- Resmi Gönderi
Malum Sonbahar' a giriş yaptık en sevdiğiniz mevsimde ( Kış ) yaklaşırken sizlere vakit geçirip okumanız için konular açıyorum ve sizlerin bilgileri çoğalsın diye
Buz Çekirdeği Oluşturan Parçacıklara Genel Bakış
Troposferik bulutlarda buz parçacığı oluşumu, bulutun ışıma ve mikrofiziksel özelliklerini önemli ölçüde değiştirir. Troposferde homojen donma yoluyla buz çekirdeklenmesi, -38 ° C'nin altındaki sıcaklıklarda ve% 140'ın üzerindeki buza göre bağıl nemde meydana gelir. Bu koşulların yokluğunda, buz oluşumu, buz çekirdekleştirici parçacıklar (INP'ler) olarak bilinen aerosol parçacıklarının yardım ettiği heterojen çekirdeklenme yoluyla ilerleyebilir. Bu bölümde, INP'ler hakkındaki heterojen donma mekanizmalarını, atmosferik ilgiyi, belirsizlikleri ve bilinmeyenleri tanımlamadaki yeni gelişmeler anlatılmaktadır. Yeni çalışmalar bu parçacıkların fiziksel ve kimyasal özelliklerini keşfettikçe INP'lerin gereksinimlerine ilişkin geleneksel bilgelikteki değişim açıklanmaktadır. INP kaynakları ve bunların buz çekirdeklenme özelliklerinin bilinen nedenleri sunulmuştur. Buz çekirdeklenmesini kolaylaştıran parçacık özelliklerini sistematik olarak tanımlamak için daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyulduğu vurgulanmıştır. Uzun menzilli taşıma, aerosol yaşlandırma ve INP'lerin (laboratuvarda) kaplama çalışmalarının atmosferik önemi de sunulmaktadır. INP'lerin buz çekirdeklenme potansiyelini değiştiren süreçler için olası mekanizmalar ve bunları modellerde anlama ve uygulamadaki ilgili zorluklar tartışılmıştır. Birincil buz çekirdeklenmesinin bulutlardaki toplam buz kristali sayısı konsantrasyonlarını nasıl etkilediği ve INP konsantrasyonları ile buz kristali sayısı konsantrasyonları arasındaki tutarsızlık sunulmaktadır. Son olarak, heterojen buz çekirdeklenme süreçleri ile ilgili bilinen ve bilinmeyen süreçleri temsil eden INP'lerin ve modellerin parametrelendirilmesinin sınırlamaları tartışılmıştır.
1. Atmosferik buz parçacıkları ve buz çekirdeklenmesinin alaka düzeyi
Atmosferik buz parçacıkları, ışınım transferi, çökeltme ve bulut elektrifikasyonu gibi fiziksel süreçler üzerinde muazzam bir etki yaparak bulutların fiziksel özelliklerini ve troposferin kimyasal bileşimini belirlemede baskın bir rol oynamaktadır . Buz parçacıkları ayrıca reaktif heterojen kimyayı teşvik eder, yarı uçucu gaz fazını ve asidik iz gaz türlerini temizler ve böylece troposferik bileşimi etkiler . Örneğin, buz yoğunluğunun miktarı, gaz fazlı suyun özellikle aktif bir sera gazı olduğu üst troposferdeki su buharı bütçesiyle bağlantılıdır. Buz kristalleri, hem çökelen hem de çökelmeyen buzlu bulutlarda bulut özelliklerini değiştirir. Karışık fazlı bulutlarda (MPC'ler) buz kristallerinin rolü özellikle önemlidir, çünkü buz, Wegener – Bergeron – Findeisen işlemi yoluyla aşırı soğutulmuş sıvı su içeriğini etkileyebilir . Bulutlardaki yağışların çoğu , hidrolojik döngüyü önemli ölçüde etkileyen ve bulut ömrünü belirleyen , özellikle karada buz evresinde başlar. MPC'lerde, aşırı soğutulmuş sıvının tahmin edilmesi, uçak buzlanmasındaki tehlikesi nedeniyle çok önemlidir
