06云的形成-核化理论

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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1.2×103µm。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。 因此在-40℃以上，自然云多为过冷却的。
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异质核化 - 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。
北极清洁Biblioteka 21CCN 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/CN~0.2-0.6；大陆： CCN/CN~<0.01-0.1（大量小粒子） 大陆：自由大气是边界层的1/5；海洋：垂直 定常或在平均云高处达最大值 日变化：6 a.m.最小；6p.m.最大
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CCN来源 CCN来源 气粒转换（还有待进一步研究）
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同质凝华核化
同质凝华核化比同质凝结核化困难得多，当饱和比 达6.748时，冰胚产生率也仅为3.4×10-52/cm3s。 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Krastanow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。
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。
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习题 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（Köhler）方程表示：
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异质核化 - 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。
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异质核化 - 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。
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异质核化 - 可溶性核上的凝结
讨论（续）
当外界相对湿度f>f 盐核将由小而大地不断增大到超过f 当外界相对湿度 c时，盐核将由小而大地不断增大到超过 c ，最 后能继续增大成云滴。 后能继续增大成云滴。
因此，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”，fc也称为“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。
异质核化 - 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：
3Cn 3 rc = = 1.9 ×10 m Cr
1 2
1 − 2 3 f c = 100 1 + Cr / 3Cn = 100 1 + 0.42 ×10−10 m 2 3
使当不带电时不可能发生凝结的饱和比状态下，由于有了 电荷就能发生凝结现象。 r<0.6nm时，电荷的影响十分显著； r>0.6nm时，曲率的影响显著； r>1.4nm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。
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异质核化 - 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。
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异质核化 - 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。
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异质核化 - 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Kohler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：
环境相对湿度f低于 盐核吸湿增大是有局限性的， 环境相对湿度 低于fc时，盐核吸湿增大是有局限性的， 低于 盐核可增长到与f相对应的平衡尺度 处于稳定态。 相对应的平衡尺度， 盐核可增长到与 相对应的平衡尺度，处于稳定态。 环境相对湿度f=f 盐滴就会增大到r 环境相对湿度 c时，盐滴就会增大到 c。但rc与前不同 的是处于亚稳态。如水滴半径因偶然的原因增到大于r 的是处于亚稳态。如水滴半径因偶然的原因增到大于 c ， 此时它所需的平衡相对湿度就小于环境相对湿度， 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，使它继续增大甚至成为云滴， 就有水汽在它上面凝结，使它继续增大甚至成为云滴， 而不会因蒸发恢复到原有半径。 而不会因蒸发恢复到原有半径。
云降水物理学
第六章 云雾的形成 ——核化理论
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。
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自然冰核
a=0.3-0.8
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自然冰核
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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。
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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，可增加一个量级，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。
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异质核化 - 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。 结论：
1）同一冰核半径条件下，θ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 2 度愈高（即愈易核华）。
H2O
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异质核化 - 异质冻结核化 结论类似于异质凝华核化：
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0.01µm时，很难冻结。
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异质核化 - 可溶性核上的凝结
已知Kohler方程为
Ern Cr Cn f = 1+ − 3 = E∞ r r 100
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
1 f −7 1 = 1 + 1.2 × 10 − 0.147 m 3 100 r r
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异质核化 - 可溶性核上的凝结
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异质核化 - 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，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
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CCN
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CCN
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).] 大陆气团 海洋气团
异质核化：有异质核存在时的核化现象。
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成核作用
异质核化：有异质核存在 时的核化现象。
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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。
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同质凝结核化
1897年，Wilson令一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。
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）
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自然冰核
自然冰核呈现过冷却谱