一顆冰晶是如何讓我們更了解環(huán)境和氣候的？

當(dāng)天邊出現(xiàn)一朵毛茸茸、軟乎乎的云，沒有誰能忍住不拿起手機(jī)記錄這一刻；當(dāng)天空中烏云密布，我們就知道即將有一場(chǎng)暴雨來臨。從小的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，雨是從云里面掉下來的，可你知道究竟是云里的什么變成了雨嗎？

霧滴的聚積以及光線的透射形成烏云

（圖片來源：維基百科）

云是懸浮在空氣中大量微小水滴和冰晶的集合體。雖然云由水組成，但由于水滴具有表面張力，很難變大，因此很難從云中掉下來，即便“個(gè)頭”大一點(diǎn)的水滴，在掉出云層后也會(huì)迅速蒸發(fā)，變成水蒸氣，隨后重新回到云中。而冰晶相較于水滴來說，更容易逃出云層，落到地面，形成降水。因此，冰晶的形成對(duì)于降水來說才是至關(guān)重要的。

那冰晶又是如何形成的？當(dāng)我們只看到冰晶美麗外表的同時(shí)，它們內(nèi)部又在發(fā)生什么樣的反應(yīng)？

一、美麗的冰晶是如何形成的？

也許肉眼難以觀察，但是顯微鏡下的冰晶確實(shí)十分精致美麗。一般來說，冰晶的形成可以分為兩種途徑：一是水滴或云滴直接形成冰晶；二是水蒸氣或是過冷水滴在顆粒物的作用下發(fā)生凝華或是凍結(jié)形成冰晶。而這種可以觸發(fā)冰晶形成的關(guān)鍵物質(zhì)就是冰核顆粒物。

大氣中的冰晶

（圖片來源：snowcrystals）

一般來說，第一種途徑需要在溫度低于-38攝氏度以下才能發(fā)生，這在實(shí)際大氣條件中很難達(dá)到，因此冰晶一般通過第二種途徑形成，也就是在冰核顆粒物的幫助下形成。

什么樣的顆粒物可以作為冰核顆粒物？事實(shí)上，空氣中漂浮的塵埃、細(xì)菌、甚至花粉等都是冰核活性非常強(qiáng)的冰核顆粒物，而這里我們所說的塵埃主要是指礦質(zhì)顆粒物，這一類顆粒物被認(rèn)為是大氣中最重要的冰核顆粒物之一。

二、礦質(zhì)顆粒物與非均相反應(yīng)

由干旱和半干旱地區(qū)排放進(jìn)入大氣的礦質(zhì)顆粒物，對(duì)空氣污染、人體健康以及氣候變化有著顯著的影響。礦質(zhì)顆粒物在大氣漂浮的過程中，因其較大的表面積而非常容易吸附大氣中的污染氣體并與其發(fā)生反應(yīng)，這種氣體在顆粒物表面發(fā)生的反應(yīng)過程被稱為非均相反應(yīng)。

目前研究表明，礦質(zhì)顆粒物與二氧化氮的非均相反應(yīng)在氮氧化物的去除、臭氧和硝酸鹽的形成中起著重要作用，從而顯著影響空氣質(zhì)量。然而，目前我們還不知道二氧化氮的非均相反應(yīng)究竟會(huì)對(duì)礦質(zhì)顆粒物的冰核活性產(chǎn)生什么影響。

由礦質(zhì)顆粒物引起的嚴(yán)重大氣污染事件沙塵暴

（圖片來源：維基百科）

為了探究這一問題，我們開發(fā)了一種測(cè)定大氣顆粒物冰核活性的方法（Guangzhou Institute of Geochemistry Ice Nucleation Apparatus，GIGINA），并將該方法用于探究二氧化氮的非均相反應(yīng)對(duì)礦質(zhì)顆粒物冰核活性的影響。

我們選取的礦質(zhì)顆粒物分別為鉀長(zhǎng)石和亞利桑那沙塵，其中鉀長(zhǎng)石是目前被認(rèn)為冰核活性較強(qiáng)的礦質(zhì)顆粒物，而亞利桑那沙塵是一種天然沙塵顆粒物的替代物，因?yàn)槠渚哂幸阎牧椒植?、礦物組成和簡(jiǎn)便的獲取途徑等優(yōu)點(diǎn)而在國(guó)際上被廣泛使用。

二氧化氮的非均相反應(yīng)對(duì)礦質(zhì)顆粒物冰核活性的影響

（圖片來源：作者自制）

我們發(fā)現(xiàn)，二氧化氮的非均相反應(yīng)可顯著降低長(zhǎng)石和亞利桑那沙塵的冰核活性。具體來說，在反應(yīng)0至6小時(shí)期間，長(zhǎng)石顆粒物表面由于非均相反應(yīng)生成的硝酸鹽含量隨反應(yīng)時(shí)間的增加而逐漸升高；同時(shí)，長(zhǎng)石的冰核活性卻隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而逐漸降低。然而，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)至24小時(shí)后，長(zhǎng)石的硝酸鹽含量和冰核活性并沒有發(fā)生顯著改變。

對(duì)于亞利桑那沙塵，我們發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)0至24小時(shí)期間，亞利桑那沙塵的硝酸鹽含量隨反應(yīng)時(shí)間的增加而逐漸升高；同時(shí)，其冰核活性逐漸降低。另外，我們還發(fā)現(xiàn)二氧化氮的非均相反應(yīng)對(duì)長(zhǎng)石和亞利桑那沙塵的影響存在顯著差異。

三、是誰影響了礦質(zhì)顆粒物的冰核活性？

二氧化氮的非均相反應(yīng)究竟是如何降低這兩種礦質(zhì)顆粒物的冰核活性？要想回答這一問題，就需要了解是什么特殊的性質(zhì)使得礦質(zhì)顆粒物具有較強(qiáng)的冰核活性。

目前研究發(fā)現(xiàn)，礦質(zhì)顆粒物的表面形態(tài)、晶格結(jié)構(gòu)、表面官能團(tuán)等表面性質(zhì)與顆粒物的冰核活性有著密切的聯(lián)系。例如，在Science發(fā)表的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)冰晶的形成通常發(fā)生在礦質(zhì)顆粒物表面的缺陷和裂縫處。

由于對(duì)礦質(zhì)顆粒物成冰機(jī)制認(rèn)知的缺失，我們無法準(zhǔn)確回答究竟為什么非均相反應(yīng)可以降低礦質(zhì)顆粒物的冰核活性。但是在這里，我們嘗試提出了以下機(jī)制來進(jìn)行解釋：在非均相反應(yīng)期間，二氧化氮將與礦質(zhì)顆粒物的表面發(fā)生反應(yīng)，置換礦質(zhì)顆粒物晶格結(jié)構(gòu)中的鉀、鈉、鋁，從而改變礦質(zhì)顆粒物的晶格結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低其冰核活性。另一方面，非均相反應(yīng)將改變顆粒物表面的羥基官能團(tuán)，從而影響顆粒物的表面性質(zhì)，進(jìn)而降低其冰核活性。

迄今為止，科學(xué)家們?nèi)匀粺o法完美回答大氣中冰晶形成的微觀物理過程及其影響因素，但繼續(xù)探究這些問題將為我們未來認(rèn)識(shí)大氣顆粒物的環(huán)境及氣候效應(yīng)有不可忽略的重要作用。

出品：科普中國(guó)

制作：陳蘭夏迪 唐明金（中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