冰核

凍結核和凝華核總稱為冰核，冰晶本身就是冰核。冰核不要求能溶解於水，但要求其分子結構與冰晶類似，便於水分子在核面上按一定的規則排列成為冰晶。水汽能在冰晶表面上直接凝華，使冰晶不斷增大，過冷卻水滴與冰晶接觸一般也會立刻凍結，所以冰晶本身就是冰核。

基本介紹

• 中文名：冰核
• 外文名：Ice nuclear
• 含義：凍結核和凝華核總稱
• 性質：冰晶
• 要求：其分子結構與冰晶類似

簡介

冰核是指大氣中可以引起水蒸汽發生凝華或過冷水滴發生凍結而形成冰晶的固體粒子。20世紀初，有人認為雲中出現冰晶可能需要有一種能導致小水滴凍結或水汽可以在其上直接凝華的核，這是大氣冰核的雛形團。真正對大氣冰核進行廣泛的研究是從20世紀50年代開始，我國對大氣冰核的研究始於60年代。

大冰核在自然界中通過凝華、凝結一凍結、浸沒、接觸凍結4種活化方式形成冰晶川，在冷雲降水中起著激發過冷水向冰晶轉化的作用。在中緯度地區，雲中負溫區存在冰晶，而且這些冰晶有條件進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，是研究自然冷雲降水和人工影響冷雲降水的基礎性工作。1991年在國際氣溶膠和雲的相互作用會議上，專家們再次強調了冰相過程在大氣中的作用和冰核觀測的重要性，並認為大氣冰核除可能影響降水過程外，還可能通過影響雲微物理結構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致冷雲反照率增大，從而可能導致氣候變冷，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家的高度重視。

冰核的來源

冰核主要來源於大氣氣溶膠粒子，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，成核效率隨溫度和凍的過飽和狀態變化。自然活動和人類活動均能產生冰核。大氣冰核的來源包括沙塵粒子、礦物塵埃、工業煙塵、火山爆發的火山灰川和流星塵埃等。

20世紀60年代在吉林白城地區進行的春季大氣冰核觀測表明，黃土高原的風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律是大氣冰核最重要的特性。

儘管火山灰被認為是冰核來源，但火山較多的太平洋沿岸大氣冰核濃度並不是很高。流星塵埃作為冰核源，其成冰性能並不是很優良。

冰核的組分

在不同地區，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%。而在美國佛羅里達陸地上空對雲砧捲雲中冰殘留核的化學組分研究表明，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。

冰核的成冰活性

冰核的活性是指導致冰晶形成的能力，由於冰核的成分、大小及形狀等性質不同，其形成冰晶的能力也不同。活性較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時的溫度情況。研究表明，在同一環境條件下，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增加，其關係可以用 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。

冰核的濃度

冰核濃度的時間空變化特徵

冰核濃度日變化複雜，各地的研究結果差異較大。由於冰核濃度與觀測的時間、地點和方法等有關，在不同地區利用不同方法進行的冰核觀測，其結果的可比性較差。研究表明，擴散雲室測得的凝華核平均為混合雲室測值的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式也較為複雜，這都造成冰核的變化規律不一致。

冰核濃度與氣象條件的關係

（1）與天氣系統的關係

研究區天氣系統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，暖鋒變為冷鋒後，平均冰核濃度減少，冷鋒後，冰核濃度接近0.2個.L^-1，氣旋經過的最後階段，冰核濃度為0.1個.L^-1;在吉林白城河套倒槽和內蒙氣旋下冰核濃度較高。趙劍平等叫指出，兩個氣團交界處經常是鋒而活動區，會產生大量的冰核，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)，其原因為鋒而經過時，引起強烈的局地擾動，地而質點帶到近地層造成冰核物質的增力口。

（2）與天氣現象的關係

降雨、風沙和霧霆等天氣也可以影響大氣冰核濃度。研究表明，降雨過後，冰核濃度明顯降低，雨強較小時，降水對冰核濃度的影響不太明顯，但強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）與氣象因子的關係

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

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律。晴空及天空中有中高雲時冰核濃度均高於有低雲時的冰核濃度。從整個天氣形勢來看，處於低壓區時，空氣輻合較強，有利於冰核的積聚。游來光等、石愛麗等指出，低壓區常對應著較高的冰核濃度，但李淑日等研究表明，冰核濃度與氣壓呈正相關。值得一提的是，李淑日等和石愛麗等的研究區和研究方法均相同，只是時間分別為2001年和2003年，但結論卻相反，說明氣壓與冰核的關係是複雜的，其關係具體如何需要做進一步的研究。

