一颗冰晶是如何让我们更了解环境和气候的？_风闻

出品：科普中国

制作：陈兰夏迪 唐明金（中国科学院广州地球化学研究所）

监制：中国科普博览

当天边出现一朵毛茸茸、软乎乎的云，没有谁能忍住不拿起手机记录这一刻；当天空中乌云密布，我们就知道即将有一场暴雨来临。从小的经验告诉我们，雨是从云里面掉下来的，可你知道究竟是云里的什么变成了雨吗？

雾滴的聚积以及光线的透射形成乌云（图片来源：维基百科）

云是悬浮在空气中大量微小水滴和冰晶的集合体。虽然云由水组成，但由于水滴具有表面张力，很难变大，因此很难从云中掉下来，即便是“个头”大一点的水滴，在掉出云层后也会迅速蒸发，变成水蒸气，随后重新回到云中。而冰晶相较于水滴来说，更容易逃出云层，落到地面，形成降水。因此，冰晶的形成对于降水来说才是至关重要的。

那冰晶又是如何形成的？当我们只看到冰晶美丽外表的同时，它们内部又在发生什么样的反应？

一、美丽的冰晶是如何形成的？

也许肉眼难以观察，但是显微镜下的冰晶确实十分精致美丽。一般来说，冰晶的形成可以分为两种途径：一是水滴或云滴直接形成冰晶；二是水蒸气或是过冷水滴在颗粒物的作用下发生凝华或是冻结形成冰晶。而这种可以触发冰晶形成的关键物质就是冰核颗粒物。

大气中的冰晶（图片来源：snowcrystals）

一般来说，第一种途径需要在温度低于-38摄氏度以下才能发生，这在实际大气条件中很难达到，因此冰晶一般通过第二种途径形成，也就是在冰核颗粒物的帮助下形成。

什么样的颗粒物可以作为冰核颗粒物？事实上，空气中漂浮的尘埃、细菌、甚至花粉等都是冰核活性非常强的冰核颗粒物，而这里我们所说的尘埃主要是指矿质颗粒物，这一类颗粒物被认为是大气中最重要的冰核颗粒物之一。

二、矿质颗粒物与非均相反应

由干旱和半干旱地区排放进入大气的矿质颗粒物，对空气污染、人体健康以及气候变化有着显著的影响。矿质颗粒物在大气漂浮的过程中，因其较大的表面积而非常容易吸附大气中的污染气体并与其发生反应，这种气体在颗粒物表面发生的反应过程被称为非均相反应。

目前研究表明，矿质颗粒物与二氧化氮的非均相反应在氮氧化物的去除、臭氧和硝酸盐的形成中起着重要作用，从而显著影响空气质量。然而，目前我们还不知道二氧化氮的非均相反应究竟会对矿质颗粒物的冰核活性产生什么影响。

由矿质颗粒物引起的严重大气污染事件沙尘暴（图片来源：维基百科）

为了探究这一问题，我们开发了一种测定大气颗粒物冰核活性的方法（Guangzhou Institute of Geochemistry Ice Nucleation Apparatus，GIGINA），并将该方法用于探究二氧化氮的非均相反应对矿质颗粒物冰核活性的影响。

我们选取的矿质颗粒物分别为钾长石和亚利桑那沙尘，其中钾长石是目前被认为冰核活性较强的矿质颗粒物，而亚利桑那沙尘是一种天然沙尘颗粒物的替代物，因为其具有已知的粒径分布、矿物组成和简便的获取途径等优点而在国际上被广泛使用。

二氧化氮的非均相反应对矿质颗粒物冰核活性的影响（图片来源：作者自制）

我们发现，二氧化氮的非均相反应可显著降低长石和亚利桑那沙尘的冰核活性。具体来说，在反应0至6小时期间，长石颗粒物表面由于非均相反应生成的硝酸盐含量随反应时间的增加而逐渐升高；同时，长石的冰核活性却随着反应时间的增加而逐渐降低。然而，当反应时间进一步延长至24小时后，长石的硝酸盐含量和冰核活性并没有发生显著改变。

对于亚利桑那沙尘，我们发现在反应0至24小时期间，亚利桑那沙尘的硝酸盐含量随反应时间的增加而逐渐升高；同时，其冰核活性逐渐降低。另外，我们还发现二氧化氮的非均相反应对长石和亚利桑那沙尘的影响存在显著差异。

三、是谁影响了矿质颗粒物的冰核活性？

二氧化氮的非均相反应究竟是如何降低这两种矿质颗粒物的冰核活性？要想回答这一问题，就需要了解是什么特殊的性质使得矿质颗粒物具有较强的冰核活性。

目前研究发现，矿质颗粒物的表面形态、晶格结构、表面官能团等表面性质与颗粒物的冰核活性有着密切的联系。例如，在Science发表的一项研究发现冰晶的形成通常发生在矿质颗粒物表面的缺陷和裂缝处。

由于对矿质颗粒物成冰机制认知的缺失，我们无法准确回答究竟为什么非均相反应可以降低矿质颗粒物的冰核活性。但是在这里，我们尝试提出了以下机制来进行解释：在非均相反应期间，二氧化氮将与矿质颗粒物的表面发生反应，置换矿质颗粒物晶格结构中的钾、钠、铝，从而改变矿质颗粒物的晶格结构，进而降低其冰核活性。另一方面，非均相反应将改变颗粒物表面的羟基官能团，从而影响颗粒物的表面性质，进而降低其冰核活性。

迄今为止，科学家们仍然无法完美回答大气中冰晶形成的微观物理过程及其影响因素，但继续探究这些问题将为我们未来认识大气颗粒物的环境及气候效应有不可忽略的重要作用。