云霧形成理論

1、人工影響天氣人工影響天氣第四章 云霧的形成核化理論2成核作用成核作用核化過程：形成云霧質(zhì)粒的過程。自發(fā)核化（同質(zhì)核化）：?jiǎn)我幌鄳B(tài)分子中沒有其它物質(zhì)存在時(shí)發(fā)生的核化過程。對(duì)水而言，水汽以幾個(gè)水分子集合體為中心聚集成液體（凝結(jié)）或固體（凝華），或者以過冷卻水中的水分子集體為中心形成冰晶（凍結(jié)）。如把這些微小的水分子集合體看成核，則這種無異質(zhì)核存在時(shí)的核化現(xiàn)象稱為自發(fā)核化或同質(zhì)核化。同質(zhì)是指結(jié)成的核心不是異性物質(zhì)，都是水分子的意思。上述三種過程的自發(fā)核化分別稱為：同質(zhì)凝結(jié)核化、同質(zhì)凝華核化和同質(zhì)凍結(jié)核化。異質(zhì)核化：有異質(zhì)核存在時(shí)的核化現(xiàn)象。3成核作用成核作用異質(zhì)核化：有異質(zhì)核存在時(shí)的核化現(xiàn)象。4同質(zhì)

2、凝結(jié)核化同質(zhì)凝結(jié)核化1897年，Wilson令一個(gè)內(nèi)含純凈無雜質(zhì)的且相對(duì)濕度為100%的空氣云匣發(fā)生膨脹，第一次發(fā)現(xiàn)在膨脹冷卻到相對(duì)濕度達(dá)800以上時(shí)，才出現(xiàn)自發(fā)凝結(jié)現(xiàn)象。在這樣大的相對(duì)濕度下，水汽分子才能克服由于溫度和密度造成的微觀起伏，自發(fā)地排列成團(tuán)，形成微水滴。同質(zhì)凝結(jié)核化發(fā)生的相對(duì)濕度界限，稱為閾濕。結(jié)論：自然條件下不可能出現(xiàn)水汽同質(zhì)核化凝結(jié)形成水滴。5同質(zhì)凝華核化同質(zhì)凝華核化同質(zhì)凝華核化比同質(zhì)凝結(jié)核化困難得多，當(dāng)飽和比達(dá)6.748時(shí)，冰胚產(chǎn)生率也僅為3.410-52/cm3s。Ostwald等級(jí)規(guī)律（1902）：一個(gè)水汽過飽和相并不直接轉(zhuǎn)變?yōu)樽罘€(wěn)態(tài)(冰)，而是先轉(zhuǎn)變?yōu)榇畏€(wěn)態(tài)（或亞穩(wěn)態(tài)

3、），即過冷卻水。1940年Krastanow計(jì)算認(rèn)為溫度低于-65時(shí)，水的相變并不按上述規(guī)律，而卻能直接轉(zhuǎn)化為冰。1963年Dufour和Defay指出：Krastanow的結(jié)果是錯(cuò)的，因?yàn)樗玫臄?shù)據(jù)有誤?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，至少在溫度高于-100的范圍內(nèi)，自發(fā)凝華核化過程不會(huì)違反Ostwald的等級(jí)規(guī)律。6同質(zhì)凍結(jié)核化同質(zhì)凍結(jié)核化計(jì)算表明，要產(chǎn)生同質(zhì)凍結(jié)，過冷卻水的溫度至少要冷到-35左右。這時(shí)的冰胚半徑僅1.210-3m。而每個(gè)冰胚僅含195個(gè)水分子。此時(shí)冰胚產(chǎn)生率為5/cm3s，過冷卻水溫度愈低，冰胚產(chǎn)生率愈高。中值凍結(jié)溫度：由于水滴群同質(zhì)凍結(jié)的起始溫度存在隨機(jī)性，常用“中值凍結(jié)溫度”來表示水滴

