2015年大氣物理學(xué)

1、大氣物理學(xué),卞建春中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所LAGEObjc@mail.iap.ac.cn010-82995078, 13681391739,1,助教：胡艷紅，13520239830，huyanhong@mail.iap.ac.cn 星期四（13:30-16:10）；教2-227 雁棲湖園區(qū),第五講異質(zhì)核化,2,均質(zhì)核化？,云滴的形成真的需要?dú)馊苣z嗎？如果沒(méi)有氣溶膠的幫助，如何通過(guò)凝結(jié)成云？,,*均質(zhì)自發(fā)核化？,大氣中存在含量

2、穩(wěn)定的大氣離子。與均質(zhì)核化相比較，分子團(tuán)更容易圍繞離子而形成。Wilson（ 1899）在云室中發(fā)現(xiàn)，負(fù)離子上發(fā)生核化時(shí)的過(guò)飽和度S=4%，而正離子核化的過(guò)飽和度S=6%。當(dāng)離子存在時(shí)，分子團(tuán)形成后靜電場(chǎng)能量趨于減小，因而使得整個(gè)系統(tǒng)自由能減小。因此，離子的存在有利于分子團(tuán)的形成。不過(guò)，離子誘導(dǎo)核化也需要很高的過(guò)飽和度，所以在實(shí)際對(duì)流層大氣中該過(guò)程似乎不是云滴形成的主要機(jī)制。,離子誘導(dǎo)核化,表面張力對(duì)水滴平衡水汽壓的影響,對(duì)于液-

3、氣界面的氣相一側(cè)， （由表面張力引起）的化學(xué)勢(shì)增量導(dǎo)致水汽份壓增加，從而阻止水滴蒸發(fā)或增長(zhǎng)。Kelvin-Thomson公式：,該公式描述表面張力?LV如何定量影響半徑為rd水滴的平衡水汽壓。當(dāng)半徑減小時(shí)，平衡水汽壓比必然增長(zhǎng)。,溶質(zhì)效應(yīng),溶質(zhì)對(duì)液態(tài)水平衡特性的效應(yīng)主要依賴于溶質(zhì)量，也輕微依賴于溶質(zhì)本身的性質(zhì)。水中溶質(zhì)降低水的平衡水汽壓。早在19世界末，Raoult就定量指出溶質(zhì)越多效應(yīng)越顯著。由于水的摩爾分?jǐn)?shù)為xw = 1

4、 ? xs，所以即溶液平衡水汽壓正比于水的摩爾分?jǐn)?shù)。,非理想溶液,自然界中的大多數(shù)溶液并非是理想的，溶液中溶質(zhì)分子通常與水分子有復(fù)雜的相互作用。在Raoult定律中，我們不采用實(shí)際的摩爾分?jǐn)?shù)x（溶質(zhì)或水），而采用活度a。即不采用xs、xw，而采用as、aw，則Raoult定律可寫(xiě)成,曲率效應(yīng)為Kelvin-Thomson方程：溶質(zhì)效應(yīng)為Raoult公式：,Köhler理論方程：Köhler理論飽和比S

5、K = SK(rd)表示液滴與水汽的平衡。如果實(shí)際水汽壓飽和比S = e/es不同于SK，則液滴會(huì)增長(zhǎng)或蒸發(fā)。,非揮發(fā)性溶質(zhì)的Köhler理論,揮發(fā)性溶質(zhì)對(duì)Köhler理論的效應(yīng),當(dāng)一可溶痕量氣體被小液滴（例如霾中亞微米粒子）吸收時(shí)，就必須要率曲率效應(yīng)，還有溶質(zhì)的汽壓效應(yīng)。此時(shí)Köhler理論仍適用，但此前的Köhler曲線不再適用于固定量的溶質(zhì)，然是隨著液滴半徑變化的溶質(zhì)量。一個(gè)粒子對(duì)痕量氣

