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1、云降水物理学云降水物理学第六章 云雾的形成核化理论2成核作用成核作用核化过程：形成云雾质粒的过程。自发核化（同质核化）：单一相态分子中没有其它物质存在时发生的核化过程。对水而言，水汽以几个水分子集合体为中心聚集成液体（凝结）或固体（凝华），或者以过冷却水中的水分子集体为中心形成冰晶（冻结）。如把这些微小的水分子集合体看成核，则这种无异质核存在时的核化现象称为自发核化或同质核化。同质是指结成的核心不是异性物质，都是水分子的意思。上述三种过程的自发核化分别称为：同质凝结核化、同质凝华核化和同质冻结核化。异质核化：有异质核存在时的核化现象。3成核作用成核作用异质核化：有异质核存在时的核化现象。4同质
2、凝结核化同质凝结核化在大气中水汽较丰沛时，其中有些水汽分子就会偶然结合成微滴。如果其大小超过某个临界值，它将能稳定存在。平均来说，大于临界尺度的微滴将会增长，而小于临界尺度的微滴就会消失。5同质凝结核化同质凝结核化6同质凝结核化同质凝结核化因此，微滴增长和消失的速率之间的平衡值就决定了微滴的临界尺度。其大小由前面纯水滴饱和水汽压中介绍的Kelvin公式决定，即7同质凝结核化同质凝结核化即使由于水分子随机碰撞而形成的水胚滴的半径达到0.01 m，仍然远小于实际环境过饱和度下存活所要求达到的临界半径。成核率J=1 cm-3 s-1，水滴连续出现8同质凝结核化同质凝结核化1897年，Wilson令一
3、个内含纯净无杂质的且相对湿度为100%的空气云匣发生膨胀，第一次发现在膨胀冷却到相对湿度达800以上时，才出现自发凝结现象。在这样大的相对湿度下，水汽分子才能克服由于温度和密度造成的微观起伏，自发地排列成团，形成微水滴。同质凝结核化发生的相对湿度界限，称为阈湿。结论：自然条件下不可能出现水汽同质核化凝结形成水滴。9同质凝华核化同质凝华核化将同质凝结核化公式中的各汽液相参数改为相应的汽固相参数，可得同质凝华核化比同质凝结核化困难得多！10同质凝华核化同质凝华核化Ostwald等级规律（1902）：一个水汽过饱和相并不直接转变为最稳态(冰)，而是先转变为次稳态（或亚稳态），即过冷却水。1940年K
4、rastanow计算认为温度低于-65时，水的相变并不按上述规律，而却能直接转化为冰。1963年Dufour和Defay指出：Krastanow的结果是错的，因为他所用的数据有误。现在发现，至少在温度高于-100的范围内，自发凝华核化过程不会违反Ostwald的等级规律。11同质冻结核化同质冻结核化同质冻结与同质凝华的差异从过冷却水滴形成冰胚的方式与从水汽中形成冰胚有着本质的不同。n同质凝华，单个水汽分子组成的通量流来控制同质凝华，单个水汽分子组成的通量流来控制冰胚的生长的。冰胚的生长的。n自发冻结，水分子早巳聚在一起。只是它们是自发冻结，水分子早巳聚在一起。只是它们是按液水的结构排列，并非按
5、冰的结构存在。按液水的结构排列，并非按冰的结构存在。同质冻结与同质凝华的差异同质冻结与同质凝华的差异形成冰胚要求：形成冰胚要求：首先必须破坏其原有结构，改变水分子位置及方向；首先必须破坏其原有结构，改变水分子位置及方向；其次必须在水中形成新相其次必须在水中形成新相(冰相冰相)，并同时建立冰与，并同时建立冰与水之间的界面。水之间的界面。12同质冻结核化同质冻结核化13同质冻结核化同质冻结核化计算表明，要产生同质冻结，过冷却水的温度至少要冷到-35左右。这时的冰胚半径仅1.210-3m。而每个冰胚仅含195个水分子。此时冰胚产生率为5/cm3s，过冷却水温度愈低，冰胚产生率愈高。14同质冻结核化同
