凝结核

气溶胶质粒

凝结核（condensation nucleus）是指凝结过程中起凝结核心作用的固态、液态和气态的气溶胶质粒。大气凝结核由固态物质、溶液滴或两者的混合物组成，其化学成分很复杂，最常见的是氯、氮、碳、镁、钠、钙等化合物。大气中的水汽能在其上凝结而成小水滴的悬浮微粒，通常称凝结核。由于悬浮在大气中的微粒都能在不同程度上起凝结核的作用，所以大气凝结核和大气气溶胶微粒实际上是同义词。凝结核是促使空气中水汽凝结的微粒。

简介

凝结核主要有两种：(1)可溶性核。这是一些可溶性盐类质点，如源自海洋和土壤的NaCl、MgCl2和MgSO4。燃煤过程产生的Na2SO4等都是性质活跃的凝结核。(2)不溶于水但表面能为水所湿润的凝结核，如CaCO3，但凝结时所需相对湿度都要超过100%，即要达到饱和条件才能凝结。

在纯净的大气中，水汽必须达到百分之几百的过饱和度，才能凝结成水滴。但有大气凝结核存在的条件下，水汽凝结所需的过饱和度显著降低。水汽在不同性质、不同尺度的凝结核上凝结所需的过饱和度，差别很大。一般说来，吸湿性核（在相对湿度小于100%的情况下，就能使水汽凝结的微粒）所需的过饱和度，比非吸湿性核小得多，而且凝结核的尺度越大，凝结所需的过饱和度越小。

分类

按成吸水能力分

（1）吸湿性凝结核，它具有很强的吸水能力，易溶于水。如海水溅沫进入空气的盐粒，工厂排出的二氧化硫和烟粒等，是很活跃的凝结核，一经吸收水分，能形成浓度很大的胚胎，然后以胚胎为中心而进行凝结。

（2）非吸湿性凝结核，虽不易或不溶于水，但易为水所润湿，如尘埃、岩石微粒、花粉等，它们可将水汽吸附在其表面上而形成小水滴。

按成分的性质分

物质由气态转化为液态或固态的凝结过程中，或由液态转化为固态的凝结过程中，起凝结核心作用的颗粒。粒径（半径）一般小于0.1μm。按成分的性质可分为三类。

（1）不溶于水，但表面能为水所湿润的核。主要是一些经风化后的矿物微粒，如碳酸钙等。这类核的凝结性能，决定于核的大小及吸附水分子的能力。

（2）可溶性核。是一些可溶性盐的微粒，如海洋和土壤中的氯化钠、氯化镁和硫酸镁等，燃烧产物如硫酸钠，大气中由化学反应生成的硫酸铵等。

（3）混合体。每个核同时含有可溶与不可溶的成分，如某种气体溶入云滴后，由化学反应生成可溶性盐类，随后水分蒸发，残留的盐类结晶附着于云滴中不可溶核上。

按尺度大小分

大气凝结核的尺度范围很宽，通常按尺度大小分为三类：

①爱根核,半径0.005～0.1(0.2)微米，需用爱根核计数器检测；

②大核,半径0.1(0.2)～1微米；

③巨核，半径大于1微米。

来源

云凝结核的主要来源有三种：

①燃烧时排放到空气中的各种无机盐烟尘；

②燃烧过程中或工业生产中排放的硫氧化物和氮氧化物气体，与大气中其他物质化合而成的可溶性微粒；

③尘土和海水溅沫进入大气的海盐微粒。

一般说来，大气中并不缺乏云凝结核,只要水汽超过饱和状态,就可以形成云（雾）滴。因为云凝结核的浓度，对形成的云滴的大小和浓度有重要作用，所以它对云中的微物理过程有重要影响。

凝结核的活化

水汽能在其上凝结成云滴或雾滴的微粒称为云（雾）凝结核。在成云的实际过程中，水汽的过饱和度一般在1%以下,所以云凝结核是大气凝结核中吸湿性较强且尺度较大的一种。云凝结核的浓度与水汽过饱和度有密切的关系，水汽过饱和度越大，云凝结核的浓度也越大。这是因为过饱和度增大以后，在原来不能起凝结作用的某些微粒上，水汽也能凝结，这种现象称为凝结核的活化。

分布情况

大气凝结核浓度的变化范围也很大，凝结核多少因地而异，如远离大陆的海洋上凝结核密度数量级为103个/cm3，在农村为104/cm3；而在城市可达105个/cm3；在大工业城市上空，有时达到106个/cm3。凝结核的浓度随高度很快减小。