6、體的吸收量取決于間隙氣體濃度，而氣體濃度依賴于其它粒子對(duì)氣體的吸收量。實(shí)際上，每個(gè)粒子都與其它粒子競(jìng)爭(zhēng)可溶氣體。這個(gè)問(wèn)題比較復(fù)雜，涉及多個(gè)過(guò)程，必須同時(shí)考慮以下幾個(gè)方面：一、相態(tài)平衡（Henry律、Clausius-Clapeyron方程）二、水相相互作用（離解成離子、電荷守恒）三、溶質(zhì)與曲率效應(yīng)（ Köhler理論）四、成分在粒子與氣體中的分配（質(zhì)量守恒）每個(gè)方面由一個(gè)或多個(gè)方程描述，同時(shí)組合起來(lái)可得到一個(gè)數(shù)學(xué)解

7、。由于各變量之間的關(guān)系比較復(fù)雜，往往需要數(shù)值計(jì)算，最后用圖來(lái)說(shuō)明。,考慮氣塊: 氣溶膠為單一分布, 即每個(gè)包含相同量硫酸(代表非揮發(fā)性成分, NSO4); 給定液滴數(shù)濃度nd; 給定凝結(jié)前硝酸汽混合比yHNO3 = pHNO3/ptot。相平衡：酸離解：水離解：電荷平衡：,Köhler理論關(guān)系：質(zhì)量守恒：總?cè)苜|(zhì)濃度：硫酸濃度：硝酸濃度：痕量氣體分壓：,,各系數(shù)采用代表值，計(jì)算溫度為0℃時(shí)不同液滴直

8、徑rd的平衡飽和比，見(jiàn)下圖。 這里假定溶質(zhì)含量為NSO4 = 10–7 mol/滴，四條實(shí)線分別代表硝酸初始混合比為yHNO3 = 0, 1, 2, 3 ppb時(shí)的計(jì)算結(jié)果；每條實(shí)線在下方都有對(duì)應(yīng)的虛線，表示溶質(zhì)效應(yīng)（硫酸+硝酸之和）。最上方的虛線為液滴曲率效應(yīng)（假定表面張力不變）。當(dāng)沒(méi)硝酸時(shí)( yHNO3 = 0 ppv), 最上方實(shí)線即為非揮發(fā)性溶質(zhì)的常規(guī)Köhler理論。,看實(shí)線最左方，硝酸對(duì)小滴的影響很小，即硝酸

9、尚無(wú)法與硫酸相比。但隨著液滴增長(zhǎng)，增加水分，稀釋硫酸，吸收硝酸，溶質(zhì)含量增加進(jìn)一步抑制水蒸發(fā)。與僅有非揮發(fā)性溶質(zhì)項(xiàng)比，第一極大值飽和比明顯減小。但當(dāng)所有液滴都吸收硝酸時(shí)，硝酸汽的供應(yīng)逐漸減弱，后續(xù)吸收效率降低；則由于液態(tài)水的增加導(dǎo)致硝酸變得稀釋，所以平衡飽和比又上升并超過(guò)極低值。當(dāng)進(jìn)一步稀釋時(shí)，液滴表現(xiàn)趨近于純水滴，而不管硝酸是否存在。,可見(jiàn)，大氣中可溶性氣體的存在增加了液滴平衡的復(fù)雜性。,Nucleation,,核化是系統(tǒng)熵降低

10、的過(guò)程,核化是凝聚態(tài)（液態(tài)、固態(tài)）觸發(fā)的過(guò)程。新相態(tài)只有其當(dāng)滿足熱力學(xué)條件才能形成。 新相態(tài)（子相）的摩爾自由能（化學(xué)勢(shì)）必須小于原相態(tài)（母相），新相態(tài)才能維持下去。由氣態(tài)形成凝聚態(tài)的過(guò)程中，系統(tǒng)的熵減少。例如：與液態(tài)和氣態(tài)相比較，固態(tài)中的分子排列有序，熵較低。在自然界中，熵不輕易降低，因此亞穩(wěn)態(tài)（如過(guò)冷云水）也能維持較長(zhǎng)時(shí)間。但是，如果熱力驅(qū)動(dòng)（化學(xué)勢(shì)差）足夠強(qiáng)，則具有較低熵的新相態(tài)也能形成。,均相核化—液相的形成,下圖給出一個(gè)