Yukarıdaki süreçlerin etkisini tahmin etmek ve bulut radyasyon bütçesinin tahminlerini kısıtlamak için, atmosferdeki buz oluşumunun başlangıcını ve evrimini anlamak zorunludur. Bu bölümün amacı troposferik aerosol fiziksel ve kimyasal özellikleri buz oluşturucu parçacıklar (INPS rollerine katkıda anlamada son on yıl içinde ancak son beş yılda odaklanarak kaydedilen ilerlemeyi, işaretlemek olduğu; bölüm 3 - 5 ). Heymsfield et al.'da tartışılan sıvı aerosol partiküllerinin homojen olarak dondurulması yerine heterojen buz çekirdeklenme (IN) mekanizmaları (bkz. Bölüm 2 ) aracılığıyla katı aerosol partikülleri üzerinde buz oluşumuna odaklanılır . Son olarak, birincil IN'in mikrofiziğe ve troposferdeki INP'lerin modellenmesine olan rolünü anlamada var olan zorlukları sunuyoruz
2. Heterojen buz çekirdeklenmesi: Genel bir açıklama
Ana fazdan (sıvı veya gaz) heterojen IN, sıcaklık, bağıl nem ve çekirdeklenme yüzeyi (bir INP gibi) gibi koşullar bu aktive edilmiş proses için enerjik olarak uygun koşullar sağladığında ortaya çıkar. Heterojen klasik çekirdeklenme teorisi (CNT), ana faz ile dengede kalan kritik bir embriyoya (bir moleküler kümeden) karşı yeni bir yavru faz (buz) oluşturma enerjisinin, bir INP'ninki gibi yabancı bir yüzey tarafından ölçeklenebileceğini varsayar daha fazla bilgi için bkz. Atmosferde ( T )> -38 ° C sıcaklıkta birincil buz oluşumu , yalnızca kritik buz embriyosunun oluşumu için aşılması gereken enerji bariyerini düşüren bir INP yardımı ile meydana gelir. Buz çekirdeklenme parçacıkları ayrıca buz oluşumuna yardımcı olabilir.T <−38 ° C, buza göre bağıl nem olduğunda yeterince rekabetçi bir çekirdeklenme oranı ile, RH i ≲% 140–% 150. Bu RH i'nin üzerinde , çözünen madde içeren parçacıkların homojen donmasının (bkz. Şekil 1-1 ) daha yüksek çekirdeklenme oranı , heterojen donmayı kolayca geride bırakmaktadır. Daha düşük sıcaklıklarda ( T <−75 ° C), yalnızca aktivasyon enerjisine (temas açısı) dayalı heterojen donma açıklaması , oynadığı gösterilen bir kinetik parametrenin öneminin gözden kaçmasına neden olabilir. ilk buz kümesi oluşumunda önemli bir rol . Heterojen IN, kritik bir embriyoyu stabilize ederek IN için enerji bariyerini düşüren bir INP'nin tek fikrine dayanır, ancak aşağıdaki bölüm 2a'da tartışıldığı gibi farklı yollarla (atmosferik ve laboratuvar ölçümlerinde) gözlemlenir . Olarak bölüm 2b , saçaklı bulutları rejiminde heterojen uygunluğu kısaca ele alınmış ve daha ayrıntılı olarak anlatılmıştır . Bu bölüm, heterojen IN için INP ön koşullarının tartışılmasıyla sona erer
Atmosferde olası bilinen birincil buz çekirdeklenme yollarını gösteren şematik.
a. Heterojen buz çekirdeklenmesinin modları ve bunların karışık fazlı bulutlardaki önemi
Tarihsel olarak, heterojen IN modlarının tanımları farklı olmuştur ve gelecekte algılar değişebilir. Buradaki açıklamalar, Atmosferik Fizik ve Kimya Tartışmaları dergisinde bir dizi araştırma grubu arasında hakem değerlendirmesi sürecinde açık bir tartışma ve tartışmanın ürünü olan derginin Aşağıda tartışılan farklı yollar, Şekil 1-1'de gösterilmektedir .