冰核觀測方法

大氣冰核的觀測時間、地點、觀測時雲室溫度、過飽和度、檢驗冰晶的方法、冰晶的計數、雲室內壁結霜等許多因子會影響大氣冰核濃度觀測結果，因此大氣冰核的觀測方法對於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雲室(rapid expansion cloud chamber，也稱畢格型冰核計數器)測量大氣冰核濃度。該儀器主體為一混合型冷雲室，雲室底部是過冷糖液盤，糖液盤置於盛滿阻凍劑並可上下拉提的容器上，糖液中糖與水的質量比為1：1。冷室外壁是蒸發盤管，制冷機通過蒸發盤管實現製冷降溫，製冷下限溫度為-30 0C。雲室內壁塗上甘油，以防結霜。抽取空氣氣樣達到預定溫度後通入飽和空氣，形成過冷霧，過冷霧可維持2-3 min。空氣中的冰核活化後形成小冰晶落在糖液盤上，長大至可目測計數的尺度後將糖液盤拉起並讀數，經過計算，可得冰核濃度。畢格型冰核計數器的核化條件比較接近雲中的實際核化條件，且操作簡便，相對造價較低，但難以實現空中採樣，也不能進行分機制的冰核檢測，不便於雲和降水物理學研究的深入開展。

1963年，Bigg et al又提出了濾膜一擴散雲室法(aerosol collection on membrane filters fol-lowed by processing in a diffusion chamber，也稱濾膜法)。此後，國際上廣泛採用過濾膜法觀測冰核濃度，並一度提出把它作為冰核測定的標準方法。濾膜法是用抽氣泵將樣本空氣通過濾膜進行過濾，含有冰核的大氣氣溶膠粒子被滯留在濾膜上，然後將採樣後的濾膜送入冷雲室中進行活化顯示處理。濾膜法具有可將取樣與活化顯示處理分開、連續取樣、取樣地點不受限制以及捕獲率高等優點，但取樣體積不合理會導致體積效應帶來的誤差，並且處理取樣濾膜時，冷卻時間、浸潤方法、雲室高度等都會對濾膜顯示的冰晶量有影響。濾膜採樣一擴散雲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核因其可穿透濾膜或嵌入濾膜內無法測量，從而會造成低估。

1973年，Langer利用混合雲室(mixingchamber)進行冰核的測量;1988年，Rogers詳細介紹了連續流擴散雲室(continuous flow diffu-lion chamber, CFDC)的優缺點以及操作方法。連續流擴散雲室(CFDC)可以進行空中採樣，並具有氣溶膠粒子在常規大氣濃度下取樣、溫度和過飽和狀態可控以及可實時觀測等優點，因此，國際知名的野外冰核觀測項目如Winter Icing and Storms計畫、INSPECT一Ⅱ(The Second Ice Nuclei Spetroscopy Campaign)/SUCCESS計畫(SubsonicAircraft:Contrail and Cloud Effects Special Study)口習等均採用此法。但此種方法也存在對於某些成核機制敏感性較差、統計樣品有限、無法自動操作以及無法對>2 pm的粒子取樣等缺點;1995年，DeMot在研究中採用了控制膨脹雲室(controlled- expansion cloud chamber)進行冰核的觀測;1996年，Ropers et a11'〕提出利用模擬實際上升氣流的慢膨脹雲室(slow expansion cloud cham-ber to simulate realistic updrafts)進行大氣冰核的觀測。

2006年，美國Frankfurt大氣環境所和德國Mainz大氣物理所聯合研發了快速冰核計數器FINCH(Faxt Ice Nucleus Chamber，a continuousflow mixing chamber。2008年，Bundke etal詳細介紹了FINCH的設計原理和操作方法等，如FINCH的設計能夠保證>3pm的粒子在50 min 1流速以上均有100%的傳輸效率，並且新研製的光學探測器能區分過冷水滴和冰粒子，從而獲得冰核和雲凝結核的數量濃度。FINCH具有高達5 -10 min 1的樣品流速，而且冰核的數量濃度為10IN.1^-1，只需1 -2 min就可以得到足夠的統計數據。此外，還提及了靜力真空水汽擴散雲室FRIDUE(Frankfurt Ice Nuclei Deposition FreezingExperiment)。2010年，Klein et al詳細介紹了靜力真空水汽擴散雲室FRIDUE，此裝置對任何類型基質上採集到的甚至直徑為50 mm的冰核都可以進行分析。

在以上各種方法中採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利用沉降一擴散雲室法觀測冰核活性與其尺度的關係，結果表明，較大尺度的冰核具有較高的活化溫度。隨著科學技術的發展，電鏡技術被套用於大氣冰核研究。利用電鏡技術可以對凍的形成過程和冰晶生長過程進行觀測和成像，因此，電鏡適用於冰核形態學特徵的研究。同時，通過在電鏡上安裝能量彌散X射線(( en-ergy-dispersive X-ray, EDX)，還可以進行大氣冰核的化學成分分析。

影響

冰核對於雲的宏微觀結構、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。當溫度在一35℃以上時，冰晶的形成主要依賴於冰核的異質核化，因此，冰核濃度對於大部分冷雲中初生冰晶的數量起著重要作用，影響著整個冰水轉化過程。而冰晶對於冷雲降水、雲的輻射效應、水分循環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，與雲凝結核具有同等的重要性。