11、個(gè)氣態(tài)分子（單體分子）聚集形成液滴的過(guò)程。,分子聚集是凝結(jié)（分子進(jìn)入分子簇）與蒸發(fā)（分子離開(kāi)）沖突的過(guò)程幾乎沒(méi)有分子簇達(dá)到臨界大小，故很難通過(guò)同相核化形成液滴。,在均相系統(tǒng)中，從僅有氣態(tài)開(kāi)始到氣相中半徑rd為分子簇的出現(xiàn)，系統(tǒng)自由能的總變化為第一項(xiàng)是表面張力項(xiàng)，第二項(xiàng)是體積做功項(xiàng)。,未飽和,飽和,下標(biāo)h表示同相,核化的實(shí)質(zhì)是在形成新的穩(wěn)定相態(tài)過(guò)程中存在一個(gè)能量障礙。,核化速率，即單位體積單位時(shí)間內(nèi)新液滴形成的數(shù)量；它不僅依賴于胚

12、芽數(shù)量，也依賴于胚芽增長(zhǎng)速率。根據(jù)熱力學(xué)平衡理論，我們已經(jīng)確定了胚芽數(shù)濃度,不可逆,可逆,臨界胚胎，即位于能量障礙之巔的分子簇，只要再加一個(gè)分子，就可以讓系統(tǒng)自由能下降，從而引起液滴自發(fā)增長(zhǎng)。因此，核化速率也就是分子簇跨越能量障礙的速率。,臨界大小的一個(gè)分子簇捕獲分子的速率為：其中?v為分子沖擊通量[m?2s?1]、Ad為分子簇表面積，nv為水汽分子濃度、 為水汽分子平均速度。因此，均相核化速率為：其中 Z

13、為Zeldovich因子，反映其中的不平衡效應(yīng)。,核化速率對(duì)S的依賴關(guān)系如右圖所示：只有當(dāng)S較大時(shí)(>4)，核化速率才急速增長(zhǎng)；之前，則非常小。為了清楚說(shuō)明這一點(diǎn)，我們選擇一個(gè)核化速率（1 cm?3s?1），在0℃ 時(shí)對(duì)應(yīng)的飽和比為Sth ? 4.4，即過(guò)飽和度為340%。溫度對(duì)Sth的影響如右圖所示，可見(jiàn)：即使在較高溫度下，仍需要很高的過(guò)飽和度。因此，盡管物理上并不排除同相核化的可能性，但實(shí)際大氣中是不可能發(fā)生的。,液態(tài)

14、水的異相核化,成核劑：任意促進(jìn)新相態(tài)形成的物質(zhì)稱為成核劑（nucleating agent）。相對(duì)于均相核化，成核劑可以降低新相態(tài)形成所需要的自由能；氣溶膠顆?？梢云鸬皆撟饔?，充當(dāng)凝結(jié)的優(yōu)選地點(diǎn)，稱之為凝結(jié)核。即使不可溶、不親水分子，異質(zhì)表面也有助于液相核化。,平直、不可溶表面,液體表面積：液體體積為：,考慮一個(gè)靜態(tài)液體，彎曲度半徑為r，與不可溶平面的接觸角為?。此時(shí)所有力達(dá)到平衡，即Young方程（界面自由能）：可

15、計(jì)算液體-固體界面面積：,,因此，在一個(gè)基底上（substrate）形成半徑為 r 的球形帽液體所引起的系統(tǒng)自由能變化為：其中??LV = RT lnS，是蒸汽的摩爾自由能。系統(tǒng)自由能?GS對(duì)球形帽半徑 r 的依賴關(guān)系為：,根據(jù)上式，可得到系統(tǒng)最大自由能對(duì)應(yīng)的臨界半徑：與前面介紹的均相核化半徑相同。應(yīng)該相同：因?yàn)闅鈶B(tài)-液態(tài)界面的平衡是局地現(xiàn)象，因此分子不受基底的影響。但，此時(shí)的自由能障礙變?yōu)椋旱谝豁?xiàng)就是均相核化