Biriktirme buz çekirdeklenmesi , sıvı suyun bulunmadığının varsayıldığı tek heterojen IN mekanizmasıdır. Doğrudan bir INP'de buza göre (RH i >% 100) süper doymuş buhardan buz çekirdeği . Son zamanlarda, IN birikimini gösterdiği şeklinde yorumlanan gözlemlerin , INP'lerin yüzeylerinde bulunan boşluklarda suyun yoğunlaşmasıyla meydana gelen gözenek yoğunlaşması ve donma (PCF; bkz . ”Bağıl nemde etki i <% 100, ardından yeterince düşük sıcaklıklarda ( T <−38 ° C) homojen dondurma . Bu mekanizma yakın zamanda , buna ön aktivasyon deniyordu. Parçacıkların gözeneklerinde yeterince düşük sıcaklıklarda homojen olarak buz oluşmuştur. RH i <% 100'ün azaltılmasında , buz -13 ° C'ye kadar tutulmuş ve RH i doygunluğun biraz üzerindeki değerlere yükseltilir yükseltilmez makroskopik buz büyümesini indüklemiştir (bkz. Şekil 1-1'deki noktalı yollar ). Bu etkinin 5-8 nm gözenek boyutları için gerçekleştiği tahmin edilmiştir. nitrik aside (HNO 3 ) maruz kalan Arizona Test Tozu (ATD) partiküllerini inceledi ve RH w'de su doygunluğunun hemen altındaki buz çekirdeklenme kabiliyetinde keskin bir artış gözlemledi.~% 97. Bunu, çökelme çekirdeklenmesinden sıvı su oluşumunu içeren bir mekanizmaya geçiş olarak yorumladılar (yoğunlaşma / daldırma dondurma mekanizması, aşağıya bakınız). Bu nedenle, geçmişte IN birikimi olarak rapor edilen verilerin gerçekte ne ölçüde doğrudan buhar fazı yoluyla meydana geldiği ve bunun atmosferik süreçlerin yorumlanmasında hangi rolü oynadığı açık değildir. Bu mekanizmanın, INP'lerin önce damlacıklara aktive edilmesinin beklendiği MPC'lerde buz oluşumu için önemli olması beklenmemektedir , ancak yine de sirüs bulutları için önemli olabilir .
Temasla donma , bir INP bir damlacığın dışından hava-su arayüzüne yaklaştığında başlatılır (örneğin, bir çarpışma yoluyla,Şekil 1-1), ancak bu, şu durumlarda gözlemlendiği gibi "içten dışa" da meydana gelebilir. Bir INP, Şekil 1-1'de gösterildiği gibi damlacık yüzeyine damlacık yüzeyine dokunur . Son zamanlarda, temaslı dondurmayı incelemek için birkaç yeni teknik uygulandı . Temaslı donma olasılığının INP'nin yüzey alanıyla orantılı olduğu bildirilmiştir, bu tür bir donmanın damlacık ile INP arasındaki ilk temas noktası tarafından tetiklendiği kavramına meydan okuyor. Bununla birlikte, aynı çalışmalar, açıklanan laboratuar çalışmalarında temasla başlatılan donma verimliliğinin daldırma dondurmaya baskın olduğunu ve böylece tüm parçacığın temaslı dondurmaya dahil olup olmadığını sorguladığını göstermektedir ,temasla dondurmanın, temas üzerine yüzeylerinde zaten sıvılaşmış olan farklı çözünür maddelerden oluşan parçacıkların aşırı soğutulmuş bir damlacığa, yani darbeyle başlatılan temaslı dondurmaya çarptığında da başlatıldığını bulmuşlardır. Daha sonra yazarlar, kontak dondurma modunda aktif olan INP'lerin, incelenen damlacıkların büyük boyutları ( d > 25-150 μm) hakkında bir uyarı olsa da katı olması gerekmediğini bildirdi . Bu, de bildirilen çaplardan çok daha küçük olan bulut damlacıkları ve INP'ler arasındaki çarpışmalardan ziyade daha büyük ıslak parçacıkların çarpışmasıyla (örneğin yağmur ve çiseleme) atmosferik ilgiyi sınırlar.. Özetle, bir damlacığın buharlaşması, içten dışa temasla donmaya yol açabilir ve parçacık çarpışmaları, donma için damlacık yüzeyi ile INP'nin etkisinden enerji sağlayabilir. Bu iki mekanizmanın ortaya çıkma sıklığı ve dolayısıyla atmosferde temasla donmanın genel önemi tam olarak anlaşılmamıştır, ancak katkısı MPC'lerle ilgili olabilir .
