[科普中國]-冰核

簡介

冰核是指大氣中可以引起水蒸汽發(fā)生凝華或過冷水滴發(fā)生凍結(jié)而形成冰晶的固體粒子。220世紀(jì)初，有人認(rèn)為云中出現(xiàn)冰晶可能需要有一種能導(dǎo)致小水滴凍結(jié)或水汽可以在其上直接凝華的核，這是大氣冰核的雛形團(tuán)。真正對大氣冰核進(jìn)行廣泛的研究是從20世紀(jì)50年代開始，我國對大氣冰核的研究始于60年代。

大冰核在自然界中通過凝華、凝結(jié)一凍結(jié)、浸沒、接觸凍結(jié)4種活化方式形成冰晶川，在冷云降水中起著激發(fā)過冷水向冰晶轉(zhuǎn)化的作用。在中緯度地區(qū)，云中負(fù)溫區(qū)存在冰晶，而且這些冰晶有條件進(jìn)一步增長是形成降水必不可少的條件。因此，對大氣冰核的觀測分析，是研究自然冷云降水和人工影響冷云降水的基礎(chǔ)性工作。1991年在國際氣溶膠和云的相互作用會議上，專家們再次強(qiáng)調(diào)了冰相過程在大氣中的作用和冰核觀測的重要性，并認(rèn)為大氣冰核除可能影響降水過程外，還可能通過影響云微物理結(jié)構(gòu)而影響大氣的輻射過程。近年有研究指出，大氣冰核濃度的增加導(dǎo)致冷云反照率增大，從而可能導(dǎo)致氣候變冷，表明冰核濃度的變化在全球氣候變化中可能發(fā)揮著重要作用叫。因此，對大氣冰核的觀測分析一直受到科學(xué)家的高度重視。

冰核的來源冰核主要來源于大氣氣溶膠粒子，但只有小部分氣溶膠粒子能成為冰核，冰核與氣溶膠的比率為10-3-10-6，成核效率隨溫度和冰的過飽和狀態(tài)變化。自然活動和人類活動均能產(chǎn)生冰核。大氣冰核的來源包括沙塵粒子、礦物塵埃、工業(yè)煙塵、火山爆發(fā)的火山灰川和流星塵埃等。

20世紀(jì)60年代在吉林白城地區(qū)進(jìn)行的春季大氣冰核觀測表明，黃土高原的風(fēng)沙是白城冰核的主要來源。黏土礦物(clay minerals)也是最重要的冰核源。Kumai研究表明，在日本、美國、格陵蘭和波蘭南部雪晶中心大約70%的核是瓢土礦物。大氣中冰核的濃度大小及其變化規(guī)律是大氣冰核最重要的特性。

盡管火山灰被認(rèn)為是冰核來源，但火山較多的太平洋沿岸大氣冰核濃度并不是很高。流星塵埃作為冰核源，其成冰性能并不是很優(yōu)良。2

冰核的組分在不同地區(qū)，冰核的組分是不同的。如在美國西部利用PALMS(NOAA's Particle Analysisby Laser Mass Spectrometry)判定，冰核主要由礦物灰塵/飛灰和金屬粒子組成少，二者在冰核中的比例分別為33%和2 5%。而在美國佛羅里達(dá)陸地上空對云砧卷云中冰殘留核的化學(xué)組分研究表明，無論是小殘留核還是大殘留核，鹽的成分均為30%。在小殘留核中，金屬物為1600，有機(jī)物為1400;在大殘留核中，金屬物為2900，地殼塵埃(crustal dust)為15%。北阿拉斯加的MPACE( mixed-phase Arctic cloud experiment)試驗(yàn)表明，冰核粒子主要顆粒物的類型可識別為3900金屬氧化物(粉塵)，35%含碳顆粒物和25%由金屬氧化物(粉塵)與碳化合物或鹽(硫酸鹽)組成的混合物，表明冰核粒子的元素組分具有顯著的可變性。2