16、?Gh* 。定義兩者之比，有該比只是一個(gè)幾何因子，小于1；f(m) = VL/V球，即半徑為r*的球的一部分。,,,不可溶基底在液態(tài)核化中的作用是降低自由能，如右圖所示：對(duì)所有半徑來(lái)說(shuō)，降低倍數(shù)相同，所以最大自由能出現(xiàn)的臨界半徑與均相核化一致。,同樣，可計(jì)算得到核化速率：其中nS1為基底表面的水汽分子濃度。,,類似于均相核化，根據(jù)一個(gè)核化速率確定飽和比閾值Sth。如下圖， Sth是接觸角? 的函數(shù)。如果表面是可濕的，則

17、接觸角很小，可在飽和比接近于1時(shí)出現(xiàn)核化；即不存在能量障礙。另一極端，當(dāng)基底表面是疏水的、接觸角很大， Sth接近于均相核化值，似乎不存在接觸表面。,親水性,疏水性,不可溶顆粒表面的核化,平直表面在大氣中是不存在的，先考慮不可溶氣溶膠表面上液態(tài)球形帽的形成。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，考慮球形氣溶膠，半徑為rN。類似于平直表面，幾何因子f(m, x) = VL / V球 是m = cos? 尺度比x ? rN/r 的函數(shù)：,其中g(shù) ? (1 +

18、x2? 2mx)1/2。,,在計(jì)算飽和比閾值時(shí)，考慮到：一個(gè)氣溶膠顆粒成為一個(gè)凝結(jié)核，只需要在其表面形成一個(gè)臨界大小的球形帽即可。因此選定核化速率為：,根據(jù)不可溶氣溶膠顆粒的異相核化速率理論：由于接觸角的不同，存在一系列飽和比閾值Sth 隨顆粒半徑的變化曲線。當(dāng)顆粒很大時(shí)，類似于平直基底情況。當(dāng)顆粒變得很小時(shí)， Sth增長(zhǎng)很快。最下面曲線（? = 0 ?）代表顆粒表面均勻覆蓋一薄層液態(tài)水，存在曲率效應(yīng)，即Kelvin效應(yīng)，主要體現(xiàn)

19、在尺度很小時(shí)。,可溶顆粒表面液相的形成,可溶性氣溶膠顆粒在觸發(fā)液相形成時(shí)，要比不可溶粒子高效得多；由于水分子有極性，水分子與組成可溶物質(zhì)的離子通過(guò)靜電吸附在一起。分子尺度的靜電引力非常強(qiáng)，容易打斷無(wú)機(jī)鹽的離子鍵，否則需要幾百度的高溫熔化無(wú)機(jī)鹽。而溶解的溶質(zhì)離子像分子錨一樣，延遲水分子蒸發(fā)，從而降低平衡水汽壓，有助于保留凝聚態(tài)的水分子。因此，可溶物質(zhì)能夠抵銷小粒子的曲率效應(yīng)。,潮解過(guò)程,初始干粒子表面，當(dāng)水分子累積速度大于逃離速度時(shí)，

20、液態(tài)就開(kāi)始了。在相對(duì)濕度低于100%時(shí)，固體溶解成液體溶液的過(guò)程稱作潮解。固體變成液體增加熵，因此潮解是平衡變換，不是核化過(guò)程。,考慮一NaNO3粒子暴露在不同濕度環(huán)境下（S = e / eS），達(dá)到平衡，質(zhì)量比為 m / m0。當(dāng)濕度低于潮解點(diǎn)時(shí)，水汽吸到干粒表面，但水量不足以破壞晶格；隨著濕度增大，吸收水份增加，最終溶解無(wú)機(jī)鹽。,潮解,風(fēng)化,滯后回線,在潮解點(diǎn)(Sdeliq)發(fā)生非線性溶解過(guò)程：吸收的水分打斷部分離子鍵，并使

