冰核

冻结核和凝华核的总称

冻结核和凝华核总称为冰核，冰晶本身就是冰核。冰核不要求能溶解于水，但要求其分子结构与冰晶类似，便于水分子在核面上按一定的规则排列成为冰晶。水汽能在冰晶表面上直接凝华，使冰晶不断增大，过冷却水滴与冰晶接触一般也会立刻冻结，所以冰晶本身就是冰核。

简介

冰核是指大气中可以引起水蒸汽发生凝华或过冷水滴发生冻结而形成冰晶的固体粒子。20世纪初，有人认为云中出现冰晶可能需要有一种能导致小水滴冻结或水汽可以在其上直接凝华的核，这是大气冰核的雏形团。真正对大气冰核进行广泛的研究是从20世纪50年代开始，我国对大气冰核的研究始于60年代。

大冰核在自然界中通过凝华、凝结一冻结、浸没、接触冻结4种活化方式形成冰晶川，在冷云降水中起着激发过冷水向冰晶转化的作用。在中纬度地区，云中负温区存在冰晶，而且这些冰晶有条件进一步增长是形成降水必不可少的条件。因此，对大气冰核的观测分析，是研究自然冷云降水和人工影响冷云降水的基础性工作。1991年在国际气溶胶和云的相互作用会议上，专家们再次强调了冰相过程在大气中的作用和冰核观测的重要性，并认为大气冰核除可能影响降水过程外，还可能通过影响云微物理结构而影响大气的辐射过程。近年有研究指出，大气冰核浓度的增加导致冷云反照率增大，从而可能导致气候变冷，表明冰核浓度的变化在全球气候变化中可能发挥着重要作用叫。因此，对大气冰核的观测分析一直受到科学家的高度重视。

冰核的来源

冰核主要来源于大气气溶胶粒子，但只有小部分气溶胶粒子能成为冰核，冰核与气溶胶的比率为10-3-10-6，成核效率随温度和冰的过饱和状态变化。自然活动和人类活动均能产生冰核。大气冰核的来源包括沙尘粒子、矿物尘埃、工业烟尘、火山爆发的火山灰川和流星尘埃等。

20世纪60年代在吉林白城地区进行的春季大气冰核观测表明，黄土高原的风沙是白城冰核的主要来源。黏土矿物(clay minerals)也是最重要的冰核源。Kumai研究表明，在日本、美国、格陵兰和波兰南部雪晶中心大约70%的核是瓢土矿物。大气中冰核的浓度大小及其变化规律是大气冰核最重要的特性。

尽管火山灰被认为是冰核来源，但火山较多的太平洋沿岸大气冰核浓度并不是很高。流星尘埃作为冰核源，其成冰性能并不是很优良。

冰核的组分

在不同地区，冰核的组分是不同的。如在美国西部利用PALMS(NOAA's Particle Analysisby Laser Mass Spectrometry)判定，冰核主要由矿物灰尘/飞灰和金属粒子组成少，二者在冰核中的比例分别为33%和2 5%。而在美国佛罗里达陆地上空对云砧卷云中冰残留核的化学组分研究表明，无论是小残留核还是大残留核，盐的成分均为30%。在小残留核中，金属物为1600，有机物为1400;在大残留核中，金属物为2900，地壳尘埃(crustal dust)为15%。北阿拉斯加的MPACE( mixed-phase Arctic cloud experiment)试验表明，冰核粒子主要颗粒物的类型可识别为3900金属氧化物(粉尘)，35%含碳颗粒物和25%由金属氧化物(粉尘)与碳化合物或盐(硫酸盐)组成的混合物，表明冰核粒子的元素组分具有显著的可变性。

冰核的成冰活性

冰核的活性是指导致冰晶形成的能力，由于冰核的成分、大小及形状等性质不同，其形成冰晶的能力也不同。活性较高的冰核在不太低的温度条件下就可形成冰晶，活性较低的冰核只在较低的温度条件下才能起到冰核作用。因此，测量大气冰核浓度需要了解当时的温度情况。研究表明，在同一环境条件下，大气冰核浓度随着温度的降低而增加，每降低3-5℃，冰核浓度的观测值就增加10。20世纪80年代对福建石塔山冰核浓度的观测表明，冰核浓度随活化温度的降低呈指数增加，其关系可以用拟合。冰核活性会随着粒子表而积的增加而增加，而冰晶生长率也会随温度的降低和过饱和度的增加而增加。