Daldırma dondurma , sıvı bulut oluşumu sırasında bulut yoğunlaşma çekirdeklerinin (CCN) aktivasyonu yoluyla sulu bir çözelti veya su damlacığına batırılan bir INP tarafından başlatılan İN anlamına gelir (bkz. Şekil 1-1 ). CCN'nin bir alt kümesi de etkili INP'ler olabilir. MPC'ler için daldırma dondurmanın en önemli olduğu önerilmektedir Bu süreç bildirilen çok sayıda çalışmada gözlemlenmiştir . yenileri 3. bölümde bildirilmiştir. tarafından zaten yapıldığı gibi, damlacıklar doğrudan süspansiyonlardan (doğal çökeltme örnekleri dahil olmak üzere su veya tuz çözeltilerinden oluşan) doğrudan süspansiyonlardan yapıldığında gözlemlenir . Diğer yöntemler arasında INP'lerin, örneğin Aerosol Etkileşimi ve Atmosferdeki Dinamikler gibi bulut odalarında , akış tüpü reaktörü Leipzig Aerosol Bulut Etkileşim Simülatörü , daldırma akış odası (Taşınabilir) Daldırma Modu Soğutma Odası [(P) IMCA ve suyun bir substrat üzerindeki parçacıklar üzerinde yoğunlaştığı damlacık dondurma tekniğini ve ardından süper soğutma uygulanmasını kullanarak . Bir CFDC'de RH w =% 105'de ölçülen aktif toz INP fraksiyonlarının, AIDA bulut odası genişletmelerinde ölçülen daldırma dondurmada gözlemlenen donmuş fraksiyonların 2-3 faktörü içinde olduğu gözlenmiştir . Bununla birlikte, karşılaştırma yüksek RH'de yapıldı ise ağırlıktutarsızlık neredeyse kayboldu. RH w =% 105 oranında çalıştırılan bir CFDC ile LACIS daldırma dondurma cihazı arasında benzer veya daha iyi uyum Wex ve diğerleri tarafından not edilmiştir , ölçülen aktif fraksiyonlar, sabit durum çekirdeklenme oranları varsayımı altında cihazda kalma sürelerine göre ölçeklenirse. Ek olarak, nanometre kalınlığında çözünür malzeme ile kaplanmış kaolinit partiküllerinin, RH w ≲% 95'te ölçülebilir buz çekirdeklenme kabiliyeti göstermediğini ve RH w ~% 100 artırmak için keskin bir artış gösterdiğini gösterdi . Su doygunluğunun altında ölçülen IN değeri, daldırma dondurma parametrelerini konsantrasyona bağlı donma noktası düşüşü ile birleştirerek tanımlanabilir, bu da RH'de gözlemlenen donmayı gösterirw <% 100 konsantre çözelti damlacıklarının daldırma ile dondurulmasıdır. Bu gözlemler, CFDCs yeterince yüksek RH'de dondurma daldırma ölçebilir düşündürmektedir ağırlık bütün parçacıklar, yeterince yüksek aşırıdoymaları maruz kaldıklarında en az bir INP üzerinde çözünür malzeme mevcut sulanması noktasının üzerinde olduğu, ya da , ki RH beklenmelidir ağırlık ≥% 105 .