21、之離開(kāi)固體；這些隔離在液體中的離子覆蓋顆粒，阻礙水分子蒸發(fā)。水汽壓的降低（溶質(zhì)效應(yīng)、Raoult定律）導(dǎo)致從環(huán)境中吸收更多的水分子，進(jìn)而進(jìn)一步溶解固體。水汽吸收過(guò)程持續(xù)，直至固體完全消失，所有離子變成液體溶滴的一部分。超過(guò)潮解點(diǎn)后，濕度增加導(dǎo)致吸收更多水汽以及溶滴的增長(zhǎng)。,在高濕環(huán)境下(S > Sdeliq ), 溶滴隨著濕度的變化是可逆的。,潮解,風(fēng)化,滯后回線,但是，當(dāng)S 降至Sdeliq之下時(shí)，液滴保持液體狀態(tài)。當(dāng)環(huán)

22、境濕度下降，液滴蒸發(fā)失去水分，溶質(zhì)濃度升高，則溶液變得相對(duì)于固體溶質(zhì)為過(guò)飽和。降至某一點(diǎn)，溶滴中溶質(zhì)過(guò)飽和度達(dá)到閾值，此時(shí)固體溶質(zhì)成核，則原干粒子無(wú)機(jī)鹽重生。因從液滴形成固態(tài)溶質(zhì)導(dǎo)致熵減小，所以風(fēng)化是核化現(xiàn)象，可以用均相核化原理描述。由于核化的隨機(jī)性，導(dǎo)致風(fēng)化在一個(gè)濕度范圍內(nèi)發(fā)生。進(jìn)一步降低環(huán)境濕度，對(duì)干粒子質(zhì)量與體積影響很小。,,風(fēng)化后如進(jìn)一步降低濕度，對(duì)干粒子的質(zhì)量與大小的影響很小。液相與固相在不同的飽和比條件下形成，這是一

23、個(gè)遲滯現(xiàn)象，因?yàn)殡S著濕度的增高與降低有不同的路徑。因此，要研究大氣氣溶膠如何影響空氣質(zhì)量、云形成、大氣輻射平衡和地球氣候，必須理解氣溶膠粒子對(duì)濕度變化的響應(yīng)。,潮解與粒子構(gòu)成物質(zhì)的可溶性直接相關(guān)聯(lián)。潮解濕度對(duì)溶質(zhì)可溶性的依賴關(guān)系可以用下圖來(lái)說(shuō)明，主要考慮三個(gè)相態(tài)之間的動(dòng)態(tài)平衡。整個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)界面，考慮相平衡。整個(gè)系統(tǒng)涉及兩個(gè)成分，但只有液相既包含溶質(zhì)，又包含水。,固-液平衡：溶質(zhì)(s) ? 溶質(zhì)(aq)，只有溶質(zhì)離子輸送；只要水溶液

24、中存在任意固態(tài)溶質(zhì)，則是飽和的。液-氣界面：只有水分子交換，所以平衡H2O(aq)?H2O (v)可用Raoult律表示：aw=e/es?S.如果用van’t Hoff因子i表示水的活度，則可得到飽和溶液的潮解濕度：,其中nw是水濃度，ns,sat是飽和溶液中溶質(zhì)濃度（即溶質(zhì)可溶性）。各種不同鹽的可溶性與離解有效度i是溫度的函數(shù)，可以在文獻(xiàn)中查到。潮解與吸收水分是任何純?nèi)苜|(zhì)的基本特性。從上式可見(jiàn)：可溶性越大，則潮解點(diǎn)越低。潮解點(diǎn)與

25、吸濕增長(zhǎng)（用粒徑增長(zhǎng)倍數(shù)表示）曲線可用下圖表示。注意，潮解點(diǎn)（反映可溶性）強(qiáng)烈依賴于酸性被中和程度：硫酸銨，是硫酸完全中和形式的鹽，可溶，但需要79%的相對(duì)濕度才能溶解。,硫酸是無(wú)限可溶于水的，所以無(wú)潮解點(diǎn)。純硫酸是液體，水與硫酸的相對(duì)分配隨濕度變化。 潮解點(diǎn)之上，粒子增長(zhǎng)很快，并向S=1線漸近。,每條曲線表示粒子的吸濕增長(zhǎng)，反映了溶質(zhì)吸水能力。大氣氣溶膠粒子一般由多種化合物組成，每一種成分有不同的理化特性，所以刻畫(huà)潮解和吸濕增