冰核的浓度

冰核浓度的时间空变化特征

冰核浓度日变化复杂，各地的研究结果差异较大。由于冰核浓度与观测的时间、地点和方法等有关，在不同地区利用不同方法进行的冰核观测，其结果的可比性较差。研究表明，扩散云室测得的凝华核平均为混合云室测值的0.880%。除大气冰核观测的可比性较差外，观测中模拟冰核活化的程序也较为复杂，这都造成冰核的变化规律不一致。

冰核浓度与气象条件的关系

（1）与天气系统的关系

研究区天气系统可以影响大气冰核浓度。在以色列mo , SMR ( the southern margins of the raincloud systems)所在位置的冰核浓度均较高，暖锋变为冷锋后，平均冰核浓度减少，冷锋后，冰核浓度接近0.2个.L-1，气旋经过的最后阶段，冰核浓度为0.1个.L-1;在吉林白城河套倒槽和内蒙气旋下冰核浓度较高。赵剑平等叫指出，两个气团交界处经常是锋而活动区，会产生大量的冰核，锋而过境时，冰核浓度一般会突然增加1一2个量级(即核暴)，其原因为锋而经过时，引起强烈的局地扰动，地而质点带到近地层造成冰核物质的增力口。

（2）与天气现象的关系

降雨、风沙和雾霆等天气也可以影响大气冰核浓度。研究表明，降雨过后，冰核浓度明显降低，雨强较小时，降水对冰核浓度的影响不太明显，但强降水对冰核的冲刷作用较为明显。晴天与阴天相比，冰核浓度差别不大比〕。与有、无沙尘天气相比，有沙尘时的冰核浓度比无沙尘时的高一倍。

（3）与气象因子的关系

风向、气压和相对湿度等气象因子也可以影响大气冰核浓度。大气冰核浓度与风向的关系，与研究区的地理位置和地表环境有关。在以色列的Har-Uilo，西南风向时冰核浓度要比西北风向时高3倍山爪在青海省河南县有风时高温核的平均浓度基本上高于静风时的浓度，偏东风时冰核浓度较高比爪在新疆中天山北坡，偏北风时冰核浓度略高于偏南风时.气而在吉林白城的研究表明冰核浓度与风向风速关系不大。

随着相对湿度的增加，冰核浓度也有增加的趋势，但冰核浓度随温度变化没有一定的规律。晴空及天空中有中高云时冰核浓度均高于有低云时的冰核浓度。从整个天气形势来看，处于低压区时，空气辐合较强，有利于冰核的积聚。游来光等、石爱丽等指出，低压区常对应着较高的冰核浓度，但李淑日等研究表明，冰核浓度与气压呈正相关。值得一提的是，李淑日等和石爱丽等的研究区和研究方法均相同，只是时间分别为2001年和2003年，但结论却相反，说明气压与冰核的关系是复杂的，其关系具体如何需要做进一步的研究。

冰核观测方法

大气冰核的观测时间、地点、观测时云室温度、过饱和度、检验冰晶的方法、冰晶的计数、云室内壁结霜等许多因子会影响大气冰核浓度观测结果，因此大气冰核的观测方法对于研究冰核浓度显得尤为重要。

1957年，Bigg首先提出了利用快速膨胀云室(rapid expansion cloud chamber，也称毕格型冰核计数器)测量大气冰核浓度。该仪器主体为一混合型冷云室，云室底部是过冷糖液盘，糖液盘置于盛满阻冻剂并可上下拉提的容器上，糖液中糖与水的质量比为1：1。冷室外壁是蒸发盘管，制冷机通过蒸发盘管实现制冷降温，制冷下限温度为-30 0C。云室内壁涂上甘油，以防结霜。抽取空气气样达到预定温度后通入饱和空气，形成过冷雾，过冷雾可维持2-3 min。空气中的冰核活化后形成小冰晶落在糖液盘上，长大至可目测计数的尺度后将糖液盘拉起并读数，经过计算，可得冰核浓度。毕格型冰核计数器的核化条件比较接近云中的实际核化条件，且操作简便，相对造价较低，但难以实现空中采样，也不能进行分机制的冰核检测，不便于云和降水物理学研究的深入开展。