在同一地区，凝结核密度随高度增加而减少。凝结核多少影响到雨量，故在城市上空及其盛行风下风向，常多云雾，降水量增多。尤其在燃煤量大的工业区上空，由于凝结核含量大，且吸水性很强，常形成局部地区的暴雨。

意义

凝结核对人类生产生活的意义：

地球气象现象中的各种降水现象的性质和规模大小都与凝结核的有无与凝结核是否充沛息息相关。例如富含水蒸气的云系，如果在其经过区域上空有丰富的凝结核存在，则极易形成降水降落到地面。反之，如果某区域上空凝结核的丰度较低，即使经过云系含有丰富的水蒸气，仍然不能形成降水条件。而冰雹、冻雨等灾害天气现象，也与凝结核有密切的关系。

因此，人类可以应用此特点干预降水的产生和降水的性质。例如，人工降雨/雪、人工增雨/雪和人工消雹作业，加快冰雪融化都是通过人为控制凝结核的丰度来干预天气现象。

凝结核计数器

凝结核计数器(CondensationNucleus Counter一CNC)，主要应用于测量悬浮在大气中的凝结核(气溶胶)浓度，是最基本的测量气溶胶的仪器之一。在实际大气中，起凝结作用的气溶胶粒子最小直径有时只有几纳米，即使用最先进的激光探测技术也无法直接测量到。凝结核计数器克服了这一难题，它利用先使测量气体凝结，再测量凝结粒子浓度的方法，以达到问接测量凝结核浓度的目的。

凝结核计数器发明于上世纪，从最早简易的爱根核计数器，到现在各种精密仪器CPC，已有超过100年的历史。凝结核计数器的类型如下：

爱根核计数器

爱根核计数器(Aitken Nucleus Counter)是最早的凝结核计数器，由爱根于1888年研究成功。仪器为一个与抽气筒相连的小室，室上有一放大镜供观察读数。小室内壁附一层浸湿的多孔纸，以保持室内空气接近饱和。小室内装入一定体积的待测气体，然后用抽气筒抽气，使室内降压而达到很高的过饱和度，空气中的水汽便在悬浮的气溶胶质点(即凝结核上)凝结增长成水滴，沉降在小室底部上刻有尺寸网格的玻璃板上，用放大镜读出小水滴的数，乘以仪器的校正系数即为凝结核浓度。该仪器的工作量程为100-15000cm-2，误差为10-20%。爱根核计数器实际上是一种体积极小的云室，容积只有几十立方厘米(而大型云室可达3000m2) ,控制要素只有压力一项，结构也非常简单。

N一P计数器

N一P计数器(Nolan一PollakCounter)最初由诺兰和波拉克于1955年制造，因此得名。它是世界第一台能够快速又较准确测量出凝结核浓度的计数器，并在几十年内得到广泛应用。

N-P计数器的工作原理是通过膨胀使原本被压缩的空气迅速冷却，以实现过饱并凝结的目的。最早的压缩空气与大气压的比率固定为1. 21。快速降压产生近似绝热膨胀的效果，使空气冷却产生凝结。

声学粒子计数器APC

声学粒子计数器APC (AcousticParticle Counter)发明于上世纪五六十年代，后曾被用于测量雾粒子浓度，尺度范围为5-30,APC小属于凝结核计数器，可是其设计原理独特，运用声学技术完成计数，是计数器设计原理的又一次创新。

APC由纯净空气组成的超薄气流通过探测器。当一个粒子进入该超薄气流时，由于粒子与其环绕气流存在密度差异，气流就会产生涡旋，变得动荡。这个动荡增加了流动阻力，产生一个暂时的气压差，导致气流发出一次嘀嗒的声响，这个声响被麦克风放大后，由自动粒子计数器记录卜来，就完成了一次计数。

凝结粒子计数器CPC

凝结粒子计数器C P C(CondensationParticle Counter)是现在最主流的凝结核计数器，它的出现取代了N-P计数器。仪器首先让空气饱和凝结，随后再由激光探测器计算出粒子个数，载有凝结粒子的气流通过激光传感器，由于激光器腔内直径很小，一次只有一个凝结粒子通过激光探头，因此此类凝结核计数器被又称为单粒子计数器。

电子低压撞击计数器ELPI

电子低压撞击计数器ELPI(Electrical Low Pressure Itnpactor)是凝结核计数器设计的又一次新尝试。最小测量粒径范围为7nm--10 um，仪器主要由级联撞击器、线管级电晕、多通道静电计三个部分组成。

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