4、群的凍結(jié)溫度。它指水滴群中有半數(shù)水滴已凍結(jié)時(shí)的溫度。n群滴尺度一定時(shí)，冷卻率愈小，則中值凍結(jié)溫度愈高；群滴尺度一定時(shí)，冷卻率愈小，則中值凍結(jié)溫度愈高；n冷卻率一定時(shí)，群滴的尺度愈大，則中值凍結(jié)溫度愈高。冷卻率一定時(shí)，群滴的尺度愈大，則中值凍結(jié)溫度愈高。n使一半過冷卻水滴在使一半過冷卻水滴在1/h冷卻率下自發(fā)凍結(jié)，水滴直徑冷卻率下自發(fā)凍結(jié)，水滴直徑10cm時(shí)溫時(shí)溫度必須降到度必須降到-30以下；水滴直徑以下；水滴直徑1微米時(shí)溫度要降到微米時(shí)溫度要降到-45。即不。即不論冷卻率如何，水滴群的中值凍結(jié)溫度都在論冷卻率如何，水滴群的中值凍結(jié)溫度都在-30-45之間。之間。因此在-40以上，自然云多為過

5、冷卻的。7異質(zhì)核化異質(zhì)核化 - - 離子的凝結(jié)核化離子的凝結(jié)核化水汽在帶電離子上凝結(jié)的平衡飽和比S較不帶電時(shí)小。使當(dāng)不帶電時(shí)不可能發(fā)生凝結(jié)的飽和比狀態(tài)下，由于有了電荷就能發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象。r0.6nm時(shí)，曲率的影響顯著；r1.4nm時(shí)，電荷的影響已可以忽略。離子正負(fù)對(duì)飽和比的影響與正離子相比，負(fù)粒子在較低過飽和度條件下就開始成核。原因在于，微水滴負(fù)氧端指向外，正H端向內(nèi)，負(fù)離子表面分布有負(fù)電荷，正好和正H端相接，造成異號(hào)相吸的形勢(shì)。這就使負(fù)離子上水汽凝結(jié)為水較為容易些。8異質(zhì)核化異質(zhì)核化 - - 不溶性平表面上的凝結(jié)核化不溶性平表面上的凝結(jié)核化主要與核的水濕性相關(guān)：如在潮濕環(huán)境下的平石板、墻面，浴

6、室的鏡面、磁磚表面上發(fā)生的凝結(jié)現(xiàn)象。結(jié)論：要產(chǎn)生相同的核化率，親水性表面比憎水性表面容易。9異質(zhì)核化異質(zhì)核化 - - 不溶性曲面上的凝結(jié)核化不溶性曲面上的凝結(jié)核化主要與核的曲率相關(guān)：1）凹表面比凸表面容易發(fā)生凝結(jié)核化；2）單就凹、凸表面而言，曲率半徑越小，平衡飽和比越大，凝結(jié)越困難。存在的問題：接觸角的概念是宏觀概念。當(dāng)形成水胚時(shí)，只有少數(shù)水分子組成一個(gè)微觀集體，是否能用宏觀概念討論這種微觀現(xiàn)象，還有待研究。理論將核表面過于理想化，實(shí)際核表面并不是十分光滑的。將下墊面上之水胚視為直接由水汽在核表面上打擊而形成，也可能是將問題簡(jiǎn)單化。事實(shí)上，水汽在到達(dá)下墊面上方薄層中后，往往還有擴(kuò)散現(xiàn)象。下墊面

7、的性質(zhì)，肯定對(duì)水汽的這種擴(kuò)散起到控制作用。10異質(zhì)核化異質(zhì)核化 - - 可溶性核上的凝結(jié)可溶性核上的凝結(jié)已知Kohler方程為f為相對(duì)濕度。設(shè)溫度為275K，m為飽和食鹽溶液中溶質(zhì)質(zhì)量，則31100rnnrECCfErr 73111 1.2 100.147100fmrr 11異質(zhì)核化異質(zhì)核化 - - 可溶性核上的凝結(jié)可溶性核上的凝結(jié)0.1110100901000.1110100100.1100.2RH (%)r (m) 0.01 r0.1m 0.1 r0.1m 0.001r1.0m 0.01 r1.0m 0.1 r1.0m12異質(zhì)核化異質(zhì)核化 - - 可溶性核上的凝結(jié)可溶性核上的凝結(jié)每一條平衡