26、長(zhǎng)的參數(shù)一般具有復(fù)雜的函數(shù)形式?；旌狭Ｗ油ǔ](méi)有固定的潮解點(diǎn)，吸濕增長(zhǎng)常常是經(jīng)驗(yàn)性的。霾粒子增長(zhǎng)可以采用吸濕增長(zhǎng)因子，GF ? Dp(S)/Dp(0), 其中Dp(0)=Dp0為干粒直徑。吸濕增長(zhǎng)函數(shù)為其中Ahyg為吸濕擬合參數(shù)。如果試驗(yàn)資料比較少，則常常采用一個(gè)比值來(lái)刻畫(huà)吸濕增長(zhǎng)：GF ? Dp, wet/Dp,dry, 其中Dp, wet可以是某一給定高濕（如90%）條件下測(cè)量的干粒直徑，而Dp,dry是低濕（如10%）

27、條件下測(cè)量的直徑。對(duì)于厭水物質(zhì)，GF小于1.1,；而對(duì)于親水物質(zhì)，GF可超過(guò)2.0。,,通常要考慮粒子的大小，因?yàn)橹挥凶畲蟮牧Ｗ诱故菊w特征。如下圖所示，亞微米粒子對(duì)于平衡態(tài)的改變很明顯。,由于曲率效應(yīng)，小粒子潮解所需飽和比大于整體；即潮解點(diǎn)Sdeliq,ptcl大于整體潮解點(diǎn)Sdeliq,bulk。,粒子活化,形成云滴要求液體溶滴必須活化?；罨愃朴谒魏嘶残枰朔杂赡苷系K。但是，由于液相已經(jīng)（通過(guò)潮解）存在，所以活化不是相態(tài)

28、核化現(xiàn)象，而只是表示隨著環(huán)境濕度的增長(zhǎng)從穩(wěn)定增長(zhǎng)變化到不穩(wěn)定增長(zhǎng)?；罨拍顚?duì)于認(rèn)識(shí)氣溶膠粒子如何充當(dāng)CN和建立云初始微結(jié)構(gòu)非常重要。濕度對(duì)液滴平衡特征的效應(yīng)可以用Köhler理論表示，即Köhler飽和比為,,SK的極大值為臨界飽和比：代表液滴增長(zhǎng)超過(guò)其臨界半徑rc所需要的最小化學(xué)式差（??c = RTlnSc）半徑小于rc的為霾粒子，而大于rc的為云滴?；罨礊轹驳卧鲩L(zhǎng)超過(guò)Köhler函數(shù)

29、峰值并轉(zhuǎn)變?cè)频蔚倪^(guò)程。,,霾滴與云滴的重要區(qū)別，即未活化粒子向活化粒子的轉(zhuǎn)化，是增長(zhǎng)/蒸發(fā)特征對(duì)于擾動(dòng)的響應(yīng)。 半徑小于rc的霾滴位于Köhler函數(shù)上升支，梯度dSK/drd > 0，平衡態(tài)是穩(wěn)定的半徑大于rc的云滴，梯度dSK/drd < 0，平衡態(tài)不穩(wěn)定。,40,Köhler曲線,“溶質(zhì)項(xiàng)”溶劑減小水汽壓,,,在駝峰之上，不管水汽大小，都將增長(zhǎng)，則S*稱為臨界過(guò)飽和度；與S*對(duì)應(yīng)水滴平衡半徑，

30、稱為臨界半徑。,,,R*,,S*,臨界過(guò)飽和度/臨界半徑,,R*,,S*,即使RH沒(méi)有達(dá)到100%，很小的水滴也能增長(zhǎng)！,,,R*,,S*,然而，這些水滴將很快位于曲線之下，即不飽和，因此將縮小。,,,,,R*,,S*,最后，這些水滴將剛好位于Kohler曲線上，它們既不增長(zhǎng)也不縮小。,,,R*,,S*,這就是霾的發(fā)生過(guò)程！霾由非常小的水滴組成，RH小于100%（可低至70%）。 霾滴既不增長(zhǎng)也不縮小，因此也不形成降水！,,,R*,,S