冰核的成冰活性冰核的活性是指導(dǎo)致冰晶形成的能力，由于冰核的成分、大小及形狀等性質(zhì)不同，其形成冰晶的能力也不同?；钚暂^高的冰核在不太低的溫度條件下就可形成冰晶，活性較低的冰核只在較低的溫度條件下才能起到冰核作用。因此，測量大氣冰核濃度需要了解當(dāng)時的溫度情況。研究表明，在同一環(huán)境條件下，大氣冰核濃度隨著溫度的降低而增加，每降低3-5℃，冰核濃度的觀測值就增加10。20世紀(jì)80年代對福建石塔山冰核濃度的觀測表明，冰核濃度隨活化溫度的降低呈指數(shù)增加，其關(guān)系可以用 擬合。冰核活性會隨著粒子表而積的增加而增加，而冰晶生長率也會隨溫度的降低和過飽和度的增加而增加。2

冰核的濃度冰核濃度的時間空變化特征冰核濃度日變化復(fù)雜，各地的研究結(jié)果差異較大。由于冰核濃度與觀測的時間、地點(diǎn)和方法等有關(guān)，在不同地區(qū)利用不同方法進(jìn)行的冰核觀測，其結(jié)果的可比性較差。研究表明，擴(kuò)散云室測得的凝華核平均為混合云室測值的0.880%。除大氣冰核觀測的可比性較差外，觀測中模擬冰核活化的程序也較為復(fù)雜，這都造成冰核的變化規(guī)律不一致。

冰核濃度與氣象條件的關(guān)系（1）與天氣系統(tǒng)的關(guān)系

研究區(qū)天氣系統(tǒng)可以影響大氣冰核濃度。在以色列mo , SMR ( the southern margins of the raincloud systems)所在位置的冰核濃度均較高，暖鋒變?yōu)槔滗h后，平均冰核濃度減少，冷鋒后，冰核濃度接近0.2個.L-1，氣旋經(jīng)過的最后階段，冰核濃度為0.1個.L-1;在吉林白城河套倒槽和內(nèi)蒙氣旋下冰核濃度較高。趙劍平等叫指出，兩個氣團(tuán)交界處經(jīng)常是鋒而活動區(qū)，會產(chǎn)生大量的冰核，鋒而過境時，冰核濃度一般會突然增加1一2個量級(即核暴)，其原因?yàn)殇h而經(jīng)過時，引起強(qiáng)烈的局地?cái)_動，地而質(zhì)點(diǎn)帶到近地層造成冰核物質(zhì)的增力口。

（2）與天氣現(xiàn)象的關(guān)系

降雨、風(fēng)沙和霧霆等天氣也可以影響大氣冰核濃度。研究表明，降雨過后，冰核濃度明顯降低，雨強(qiáng)較小時，降水對冰核濃度的影響不太明顯，但強(qiáng)降水對冰核的沖刷作用較為明顯。晴天與陰天相比，冰核濃度差別不大比〕。與有、無沙塵天氣相比，有沙塵時的冰核濃度比無沙塵時的高一倍。

（3）與氣象因子的關(guān)系

風(fēng)向、氣壓和相對濕度等氣象因子也可以影響大氣冰核濃度。大氣冰核濃度與風(fēng)向的關(guān)系，與研究區(qū)的地理位置和地表環(huán)境有關(guān)。在以色列的Har-Uilo，西南風(fēng)向時冰核濃度要比西北風(fēng)向時高3倍山爪在青海省河南縣有風(fēng)時高溫核的平均濃度基本上高于靜風(fēng)時的濃度，偏東風(fēng)時冰核濃度較高比爪在新疆中天山北坡，偏北風(fēng)時冰核濃度略高于偏南風(fēng)時.氣而在吉林白城的研究表明冰核濃度與風(fēng)向風(fēng)速關(guān)系不大。