8、曲線，其f值都有一個(gè)極大值，稱為“臨界相對(duì)濕度fc”，其相應(yīng)的溶液滴半徑，稱為“臨界半徑rc”。將前式對(duì)r微分，令其等于0，可得：1321.9 10crm1102100 1 0.42 10cfm13異質(zhì)核化異質(zhì)核化 - - 可溶性核上的凝結(jié)可溶性核上的凝結(jié)討論鹽核質(zhì)量愈大，起始的飽和溶液滴半徑也愈大；鹽核質(zhì)量愈大，則臨界相對(duì)濕度愈小，但臨界半徑卻愈大；對(duì)任一條Kohler曲線，由純鹽粒吸收水份而增大的過程，是由當(dāng)時(shí)的相對(duì)濕度大小決定的：n環(huán)境相對(duì)濕度環(huán)境相對(duì)濕度f低于低于fc時(shí)，鹽核吸濕增大是有局限性的，時(shí)，鹽核吸濕增大是有局限性的，鹽核可增長(zhǎng)到與鹽核可增長(zhǎng)到與f相對(duì)應(yīng)的平衡尺度，處于穩(wěn)定態(tài)。

9、相對(duì)應(yīng)的平衡尺度，處于穩(wěn)定態(tài)。n環(huán)境相對(duì)濕度環(huán)境相對(duì)濕度f=fc時(shí)，鹽滴就會(huì)增大到時(shí)，鹽滴就會(huì)增大到rc。但但rc與前不同與前不同的是處于亞穩(wěn)態(tài)。如水滴半徑因偶然的原因增到大于的是處于亞穩(wěn)態(tài)。如水滴半徑因偶然的原因增到大于rc ，此時(shí)它所需的平衡相對(duì)濕度就小于環(huán)境相對(duì)濕度，于是此時(shí)它所需的平衡相對(duì)濕度就小于環(huán)境相對(duì)濕度，于是就有水汽在它上面凝結(jié)，使它繼續(xù)增大甚至成為云滴，就有水汽在它上面凝結(jié)，使它繼續(xù)增大甚至成為云滴，而不會(huì)因蒸發(fā)恢復(fù)到原有半徑而不會(huì)因蒸發(fā)恢復(fù)到原有半徑。14異質(zhì)核化異質(zhì)核化 - - 可溶性核上的凝結(jié)可溶性核上的凝結(jié)討論（續(xù)）n當(dāng)外界相對(duì)濕度當(dāng)外界相對(duì)濕度ffc時(shí)，鹽核將由小而

10、大地不斷增大到超過時(shí)，鹽核將由小而大地不斷增大到超過fc ，最最后能繼續(xù)增大成云滴。后能繼續(xù)增大成云滴。因此，任一條Kohler線上相對(duì)濕度最大點(diǎn)左邊的平衡曲線上點(diǎn)稱為“霾點(diǎn)”。溶液滴處于霾點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，就稱為“霾?！被颉蚌驳巍?。如果相對(duì)濕度不變，處于霾點(diǎn)的水滴是不會(huì)增大或減小的。溶液滴半徑由于相對(duì)濕度增大而一旦增大到臨界點(diǎn)，即半徑達(dá)到臨界半徑rc，就能被激活而不斷增大。因此rc也稱為“活化半徑”，fc也稱為“活化相對(duì)濕度”。在云霧形成過程中，可溶性凝結(jié)核作為水滴的核后，只有在被激活以后，才能形成云滴，否則只能保持為霾滴。15異質(zhì)核化異質(zhì)核化 - - 異質(zhì)凝華核化異質(zhì)凝華核化異質(zhì)凝華核化的理論處理