6、质冻结核化-中值冻结温度中值冻结温度中值冻结温度：由于水滴群同质冻结的起始温度存在随机性，常用“中值冻结温度”来表示水滴群的冻结温度。它指水滴群中有半数水滴已冻结时的温度。群滴尺度一定时，冷却率愈小，则中值冻结温度愈高；冷却率一定时，群滴的尺度愈大，则中值冻结温度愈高。因此在-40以上，自然云多为过冷却的。15异质核化异质核化-离子的凝结核化离子的凝结核化水汽在带电离子上凝结的平衡饱和比S较不带电时小。不带电时不可能发生凝结的饱和比状态，由于有了电荷就能发生凝结现象。r0.6nm时，曲率的影响显著；r1.4nm时，电荷的影响已可以忽略。离子正负对饱和比的影响与正离子相比，负粒子在较低过饱和度条
7、件下就开始成核。原因在于，微水滴负氧端指向外，正H端向内，负离子表面分布有负电荷，正好和正H端相接，造成异号相吸的形势。这就使负离子上水汽凝结为水较为容易些。但是，由于离子诱导核化需要很高的饱和比，所以在实际对流但是，由于离子诱导核化需要很高的饱和比，所以在实际对流层大气中离子诱导核化似乎不是云滴形成的主要过程。层大气中离子诱导核化似乎不是云滴形成的主要过程。16异质核化异质核化-不溶性平表面上的凝结核化不溶性平表面上的凝结核化主要与核的水湿性相关：如在潮湿环境下的平石板、墙面，浴室的镜面、磁砖表面上发生的凝结现象。结论：要产生相同的核化率，亲水性表面比憎水性表面容易。17异质核化异质核化-不
8、溶性曲面上的凝结核化不溶性曲面上的凝结核化主要与核的曲率相关：1）凹表面比凸表面容易发生凝结核化；2）单就凹、凸表面而言，曲率半径越小，平衡饱和比越大，凝结越困难。尺度较大、接触角较小的不可溶粒子才有可能核化成为云滴。实际观测发现云的凝结核尺度很小，接触角较大。存在的问题：接触角的概念是宏观概念。当形成水胚时，只有少数水分子组成一个微观集体，是否能用宏观概念讨论这种微观现象，还有待研究。理论将核表面过于理想化，实际核表面并不是十分光滑的。将下垫面上之水胚视为直接由水汽在核表面上打击而形成，也可能是将问题简单化。事实上，水汽在到达下垫面上方薄层中后，往往还有扩散现象。下垫面的性质，肯定对水汽的这
9、种扩散起到控制作用。异质核化异质核化-不溶性曲面上的凝结核化不溶性曲面上的凝结核化较同质凝结核化过程容易发生，但在自然大气湿度条件下仍不能发生！异质核化异质核化-不溶性曲面上的凝结核化不溶性曲面上的凝结核化20异质核化异质核化-可溶性核上的凝结可溶性核上的凝结已知Khler方程为f为相对湿度。设温度为275K，m为饱和食盐溶液中溶质质量，则21异质核化异质核化-可溶性核上的凝结可溶性核上的凝结22异质核化异质核化-可溶性核上的凝结可溶性核上的凝结每一条平衡曲线，其f值都有一个极大值，称为“临界相对湿度fc”，其相应的溶液滴半径，称为“临界半径rc”。将前式对r微分，令其等于0，可得：23异质核
10、化异质核化-可溶性核上的凝结可溶性核上的凝结讨论盐核质量愈大，起始的饱和溶液滴半径也愈大；盐核质量愈大，则临界相对湿度愈小，但临界半径却愈大；对任一条Khler曲线，由纯盐粒吸收水份而增大的过程，是由当时的相对湿度大小决定的：n环境相对湿度环境相对湿度f低于低于fc时，盐核吸湿增大是时，盐核吸湿增大是有局限性的，盐核可增长到与有局限性的，盐核可增长到与f相对应的平相对应的平衡尺度，处于衡尺度，处于稳定态稳定态。24异质核化异质核化-可溶性核上的凝结可溶性核上的凝结环境相对湿度环境相对湿度f=fc时，盐滴就会增大到时，盐滴就会增大到rc。但但rc与与前不同的是处于前不同的是处于亚稳态亚稳态。如水