1963年，Bigg et al又提出了滤膜一扩散云室法(aerosol collection on membrane filters fol-lowed by processing in a diffusion chamber，也称滤膜法)。此后，国际上广泛采用过滤膜法观测冰核浓度，并一度提出把它作为冰核测定的标准方法。滤膜法是用抽气泵将样本空气通过滤膜进行过滤，含有冰核的大气气溶胶粒子被滞留在滤膜上，然后将采样后的滤膜送入冷云室中进行活化显示处理。滤膜法具有可将取样与活化显示处理分开、连续取样、取样地点不受限制以及捕获率高等优点，但取样体积不合理会导致体积效应带来的误差，并且处理取样滤膜时，冷却时间、浸润方法、云室高度等都会对滤膜显示的冰晶量有影响。滤膜采样一扩散云室法测量的主要是凝华核冰核，而对部分较小的冰核如冻结核因其可穿透滤膜或嵌入滤膜内无法测量，从而会造成低估。

1973年，Langer利用混合云室(mixingchamber)进行冰核的测量;1988年，Rogers详细介绍了连续流扩散云室(continuous flow diffu-lion chamber, CFDC)的优缺点以及操作方法。连续流扩散云室(CFDC)可以进行空中采样，并具有气溶胶粒子在常规大气浓度下取样、温度和过饱和状态可控以及可实时观测等优点，因此，国际知名的野外冰核观测项目如Winter Icing and Storms计划、INSPECT一Ⅱ(The Second Ice Nuclei Spetroscopy Campaign)/SUCCESS计划(SubsonicAircraft:Contrail and Cloud Effects Special Study)口习等均采用此法。但此种方法也存在对于某些成核机制敏感性较差、统计样品有限、无法自动操作以及无法对>2 pm的粒子取样等缺点;1995年，DeMot在研究中采用了控制膨胀云室(controlled- expansion cloud chamber)进行冰核的观测;1996年，Ropers et a11'〕提出利用模拟实际上升气流的慢膨胀云室(slow expansion cloud cham-ber to simulate realistic updrafts)进行大气冰核的观测。

2006年，美国Frankfurt大气环境所和德国Mainz大气物理所联合研发了快速冰核计数器FINCH(Faxt Ice Nucleus Chamber，a continuousflow mixing chamber。2008年，Bundke etal详细介绍了FINCH的设计原理和操作方法等，如FINCH的设计能够保证>3pm的粒子在50 min 1流速以上均有100%的传输效率，并且新研制的光学探测器能区分过冷水滴和冰粒子，从而获得冰核和云凝结核的数量浓度。FINCH具有高达5 -10 min 1的样品流速，而且冰核的数量浓度为10IN.1-1，只需1 -2 min就可以得到足够的统计数据。此外，还提及了静力真空水汽扩散云室FRIDUE(Frankfurt Ice Nuclei Deposition FreezingExperiment)。2010年，Klein et al详细介绍了静力真空水汽扩散云室FRIDUE，此装置对任何类型基质上采集到的甚至直径为50 mm的冰核都可以进行分析。

在以上各种方法中采样测量的冰核浓度很少考虑到气溶胶的大小、形状等因素的影响，Berezinskiyt et al利用沉降一扩散云室法观测冰核活性与其尺度的关系，结果表明，较大尺度的冰核具有较高的活化温度。随着科学技术的发展，电镜技术被应用于大气冰核研究。利用电镜技术可以对冰的形成过程和冰晶生长过程进行观测和成像，因此，电镜适用于冰核形态学特征的研究。同时，通过在电镜上安装能量弥散X射线(( en-ergy-dispersive X-ray, EDX)，还可以进行大气冰核的化学成分分析。

影响

冰核对于云的宏微观结构、辐射特性及其物理特性都可能有着重要影响，但这些目前还没有作过专门的研究。当温度在一35℃以上时，冰晶的形成主要依赖于冰核的异质核化，因此，冰核浓度对于大部分冷云中初生冰晶的数量起着重要作用，影响着整个冰水转化过程。而冰晶对于冷云降水、云的辐射效应、水分循环甚至平流层的水汽含量的作用都很大，是一个重要的影响因子。因此，冰核在很多物理过程都扮演着重要角色，与云凝结核具有同等的重要性。

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