11、與異質(zhì)凝結(jié)核華相似。其核華率主要由接觸角、核半徑和溫度決定。結(jié)論：1）同一冰核半徑條件下，愈大，則凝華溫度愈低（即凝華愈難）；2）接觸角一定，隨著冰核半徑的增大，凝華核華溫度愈高（即愈易核華）。只是這種趨勢(shì)在冰核半徑大于0.1m時(shí)沒有半徑小于0.1m時(shí)顯著。H2O16異質(zhì)核化異質(zhì)核化 - - 異質(zhì)凍結(jié)核化異質(zhì)凍結(jié)核化結(jié)論類似于異質(zhì)凝華核化：1）接觸角大則凍結(jié)溫度愈低，即愈不易凍結(jié)；2）冰核半徑愈小，凍結(jié)溫度愈低。特別當(dāng)冰核半徑小于0.01m時(shí)，很難凍結(jié)。contactimmersioncondensation/freezing17異質(zhì)凍結(jié)與同質(zhì)凍結(jié)核化異質(zhì)凍結(jié)與同質(zhì)凍結(jié)核化18CCNCCN19

12、CCNCCN北極清潔海洋氣團(tuán)大陸氣團(tuán)CCN spectra in the boundary layer from measurements near the Azores in a polluted continental air mass (brown line), in Florida in a marine air mass (green line), and in clean air in the Arctic (blue line). Data from J. Geophys. Res., 107(D19), INX2 21 (2002).20CCNCCN無系統(tǒng)性的緯度和季節(jié)變化數(shù)濃

13、度：大陸海洋；污染清潔海洋：CCN/CN0.2-0.6；大陸：CCN/CN0.01-0.1（大量小粒子）大陸：自由大氣是邊界層的1/5；海洋：垂直定常或在平均云高處達(dá)最大值日變化：6 a.m.最??；6p.m.最大21CCNCCN來源來源氣粒轉(zhuǎn)換（還有待進(jìn)一步研究）多數(shù)CCN含有硫酸鹽植物燃燒：農(nóng)作物、林火等：1012-1015/kg石油及其產(chǎn)品燃燒土壤、沙塵：次要海鹽：次要（既使在海洋上空）22自然冰核自然冰核自然冰核呈現(xiàn)過冷卻譜過冷卻譜指不同溫度能起冰核作用的核的含量。其特點(diǎn)是溫度越低，冰核濃度越高。在全球冰核濃度與溫度之間呈指數(shù)變化的性質(zhì)。-20oC時(shí)約1個(gè)/L，溫度每下降4oC冰核濃度增

14、加10倍，反映了單位空氣體積內(nèi)冰核數(shù)隨溫度下降而指數(shù)上升的趨向。23自然冰核自然冰核a=0.3-0.824自然冰核自然冰核25自然冰核自然冰核隨著地點(diǎn)不同冰核濃度呈現(xiàn)較大差異自然冰核濃度北半球比南半球高出一個(gè)量級(jí)。六大洲中以亞洲冰核濃度最高。我國(guó)北方地區(qū)的觀測(cè)值稍高于北半球的平均值。26自然冰核自然冰核變化一天中午的觀測(cè)值要高于下午值不同氣團(tuán)的冰核濃度有一定差異。在鋒面過境時(shí)，冰核濃度驟然增加，比氣團(tuán)中的濃度增加一個(gè)量級(jí)，有人把這種急劇增加稱之“核暴”。在大連十次鋒面活動(dòng)有九次出現(xiàn)核暴，西安六次和蘭州十一次鋒面活動(dòng)分別出現(xiàn)四次和七次核暴，原因歸之于鋒面過境，伴隨大量的沙塵輸送。冰核濃度隨大氣能

15、見度減少而增加，這與大氣中影響能見度的懸浮顆粒有關(guān)。27異質(zhì)核化異質(zhì)核化 - - 冰核起核化作用的條件冰核起核化作用的條件1、溶解度條件各種冰核多為不可溶解的物質(zhì)組成。成冰：將水分子的混亂運(yùn)動(dòng)變得排列有序。冰核應(yīng)使無序運(yùn)動(dòng)水分子排列有序化，即冰核本身應(yīng)當(dāng)排列有序。溶解：核物質(zhì)在水中或豐沛水汽中使自己內(nèi)部分子的有序排列受無序運(yùn)動(dòng)影響而無序化起來。因此：從溶解度條件看，冰核應(yīng)當(dāng)在水中是不溶性的。有些可溶性冰核在冰面過飽和時(shí)，能起凝華核的作用。一旦當(dāng)空中濕度達(dá)水面飽和時(shí)，就失去作為冰核的作用。28異質(zhì)核化異質(zhì)核化 - - 冰核起核化作用的條件冰核起核化作用的條件2、質(zhì)粒尺度條件異質(zhì)凝華核化和異質(zhì)凍結(jié)