隨著相對濕度的增加，冰核濃度也有增加的趨勢，但冰核濃度隨溫度變化沒有一定的規(guī)律。晴空及天空中有中高云時冰核濃度均高于有低云時的冰核濃度。從整個天氣形勢來看，處于低壓區(qū)時，空氣輻合較強(qiáng)，有利于冰核的積聚。游來光等、石愛麗等指出，低壓區(qū)常對應(yīng)著較高的冰核濃度，但李淑日等研究表明，冰核濃度與氣壓呈正相關(guān)。值得一提的是，李淑日等和石愛麗等的研究區(qū)和研究方法均相同，只是時間分別為2001年和2003年，但結(jié)論卻相反，說明氣壓與冰核的關(guān)系是復(fù)雜的，其關(guān)系具體如何需要做進(jìn)一步的研究。2

冰核觀測方法大氣冰核的觀測時間、地點(diǎn)、觀測時云室溫度、過飽和度、檢驗(yàn)冰晶的方法、冰晶的計(jì)數(shù)、云室內(nèi)壁結(jié)霜等許多因子會影響大氣冰核濃度觀測結(jié)果，因此大氣冰核的觀測方法對于研究冰核濃度顯得尤為重要。

1957年，Bigg首先提出了利用快速膨脹云室(rapid expansion cloud chamber，也稱畢格型冰核計(jì)數(shù)器)測量大氣冰核濃度。該儀器主體為一混合型冷云室，云室底部是過冷糖液盤，糖液盤置于盛滿阻凍劑并可上下拉提的容器上，糖液中糖與水的質(zhì)量比為1：1。冷室外壁是蒸發(fā)盤管，制冷機(jī)通過蒸發(fā)盤管實(shí)現(xiàn)制冷降溫，制冷下限溫度為-30 0C。云室內(nèi)壁涂上甘油，以防結(jié)霜。抽取空氣氣樣達(dá)到預(yù)定溫度后通入飽和空氣，形成過冷霧，過冷霧可維持2-3 min?？諝庵械谋嘶罨笮纬尚”湓谔且罕P上，長大至可目測計(jì)數(shù)的尺度后將糖液盤拉起并讀數(shù)，經(jīng)過計(jì)算，可得冰核濃度。畢格型冰核計(jì)數(shù)器的核化條件比較接近云中的實(shí)際核化條件，且操作簡便，相對造價較低，但難以實(shí)現(xiàn)空中采樣，也不能進(jìn)行分機(jī)制的冰核檢測，不便于云和降水物理學(xué)研究的深入開展。

1963年，Bigg et al又提出了濾膜一擴(kuò)散云室法(aerosol collection on membrane filters fol-lowed by processing in a diffusion chamber，也稱濾膜法)。此后，國際上廣泛采用過濾膜法觀測冰核濃度，并一度提出把它作為冰核測定的標(biāo)準(zhǔn)方法。濾膜法是用抽氣泵將樣本空氣通過濾膜進(jìn)行過濾，含有冰核的大氣氣溶膠粒子被滯留在濾膜上，然后將采樣后的濾膜送入冷云室中進(jìn)行活化顯示處理。濾膜法具有可將取樣與活化顯示處理分開、連續(xù)取樣、取樣地點(diǎn)不受限制以及捕獲率高等優(yōu)點(diǎn)，但取樣體積不合理會導(dǎo)致體積效應(yīng)帶來的誤差，并且處理取樣濾膜時，冷卻時間、浸潤方法、云室高度等都會對濾膜顯示的冰晶量有影響。濾膜采樣一擴(kuò)散云室法測量的主要是凝華核冰核，而對部分較小的冰核如凍結(jié)核因其可穿透濾膜或嵌入濾膜內(nèi)無法測量，從而會造成低估。