11、滴半径因偶然的原。如水滴半径因偶然的原因增到大于因增到大于rc，此时它所需的平衡相对湿度就小此时它所需的平衡相对湿度就小于环境相对湿度，于是就有水汽在它上面凝结，于环境相对湿度，于是就有水汽在它上面凝结，使它继续增大甚至成为云滴，而不会因蒸发恢复使它继续增大甚至成为云滴，而不会因蒸发恢复到原有半径到原有半径。25异质核化异质核化-可溶性核上的凝结可溶性核上的凝结rcfc当外界相对湿度当外界相对湿度ffc时，盐核将由小而大地不时，盐核将由小而大地不断增大到超过断增大到超过fc，最后能继续增大成云滴。最后能继续增大成云滴。26异质核化异质核化-可溶性核上的凝结可溶性核上的凝结27异质核化异质核化-
12、可溶性核上的凝结可溶性核上的凝结讨论（续）任一条Kohler线上相对湿度最大点左边的平衡曲线上点称为“霾点”。溶液滴处于霾点状态时，就称为“霾粒”或“霾滴”。如果相对湿度不变，处于霾点的水滴是不会增大或减小的。溶液滴半径由于相对湿度增大而一旦增大到临界点，即半径达到临界半径rc，就能被激活而不断增大。因此rc也称为“活化半径活化半径”，fc也称为“活化相对湿度活化相对湿度”。在云雾形成过程中，可溶性凝结核作为水滴的核后，只有在被激活以后，才能形成云滴，否则只能保持为霾滴。28异质核化异质核化-可溶性核上的凝结可溶性核上的凝结纯水和包含各种质量盐分的溶液滴表面相对湿度/过饱和度随液滴半径变化的曲
13、线（1：纯水；2：10-19kg氯化钠；3：10-18kg氯化钠；4：10-17kg氯化钠；5：10-19kg硫酸铵；6：10-18kg硫酸铵。取自Wallace,J.M.and Hobbs,P.V.,2006）29异质核化异质核化-异质凝华核化异质凝华核化异质凝华核化的理论处理与异质凝结核华相似。其核华率主要由接触角、核半径和温度决定。结论：1）同一冰核半径条件下，愈大，则凝华温度愈低（即凝华愈难）；2）接触角一定，随着冰核半径的增大，凝华核华温度愈高（即愈易核华）。只是这种趋势在冰核半径大于0.1m时没有半径小于0.1m时显著。H2O30异质核化异质核化-异质冻结核化异质冻结核化结论类似于
14、异质凝华核化：1）接触角大则冻结温度愈低，即愈不易冻结；2）冰核半径愈小，冻结温度愈低。特别当冰核半径小于0.01m时，很难冻结。Contact（接触）（接触）Immersion（浸没）（浸没）condensation/freezing（凝结冻结）（凝结冻结）31异质冻结与同质冻结核化异质冻结与同质冻结核化中值冻结温度随相当水滴直径的变化（不同符号表示来自于不同工作者的结果；上面的曲线异质浸润冻结核化，下面的曲线表示同质冻结核化。取自Wallace,J.M.and Hobbs,P.V.,2006）异质核化异质核化-异质凝结冻结核化异质凝结冻结核化空气处于水面过饱和，当存在一个合适的凝结冻结核，
