典地區顯示降水中的氨呈現相當不規則的分佈，這表明地表分解過程產生的大部分氨氣會直接進入大氣，相關的物理化學過程相對快速且發生於局地。在美國東南部地區，Christian Junge發現降水中的氨含量極少，可能由於這些地區的酸性紅土能有效阻止分解作用產生的氨氣進入大氣，這還可進一步推論從更遠地區的氨氣傳送似乎相對不重要。在貿易風帶的島嶼觀測站，距最近的大陸超過 2,000 英里，降水中的氨濃度與瑞典東部無強烈局地排放源的數據相當。要解釋這個現象，很可能需要假設少量的氨以氣態形式從海面釋放，後以降水方式回到陸地上 (p42-43)。
氮可以用硝酸根 (nitrate | NO3-) 的形式存在於降水中，通常來說降水中的硝酸鹽含量顯著低於氨的含量。人們經常假設降水中很大一部分的硝酸鹽是通過閃電對空氣中的氮進行直接氧化產生，但Hutchinson試圖比較美國奧克拉荷馬地區在雷暴和無雷暴降雨期間降水中的硝酸鹽含量來確定閃電的效果，但結果並不令人信服，雷暴是否為硝酸鹽生成的重要來源仍是一個未解之謎。在瑞典，降水中硝酸鹽濃度最高的地區位於西海岸，從該地向內陸的濃度梯度很大且很集中，硝酸鹽的循環問題仍需進一步研究 (p43)。
現在，我們對地球的氮化合物循環已經有更清楚的認識。
Image credit: https://www.geeksforgeeks.org/nitrogen-cycle-definition-and-stages/
▋5. 小結
根據化學-氣候觀測網絡的資料進行降水化學成分的分析，可以研究地球化學與生物地球化學的問題。這些問題與某些物理化學問題密切相關，例如海洋表面的物質交換、凝結核被紊流帶入大氣後所經歷的各種過程 (p42)。
降水中化學物質的來源可能來自不同區域，降水的化學組成因此隨空氣來源不同而有所變化。在某段時間內降水的化學組成可能用來顯示該時間段內主導的氣流循環模式 (p41-42)。