Yoğunlaşmalı dondurma , genellikle ayrı bir heterojen dondurma modu olarak anılır, ancak tarihsel olarak, daldırma ve yoğunlaştırmalı dondurmayı birleştiren yalnızca üç buz çekirdekleştirme modunun var olduğu varsayılmıştır (. Yoğuşma dondurmanın en güncel tanımı,Şekil 1-1'de gösterildiği gibi aşırı soğutulmuş sıcaklıklarda CCN'de sıvının ilk oluşumuyla eşzamanlı olarak başlatılan dondurmaya dayanmaktadır . Bununla birlikte, ayrıca yoğuşma donmasının (mikroskobik ölçekte) çökelme çekirdeklenmesinden veya daldırma dondurmadan gerçekten farklı olup olmadığının tam olarak belirlenmediğini ve ayrı bir mekanizma olarak kullanılması için daha fazla önlem alınmasını tavsiye ettiğini belirtmektedir.
b. Sirrus bulutları için heterojen buz çekirdeklenmesinin alaka düzeyi
Sirrus bulutlarında hem homojen (bkz. Şekil 1-1) hem de heterojen IN, RH i'nin % 140-150'nin üzerinde ve altında değişebildiği T <−38 ° C'de meydana gelebilir. (RH hom ), bulut ve çözelti damlacıklarının homojen donma çekirdeklenme hızlarının donma sürecine hakim olacak kadar büyük olduğu eşiktir Cirrus bulut koşulları altında, DeMott ve diğerleri tarafından alan ölçümleri , ve daha sonra ayrıca, çok sayıda teorik ve modelleme çalışmasına dayanarak beklendiği gibi ortam aerosol popülasyonundan homojen ve heterojen İN oluşabileceğini bildirmiştir . Buz kalıntılarının bileşimi ve karışım durumu ölçümlerinin yanı sıra sirrus bulutlarının oluştuğu bağıl nem oranını kullanarak , çökelme çekirdeklenmesinin baskın buz oluşturma mekanizması olduğu sonucuna varmıştır. farklı cirrus türleri arasında ayırt edilir: birincisi, atmosferde daha aşağıda hava parsellerinde oluşan ve daha sonra yükselen sirrus bulutları çoğunlukla sıvı damlalarının heterojen olarak dondurulmasıyla oluşur; ikincisi, homojen donmaya ek olarak IN birikiminin bir rol oynayabileceği yüksek rakımlarda yeni in situ cirrus oluşmuştur.
c. Buz çekirdeklenme parçacıklarının bilinen ön koşulları
Hangi özelliklerin bir aerosol parçacığını bir INP yaptığı yeterince ayrıntılı ve kesin olarak bilinmemektedir. Tarihsel olarak, çeşitli özelliklerin bir rol oynadığı öne sürülmüştür , ancak bu bağlamda, özellikle çözünmez bir partikül veya makroskopik yapısal bütünlüğe sahip partiküle sahip olma gerekliliği ile ilgili olarak geleneksel bilgeliğe meydan okuyan ilerlemeler kaydedilmiştir. bir INP. Aşağıda, çözünmeyen ve çözünür partiküller için ve INP'lerin sıfır altı sıcaklıklara ve buza göre bir süperdoymaya maruz kalması beklentisi altında heterojen İN için ön koşullara genel bir bakış tartışılmaktadır.