15、水汽首先在核上发生异质凝结核化过程，其后再发生冻结成冰过程异质凝结-冻结和异质凝华核化过程随温度和各种成分过饱和度的变化（核化过程从过程曲线的上方开始。左上区域各条曲线表示的物质从左向右依次是：四聚乙醛、碘化银、碘化铅、和高岭土。取自Wallace,J.M.and Hobbs,P.V.,2006）33CCN(云凝结核云凝结核)大气气溶胶中的一小部分可以作为水汽凝结形成水滴的质粒，而这些小水滴在云中实际过饱和度条件下能够活化和凝结增长形成云滴。这些气溶胶质粒称为云凝结核（简称 CCN）。34CCN北极清洁海洋气团大陆气团CCN spectra in the boundary layer from
16、 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).35CCN无系统性的纬度和季节变化数浓度：大陆海洋；污染清洁海洋：CCN/CN0.2-0.6；大陆：CCN/CN0.01-0.1（大量小粒子）大陆：自由大气是边界层的1/5；海洋
17、：垂直定常或在平均云高处达最大值日变化：6 a.m.最小；6 p.m.最大36CCN来源来源气粒转换（还有待进一步研究）多数CCN含有硫酸盐植物燃烧：农作物、林火等：1012-1015/kg石油及其产品燃烧土壤、沙尘：次要海盐：次要（既使在海洋上空）37自然冰核自然冰核自然冰核呈现过冷却谱过冷却谱指不同温度能起冰核作用的核的含量。其特点是温度越低，冰核浓度越高。在全球冰核浓度与温度之间呈指数变化的性质。-20oC时约1个/L，温度每下降4oC冰核浓度增加10倍，反映了单位空气体积内冰核数随温度下降而指数上升的趋向。38自然冰核自然冰核a=0.3-0.8p冰核数往往仅占大气气溶胶质粒数中很少一部
18、分。在一个气溶胶质粒数密度为 103 cm3，往往冰核只占气溶胶质粒总量的百万分之一。p与温度有关，冰核数密度随温度下降而增多。39自然冰核自然冰核冰核浓度与湿度也有关系，大体上冰核数密度是随冰面过饱和度的增大而呈指数律增加。40自然冰核自然冰核随着地点不同冰核浓度呈现较大差异自然冰核浓度北半球比南半球高出一个量级。六大洲中以亚洲冰核浓度最高。我国北方地区的观测值稍高于北半球的平均值。41自然冰核自然冰核变化一天中午的观测值要高于下午值不同气团的冰核浓度有一定差异。在锋面过境时，冰核浓度骤然增加，比气团中的浓度增加一个量级，有人把这种急剧增加称之“核暴”。在大连十次锋面活动有九次出现核暴，西安
19、六次和兰州十一次锋面活动分别出现四次和七次核暴，原因归之于锋面过境，伴随大量的沙尘输送。冰核浓度随大气能见度减少而增加，这与大气中影响能见度的悬浮颗粒有关。42异质核化异质核化-冰核起核化作用的条件冰核起核化作用的条件1、溶解度条件各种冰核多为不可溶解的物质组成。成冰：将水分子的混乱运动变得排列有序。冰核应使无序运动水分子排列有序化，即冰核本身应当排列有序。溶解：核物质在水中或丰沛水汽中使自己内部分子的有序排列受无序运动影响而无序化起来。因此：从溶解度条件看，冰核应当在水中是不溶性的。有些可溶性冰核在冰面过饱和时，能起凝华核的作用。一旦当空中湿度达水面饱和时，就失去作为冰核的作用。43异质核化
20、异质核化-冰核起核化作用的条件冰核起核化作用的条件2、质粒尺度条件异质凝华核化和异质冻结核化，都是冰核质粒愈大，核化温度愈高。半径大于0.1微米的冰核，其核化温度较为稳定。半径小于0.01微米的质粒，一般很难起冰核作用。一种情况例外：“生物冰核”。冰核质粒如太小，1）它的溶解度增大，就会破坏其作为冰核的作用。2）而且冰核如小于冰胚的尺度，冰胚就难以在其上形成。44异质核化异质核化-冰核起核化作用的条件冰核起核化作用的条件3、化学键条件冰核表面的化学键对成冰有很重要作用。冰的晶格由一定强度及取向的氢键所维系，如果冰核表面也有氢键，必有利于水汽或液水在冰核表面核化成冰。某些有机冰核就是根据这一条件