16、核化，都是冰核質(zhì)粒愈大，核化溫度愈高。半徑大于0.1微米的冰核，其核化溫度較為穩(wěn)定。半徑小于0.01微米的質(zhì)粒，一般很難起冰核作用。一種情況例外：“生物冰核”。冰核質(zhì)粒如太小，1）它的溶解度增大，就會(huì)破壞其作為冰核的作用。2）而且冰核如小于冰胚的尺度，冰胚就難以在其上形成。29異質(zhì)核化異質(zhì)核化 - - 冰核起核化作用的條件冰核起核化作用的條件3、化學(xué)鍵條件冰核表面的化學(xué)鍵對(duì)成冰有很重要作用。冰的晶格由一定強(qiáng)度及取向的氫鍵所維系，如果冰核表面也有氫鍵，必有利于水汽或液水在冰核表面核化成冰。某些有機(jī)冰核就是根據(jù)這一條件找到的。n19611961- -19621962年，年，HeadHead實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)

17、能被氫鍵束縛的化學(xué)團(tuán)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)能被氫鍵束縛的化學(xué)團(tuán)( (如如- -OHOH、-NH-NH3 3、-O-O等等) )在有機(jī)物表面的排列情況對(duì)發(fā)動(dòng)成冰在有機(jī)物表面的排列情況對(duì)發(fā)動(dòng)成冰作用十分重要。此外人們還發(fā)現(xiàn)作為凝華核，介乙醛作用十分重要。此外人們還發(fā)現(xiàn)作為凝華核，介乙醛( (CHCH3 3CHOCHO4 4) )的閾溫可高到的閾溫可高到-0.4-0.4，膽甾醇，膽甾醇( (C C2727H H4646O OH H2 2O)O)的的閾溫為閾溫為-1-1-2-2，間苯三酚，間苯三酚( (C C6 6H H3 3(OH)(OH)3 32H2H2 2O)O)的閾溫在的閾溫在-2-2-4-4。 30異質(zhì)核

18、化異質(zhì)核化 - - 冰核起核化作用的條件冰核起核化作用的條件4、晶體結(jié)構(gòu)條件有效冰核，不僅需要表面有化學(xué)鍵，而且這些化學(xué)鍵在核面有一定的幾何排列。要使冰晶在異質(zhì)核上生長(zhǎng)如同直接在冰晶上生長(zhǎng)一樣，必然是冰核生長(zhǎng)面的原子、離子或分子所組成的晶體結(jié)構(gòu)和幾何排列，盡可能與冰晶某一表面的水分子的晶格和幾何排列相近。這樣，冰和冰核界面兩側(cè)的原子就能很好配合，以完成接長(zhǎng)附生過程。31異質(zhì)核化異質(zhì)核化 - - 冰核起核化作用的條件冰核起核化作用的條件5、活化位置條件冰核面上異質(zhì)核化往往從局部位置發(fā)動(dòng)。這些位置往往在善于接收水汽并形成液水的地方。對(duì)水汽凝華于核上時(shí)的核面形狀研究發(fā)現(xiàn)，凝華位置往往是在核面的生長(zhǎng)階、裂縫、紋理、空穴、及棱角處。此外，核化表面的電荷特性和純凈冰核中所含的雜質(zhì)也會(huì)影響核化過程32異質(zhì)核化異質(zhì)核化 - - 冰核起核化作用的條件冰核起核化作用的條件5、活化位置條件（續(xù)）Gravenhorst和Corrin(1972)指出AgI中如含有雜質(zhì)粒子，其使水汽凝華的能力就大于純AgI。1.AgI表面基本上是憎水性的，只帶有少許親水性位置。表面基本上是憎水性的，只帶有少許親水性位置。化學(xué)雜質(zhì)離子摻入化學(xué)雜質(zhì)離子摻入AgI晶格后，增多了新的親水位置。晶格后，增多了新的親水位置。2.在在AgI等表面上這些強(qiáng)等表面上這