凝結核

凝結核（condensation nucleus）是指凝結過程中起凝結核心作用的固態、液態和氣態的氣溶膠質粒。大氣凝結核由固態物質、溶液滴或兩者的混合物組成，其化學成分很複雜，最常見的是氯、氮、碳、鎂、鈉、鈣等化合物。大氣中的水汽能在其上凝結而成小水滴的懸浮微粒，通常稱凝結核。由於懸浮在大氣中的微粒都能在不同程度上起凝結核的作用，所以大氣凝結核和大氣氣溶膠微粒實際上是同義詞。凝結核是促使空氣中水汽凝結的微粒。

基本介紹

• 中文名：凝結核
• 外文名：condensation nucleus
• 粒徑：小於0.1μm
• 分類：可溶性核、混合體
• 定義：起凝結核心作用的氣溶膠質粒

簡介

凝結核主要有兩種：(1)可溶性核。這是一些可溶性鹽類質點，如源自海洋和土壤的NaCl、MgCl₂和MgSO₄。燃煤過程產生的Na2SO4等都是性質活躍的凝結核。(2)不溶於水但表面能為水所濕潤的凝結核，如CaCO₃，但凝結時所需相對濕度都要超過100%，即要達到飽和條件才能凝結。

在純淨的大氣中，水汽必須達到百分之幾百的過飽和度，才能凝結成水滴。但有大氣凝結核存在的條件下，水汽凝結所需的過飽和度顯著降低。水汽在不同性質、不同尺度的凝結核上凝結所需的過飽和度，差別很大。一般說來，吸濕性核（在相對濕度小於100%的情況下，就能使水汽凝結的微粒）所需的過飽和度，比非吸濕性核小得多，而且凝結核的尺度越大，凝結所需的過飽和度越小。

分類

按成吸水能力分

（1）吸濕性凝結核，它具有很強的吸水能力，易溶於水。如海水濺沫進入空氣的鹽粒，工廠排出的二氧化硫和煙粒等，是很活躍的凝結核，一經吸收水分，能形成濃度很大的胚胎，然後以胚胎為中心而進行凝結。

（2）非吸濕性凝結核，雖不易或不溶於水，但易為水所潤濕，如塵埃、岩石微粒、花粉等，它們可將水汽吸附在其表面上而形成小水滴。

按成分的性質分

物質由氣態轉化為液態或固態的凝結過程中，或由液態轉化為固態的凝結過程中，起凝結核心作用的顆粒。粒徑（半徑）一般小於0.1μm。按成分的性質可分為三類。

（1）不溶於水，但表面能為水所濕潤的核。主要是一些經風化後的礦物微粒，如碳酸鈣等。這類核的凝結性能，決定於核的大小及吸附水分子的能力。

（2）可溶性核。是一些可溶性鹽的微粒，如海洋和土壤中的氯化鈉、氯化鎂和硫酸鎂等，燃燒產物如硫酸鈉，大氣中由化學反應生成的硫酸銨等。

（3）混合體。每個核同時含有可溶與不可溶的成分，如某種氣體溶入雲滴後，由化學反應生成可溶性鹽類，隨後水分蒸發，殘留的鹽類結晶附著於雲滴中不可溶核上。

按尺度大小分

大氣凝結核的尺度範圍很寬，通常按尺度大小分為三類：

①愛根核,半徑0.005～0.1(0.2)微米，需用愛根核計數器檢測；

②大核,半徑0.1(0.2)～1微米；

③巨核，半徑大於1微米。

來源

雲凝結核的主要來源有三種：

①燃燒時排放到空氣中的各種無機鹽煙塵；

②燃燒過程中或工業生產中排放的硫氧化物和氮氧化物氣體，與大氣中其他物質化合而成的可溶性微粒；

③塵土和海水濺沫進入大氣的海鹽微粒。

一般說來，大氣中並不缺乏雲凝結核,只要水汽超過飽和狀態,就可以形成雲（霧）滴。因為雲凝結核的濃度，對形成的雲滴的大小和濃度有重要作用，所以它對雲中的微物理過程有重要影響。

凝結核的活化

水汽能在其上凝結成雲滴或霧滴的微粒稱為雲（霧）凝結核。在成雲的實際過程中，水汽的過飽和度一般在1%以下,所以雲凝結核是大氣凝結核中吸濕性較強且尺度較大的一種。雲凝結核的濃度與水汽過飽和度有密切的關係，水汽過飽和度越大，雲凝結核的濃度也越大。這是因為過飽和度增大以後，在原來不能起凝結作用的某些微粒上，水汽也能凝結，這種現象稱為凝結核的活化。

分布情況

大氣凝結核濃度的變化範圍也很大，凝結核多少因地而異，如遠離大陸的海洋上凝結核密度數量級為103個/cm³，在農村為104/cm³；而在城市可達105個/cm³；在大工業城市上空，有時達到106個/cm³。凝結核的濃度隨高度很快減小。