21、找到的。n1961-19621961-1962年，年，HeadHead实验发现能被氢键束缚的化学团实验发现能被氢键束缚的化学团(如如-OHOH、-NH-NH3 3、-O-O等等)在有机物表面的排列情况对发动成冰在有机物表面的排列情况对发动成冰作用十分重要。此外人们还发现作为凝华核，介乙醛作用十分重要。此外人们还发现作为凝华核，介乙醛(CHCH3 3CHOCHO4 4)的阈温可高到的阈温可高到-0.4-0.4，胆甾醇，胆甾醇(C C2727H H4646O OH H2 2O)O)的的阈温为阈温为-1-1-2-2，间苯三酚，间苯三酚(C C6 6H H3 3(OH)(OH)3 32H2H2 2O)
22、O)的阈温在的阈温在-2-2-4-4。45异质核化异质核化-冰核起核化作用的条件冰核起核化作用的条件4、晶体结构条件有效冰核，不仅需要表面有化学键，而且这些化学键在核面有一定的几何排列。要使冰晶在异质核上生长如同直接在冰晶上生长一样，必然是冰核生长面的原子、离子或分子所组成的晶体结构和几何排列，尽可能与冰晶某一表面的水分子的晶格和几何排列相近。这样，冰和冰核界面两侧的原子就能很好配合，以完成接长附生过程。46异质核化异质核化-冰核起核化作用的条件冰核起核化作用的条件5、活化位置条件冰核面上异质核化往往从局部位置发动。这些位置往往在善于接收水汽并形成液水的地方。对水汽凝华于核上时的核面形状研究发
23、现，凝华位置往往是在核面的生长阶、裂缝、纹理、空穴、及棱角处。此外，核化表面的电荷特性和纯净冰核中所含的杂质也会影响核化过程。47异质核化异质核化-冰核起核化作用的条件冰核起核化作用的条件5、活化位置条件（续）Gravenhorst和Corrin(1972)指出AgI中如含有杂质粒子，其使水汽凝华的能力就大于纯AgI。1.AgI表面基本上是憎水性的，只带有少许亲水性位置。表面基本上是憎水性的，只带有少许亲水性位置。化学杂质离子掺入化学杂质离子掺入AgI晶格后，增多了新的亲水位置。晶格后，增多了新的亲水位置。2.在在AgI等表面上这些强等表面上这些强附水区周围附水区周围的憎水区，具有较高的憎水区
24、，具有较高的成冰效率。在那些地方，水分子束缚较弱，极性排的成冰效率。在那些地方，水分子束缚较弱，极性排列较为疏松，水团有改变其结构的较方便的条件。列较为疏松，水团有改变其结构的较方便的条件。3.杂质有时能使原来核面晶格上亲水点重新配置或是改杂质有时能使原来核面晶格上亲水点重新配置或是改变亲水点对水分子的吸附能力。如果核面与冰晶的界变亲水点对水分子的吸附能力。如果核面与冰晶的界面不配合度本来很大，渗入杂质使亲水点位置重新配面不配合度本来很大，渗入杂质使亲水点位置重新配置后能使不配合度减小，这就有利于核化。置后能使不配合度减小，这就有利于核化。48习题习题1、假设空气样品在初始温度T0时处于饱和状态，绝热膨胀后样积增大a倍。忽略膨胀时产生的水汽凝结过程，试导出过饱和度与T0和的a关系。并验证当T0和的a分别为15和1.2时，通过上述过程可得到229%的过饱和度。49习题习题2、溶液滴表面饱和水汽压与平水面饱和水汽压的比值可用柯拉（Khler）方程表示：在g.cm.s单位制中：；对于质量为m克的NaCl而言，。由此方程确定的相对湿度和溶滴半径的关系曲线上存在一极大值点，称为临界点。试求该临界点对应的临界相对湿度fc和临界半径rc的表达式。