İçin çözünmeyen / katı parçacıklarının (örneğin, mineral tozlar), uzun İN belirli yerlerde (örneğin, örgü uyumsuzlukları, çatlaklar, hidrofilik bölgeleri), bir fikir cereyan edeceğini ileri sürülmüştür tamamlayıcı buz aktif siteye eski bir kavram . Bu tür sitelerin oluşma olasılığının, partikül yüzey alanı ile ölçeklendiği bildirilmiştir nicel anlaşmayı gösteriyor. Bu kavram aslında birçok INP parametresizasyonu için bir temel oluşturmaktadır . Alanlar sonlu bir olasılıkla göründüğünden , daha küçük parçacıkların (örneğin, <500 nm) INP'ler gibi davranma olasılığı daha düşüktür. ~ 200 nm çaplı parçacıkların, atmosferik buz kalıntı sayısı dağılımlarındaki mod boyutuna göre tüm INP'lerin çoğunu oluşturduğu sonucuna varıldı. Bir INP'nin yüzeyindeki toOH (hidroksil) grupları gibi, su molekülleri ile hidrojen bağı yapabilen fonksiyonel grupların, IN'yi teşvik etmede bir rol oynaması beklenebilir. Bu bağlamda , silika partiküllerinin biriktirme modunda buz çekirdeklenme aktivitesinin, −OH gruplarının - (CH 2 ) 7 CH 3 ile işlevselleştirilmesiyle tamamen bastırılabileceğini gözlemlemiştir.(bir oktil zinciri). Bu bağlamda , alüminosilikat kil minerallerinin kenar bölgelerinde −OH gruplarının rolünün biriktirme modunda IN için potansiyel olarak önemli olduğunu öne sürmüştür. Çözünür Alünojen oluşturarak olayla aynı çalışmalar, [Al 2 (SO 4 ) 3 17H 2 O] buz çekirdeklenme yoğunlaştırma / daldırma modunda üzerinden gerçekleştiğini bu parçacıklar üzerindeki ürünler. Aktif yüzeyin sıralı altıgen iki tabakalı yamaları arasındaki bir kafes eşleşmesinin buz çekirdeklenmesi üzerinde olumlu bir etki de 1) grafitik kurumun moleküler dinamik hesaplamaları yoluyla önerilmiştir ve 2 gümüş iyodür toz ve volkanik kül parçacıkları ile buz çekirdeklenmesinin ampirik çalışmaları . Basamaklar, çatlaklar ve boşluklar gibi yüzey kusurlarına maruz kalan (100) yönelimli kristal düzlemin mikroskobik yamaları, K-feldispatlarda tercih edilen buz çekirdeklenme bölgeleri olarak tanımlanmıştır. Hidroksil grupları ile tamamen işlevsel hale getirildiğinde, bu yüksek enerjili düzlem, buzun prizmatik düzlemine güçlü bir afinite sergiler, böylece feldspat kristalinin yüzeyinde oluşan buz kristallerinin tercihli bir yönelimine neden olur. Bununla birlikte, INP özelliklerinin - yani kafes yapısı, boyutu, yüzey kusurları ve kimyasal fonksiyonel grupların doğası - IN'in başlatılmasında birbirleriyle ilişkili olarak sorumlu olduğu ve moleküler kimliklerinin belirlenmesi için kalır.
İçin çözünür parçacıklar ve nano ölçekli biyolojik fragmanları , bir hücre zarı içinde kapsanmış halde protein kompleksleri (makromoleküller ait olan) IN (sorumlu olduğu uzun zamandır bilinmektedir Troposferik bulutlar için IN bağlamında, yalnızca ~ 10 nm boyutlarında biyolojik buz çekirdekleştiren aktif makromoleküllerin (INM'ler) taşıyıcılarından, örneğin polen , mantar sporlarından ayrılabildiği daha yakın zamanda gösterilmiştir . ve deniz organik aerosolü ve toprak tozlarındaki organik maddelerde Küçük INM'lerin keşfi, INP'lerin (buz bulutu oluşumu için) çözünmez olması veya belirli bir boyut eşiğinin üzerinde olması gerektiği şeklindeki geleneksel bilgeliği sorgulamaktadır .llere adsorpsiyonunun kapsamı, INM'leri taşıyan partiküllerin boyutu / yüzey alanı ile ölçeklenebilir. Bununla birlikte, bu tür INM'lerden kaynaklanan IN aktivitesi, konakçı partikülün bu tür INM'lerin çıkarılmasından sonra (aynı T aralığında) araştırıldığı durumlar için konakçı partikül boyutuyla ölçeklenmemelidir .