在同一地區，凝結核密度隨高度增加而減少。凝結核多少影響到雨量，故在城市上空及其盛行風下風向，常多雲霧，降水量增多。尤其在燃煤量大的工業區上空，由於凝結核含量大，且吸水性很強，常形成局部地區的暴雨。

意義

凝結核對人類生產生活的意義：

地球氣象現象中的各種降水現象的性質和規模大小都與凝結核的有無與凝結核是否充沛息息相關。例如富含水蒸氣的雲系，如果在其經過區域上空有豐富的凝結核存在，則極易形成降水降落到地面。反之，如果某區域上空凝結核的豐度較低，即使經過雲系含有豐富的水蒸氣，仍然不能形成降水條件。而冰雹、凍雨等災害天氣現象，也與凝結核有密切的關係。

因此，人類可以套用此特點干預降水的產生和降水的性質。例如，人工降雨/雪、人工增雨/雪和人工消雹作業，加快冰雪融化都是通過人為控制凝結核的豐度來干預天氣現象。

凝結核計數器

凝結核計數器(CondensationNucleus Counter一CNC)，主要套用於測量懸浮在大氣中的凝結核(氣溶膠)濃度，是最基本的測量氣溶膠的儀器之一。在實際大氣中，起凝結作用的氣溶膠粒子最小直徑有時只有幾納米，即使用最先進的雷射探測技術也無法直接測量到。凝結核計數器克服了這一難題，它利用先使測量氣體凝結，再測量凝結粒子濃度的方法，以達到問接測量凝結核濃度的目的。

凝結核計數器發明於上世紀，從最早簡易的愛根核計數器，到現在各種精密儀器CPC，已有超過100年的歷史。凝結核計數器的類型如下：

愛根核計數器

愛根核計數器(Aitken Nucleus Counter)是最早的凝結核計數器，由愛根於1888年研究成功。儀器為一個與抽氣筒相連的小室，室上有一放大鏡供觀察讀數。小室內壁附一層浸濕的多孔紙，以保持室內空氣接近飽和。小室內裝入一定體積的待測氣體，然後用抽氣筒抽氣，使室內降壓而達到很高的過飽和度，空氣中的水汽便在懸浮的氣溶膠質點(即凝結核上)凝結增長成水滴，沉降在小室底部上刻有尺寸格線的玻璃板上，用放大鏡讀出小水滴的數，乘以儀器的校正係數即為凝結核濃度。該儀器的工作量程為100-15000cm^-2，誤差為10-20%。愛根核計數器實際上是一種體積極小的雲室，容積只有幾十立方厘米(而大型雲室可達3000m²) ,控制要素只有壓力一項，結構也非常簡單。

N一P計數器

N一P計數器(Nolan一PollakCounter)最初由諾蘭和波拉克於1955年製造，因此得名。它是世界第一台能夠快速又較準確測量出凝結核濃度的計數器，並在幾十年內得到廣泛套用。

N-P計數器的工作原理是通過膨脹使原本被壓縮的空氣迅速冷卻，以實現過飽並凝結的目的。最早的壓縮空氣與大氣壓的比率固定為1. 21。快速降壓產生近似絕熱膨脹的效果，使空氣冷卻產生凝結。

聲學粒子計數器APC

聲學粒子計數器APC (AcousticParticle Counter)發明於上世紀五六十年代，後曾被用於測量霧粒子濃度，尺度範圍為5-30,APC小屬於凝結核計數器，可是其設計原理獨特，運用聲學技術完成計數，是計數器設計原理的又一次創新。

APC由純淨空氣組成的超薄氣流通過探測器。當一個粒子進入該超薄氣流時，由於粒子與其環繞氣流存在密度差異，氣流就會產生渦旋，變得動盪。這個動盪增加了流動阻力，產生一個暫時的氣壓差，導致氣流發出一次嘀嗒的聲響，這個聲響被麥克風放大後，由自動粒子計數器記錄卜來，就完成了一次計數。

凝結粒子計數器CPC

凝結粒子計數器C P C(CondensationParticle Counter)是現在最主流的凝結核計數器，它的出現取代了N-P計數器。儀器首先讓空氣飽和凝結，隨後再由雷射探測器計算出粒子個數，載有凝結粒子的氣流通過雷射感測器，由於雷射器腔內直徑很小，一次只有一個凝結粒子通過雷射探頭，因此此類凝結核計數器被又稱為單粒子計數器。

電子低壓撞擊計數器ELPI

電子低壓撞擊計數器ELPI(Electrical Low Pressure Itnpactor)是凝結核計數器設計的又一次新嘗試。最小測量粒徑範圍為7nm--10 um，儀器主要由級聯撞擊器、線管級電暈、多通道靜電計三個部分組成。