1973年，Langer利用混合云室(mixingchamber)進(jìn)行冰核的測量;1988年，Rogers詳細(xì)介紹了連續(xù)流擴(kuò)散云室(continuous flow diffu-lion chamber, CFDC)的優(yōu)缺點(diǎn)以及操作方法。連續(xù)流擴(kuò)散云室(CFDC)可以進(jìn)行空中采樣，并具有氣溶膠粒子在常規(guī)大氣濃度下取樣、溫度和過飽和狀態(tài)可控以及可實(shí)時觀測等優(yōu)點(diǎn)，因此，國際知名的野外冰核觀測項(xiàng)目如Winter Icing and Storms計(jì)劃、INSPECT一Ⅱ(The Second Ice Nuclei Spetroscopy Campaign)/SUCCESS計(jì)劃(SubsonicAircraft:Contrail and Cloud Effects Special Study)口習(xí)等均采用此法。但此種方法也存在對于某些成核機(jī)制敏感性較差、統(tǒng)計(jì)樣品有限、無法自動操作以及無法對>2 pm的粒子取樣等缺點(diǎn);1995年，DeMot在研究中采用了控制膨脹云室(controlled- expansion cloud chamber)進(jìn)行冰核的觀測;1996年，Ropers et a11'〕提出利用模擬實(shí)際上升氣流的慢膨脹云室(slow expansion cloud cham-ber to simulate realistic updrafts)進(jìn)行大氣冰核的觀測。

2006年，美國Frankfurt大氣環(huán)境所和德國Mainz大氣物理所聯(lián)合研發(fā)了快速冰核計(jì)數(shù)器FINCH(Faxt Ice Nucleus Chamber，a continuousflow mixing chamber。2008年，Bundke etal詳細(xì)介紹了FINCH的設(shè)計(jì)原理和操作方法等，如FINCH的設(shè)計(jì)能夠保證>3pm的粒子在50 min 1流速以上均有100%的傳輸效率，并且新研制的光學(xué)探測器能區(qū)分過冷水滴和冰粒子，從而獲得冰核和云凝結(jié)核的數(shù)量濃度。FINCH具有高達(dá)5 -10 min 1的樣品流速，而且冰核的數(shù)量濃度為10IN.1-1，只需1 -2 min就可以得到足夠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。此外，還提及了靜力真空水汽擴(kuò)散云室FRIDUE(Frankfurt Ice Nuclei Deposition FreezingExperiment)。2010年，Klein et al詳細(xì)介紹了靜力真空水汽擴(kuò)散云室FRIDUE，此裝置對任何類型基質(zhì)上采集到的甚至直徑為50 mm的冰核都可以進(jìn)行分析。

在以上各種方法中采樣測量的冰核濃度很少考慮到氣溶膠的大小、形狀等因素的影響，Berezinskiyt et al利用沉降一擴(kuò)散云室法觀測冰核活性與其尺度的關(guān)系，結(jié)果表明，較大尺度的冰核具有較高的活化溫度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電鏡技術(shù)被應(yīng)用于大氣冰核研究。利用電鏡技術(shù)可以對冰的形成過程和冰晶生長過程進(jìn)行觀測和成像，因此，電鏡適用于冰核形態(tài)學(xué)特征的研究。同時，通過在電鏡上安裝能量彌散X射線(( en-ergy-dispersive X-ray, EDX)，還可以進(jìn)行大氣冰核的化學(xué)成分分析。2

影響冰核對于云的宏微觀結(jié)構(gòu)、輻射特性及其物理特性都可能有著重要影響，但這些目前還沒有作過專門的研究。當(dāng)溫度在一35℃以上時，冰晶的形成主要依賴于冰核的異質(zhì)核化，因此，冰核濃度對于大部分冷云中初生冰晶的數(shù)量起著重要作用，影響著整個冰水轉(zhuǎn)化過程。而冰晶對于冷云降水、云的輻射效應(yīng)、水分循環(huán)甚至平流層的水汽含量的作用都很大，是一個重要的影響因子。因此，冰核在很多物理過程都扮演著重要角色，與云凝結(jié)核具有同等的重要性。3