31、*,半徑大于臨界半徑的水滴，總是處于過(guò)飽和條件下，因此不斷增長(zhǎng)。,,,,,,,environmental conditions,,,,stable,unstable,haze particles,activated droplets,最有效的CN具有最低的臨界飽和比或臨界過(guò)飽和度sc ? Sc ? 1。小的rc具有較大的Ns，因?yàn)閟c ? Ns1/2。而Ns=Vpns = (?/6)Dp3(?s/Ms)。因此，有sc ? Dp?3/

32、2，因此：粒子越大，臨界過(guò)飽和比越小。臨界過(guò)飽和比與干粒徑的定量關(guān)系如下圖所示：大的可溶粒子臨界過(guò)飽和度小于0.1%；而相對(duì)較小粒子臨界過(guò)飽和度超過(guò)10%。,小粒子極限，即分子簇，則需百分之幾百的過(guò)飽和度來(lái)活化，即與均相核化相同。大氣中的最大過(guò)飽和度低于10%，因此粒徑大于0.01?m的大粒子定為CCN，即圖中陰影區(qū)。,,臨界過(guò)飽和度小于環(huán)境過(guò)飽和度的粒子，能夠活化并變成云滴。則干氣溶膠的粒子極限直徑稱作活化直徑。所有粒徑大于活

33、化直徑的粒子變成云滴，而剩余粒子停留在云滴間隙之間。直徑為0.1 ?m，對(duì)應(yīng)的過(guò)飽和比為0.1%。,ms=10-17 g,ms=10-16 g,ms=10-15 g,0.1,1.,10.,.01,Radius (micrometers),Saturation ratio S,-1%,1%,氣溶膠（干粒）質(zhì)量的影響,臨界半徑與臨界過(guò)飽和度,吸濕參數(shù)hygroscopicity parameter,氣溶膠參數(shù)Kappa,吸濕參數(shù) ? (

34、Petters and Kreidenweis, 2007)是化學(xué)成分的指標(biāo).,(1) 純水 (2) 10-19kg NaCl, (3) 10-18 kg NaCl, (4) 10-17 kg NaCl(5) 10-19kg (NH4)2SO4, (6) 10-18 kg (NH4)2SO4,,吸濕參數(shù),,,,,Kelvin term,,water activity,saturationra

35、tio overdroplet,H2O +solute,,,,hygroscopicity parameter,Parameterize water activity,,Petters and Kreidenweis, 2007,?-Köhler 曲線,?把臨界過(guò)飽和度與干粒徑聯(lián)系起來(lái),?可從增長(zhǎng)因子推測(cè),,,,,For many (almost all) substances sub- and supersaturate

36、d hygrocopicities compare within 30%,顆粒直徑與臨界過(guò)飽和度的關(guān)系,,不可溶但可濕顆粒,,,,,,己二酸(可溶性弱),,,,硫酸銨(可溶性強(qiáng)),,通過(guò)觀測(cè)CCN可推測(cè)氣溶膠吸濕性,觀測(cè)CCN得到的大氣氣溶膠吸濕性,,,,,,,臨界過(guò)飽和度與干粒徑的關(guān)系,吸濕參數(shù)是氣溶膠體積的線性組合,H2O +Solute A+B,H2O +solute A,H2O +solute B,+,,Volume

37、I + Volume II = Volume Mixture,假設(shè) 1: 體積可加性,? mixes linearly with solute volume fraction ?,混合規(guī)則預(yù)測(cè)的吸濕性與CCN觀測(cè)得到的吸濕性,Svenningsson et al., ACP,Raymond and Pandis, JGR,Broekhuizen e

38、t al., GRL,已知：850hPa， td=0 ℃, t=10 ℃請(qǐng)找出：tw、θ、 θe、 θw,o,o,,o,,,,LCL：730hPaΘ=23 ℃Tw=4.8 ℃Θe=35 ℃Θw=11 ℃,,已知：850hPa， tw=3 ℃, t=10 ℃請(qǐng)找出：td、θ、 θe、 θw,o,o,,,,o,,o,,,LCL：690hPaΘ=23 ℃Td=-3.5 ℃Θe=30 ℃Θw=10 ℃,思考題,為何天氣存在可