Что называют ядром кристаллизации
У термина два связанных значения. В физике кристаллизации это зародыш новой кристаллической фазы: небольшое упорядоченное скопление частиц вещества, с которого может начаться рост кристалла. В метеорологии ядром кристаллизации обычно называют постороннюю частицу, которая помогает образоваться льду. Сам зародыш льда и частица, на поверхности которой он возник, — разные объекты. В современной англоязычной литературе для такой частицы используют обозначение ice-nucleating particle, сокращённо INP. Разграничение понятий изложено в работе Vali и соавторов о терминологии ледообразования.
Для экологии особенно важен атмосферный смысл: свойства частиц связывают процессы на поверхности почв, перенос пыли и биологического материала с образованием льда в облаках. Далее термин рассматривается преимущественно в этом значении.
Как начинается образование льда
Охлаждение воды ниже 0 °C не означает, что она немедленно замёрзнет. Жидкая вода может оставаться переохлаждённой. Для начала перехода необходимо образование зародыша льда, способного расти в данных условиях. Если посторонний материал не участвует, нуклеацию называют гомогенной; если зарождение облегчает поверхность частицы — гетерогенной.
В облачных каплях достаточно чистой воды интенсивное гомогенное замерзание обычно становится существенным вблизи −38 °C. Это ориентир, а не универсальный порог: результат зависит от размера капель, времени наблюдения и состава раствора. Ледообразующие частицы позволяют льду появиться при менее сильном переохлаждении. Эти закономерности и ограничения сопоставления опытов разобраны в обзоре Hoose и Möhler.
Отличие от ядра конденсации
Ядро конденсации помогает сформироваться жидкой облачной капле, а ледообразующая частица — начать образование льда. Одна частица иногда может участвовать в обоих процессах, но способность образовывать каплю сама по себе не доказывает ледообразующую активность. Определение облачных ядер конденсации приведено в словаре Американского метеорологического общества.
| Понятие | Что это означает |
|---|---|
| Зародыш кристалла | Начальное образование самой кристаллической фазы. |
| Ледообразующая частица, INP | Посторонний материал, облегчающий зарождение льда. |
| Облачное ядро конденсации, CCN | Аэрозольная частица, на которой при подходящем пересыщении образуется жидкая капля. |
Основные механизмы ледообразования
В традиционной классификации различают несколько механизмов. Их определения собраны в статье Ice nucleus метеорологического словаря AMS.
- Иммерсионное замерзание. Частица уже находится внутри переохлаждённой капли и инициирует появление льда.
- Контактное замерзание. Образование льда связано с контактом частицы с переохлаждённой каплей.
- Конденсационное замерзание. Лёд возникает при образовании и росте переохлаждённой капли на частице.
- Депозиционное зарождение. Лёд образуется из водяного пара на поверхности частицы без предварительного образования объёмной жидкой капли.
Это описание путей зарождения льда, а не четыре неизменных класса пылинок. Роль конкретной частицы зависит от температуры, влажности и того, как она взаимодействует с водой.
Какие частицы могут быть активными
Потенциальными ядрами служат некоторые компоненты минеральной пыли и биологического аэрозоля. Не всякая пыль и не любой микроорганизм одинаково эффективно запускают замерзание. Значение имеют состав, площадь и состояние поверхности, покрытия и условия опыта; для сажи результаты исследований особенно неоднородны. Поэтому общую массу аэрозоля нельзя напрямую пересчитать в количество активных ядер.
Показательный пример — полевые шпаты. В экспериментах Atkinson и соавторов эти минералы оказались важными инициаторами замерзания в условиях смешанных облаков, хотя их доля в исследованной минеральной пыли была сравнительно небольшой. Это показывает, почему для облачных процессов важен не только объём выброса пыли, но и её минералогический состав.
Роль в облаках, осадках и климате
Смешанные облака содержат одновременно кристаллы льда и переохлаждённые капли. При одной отрицательной температуре равновесное давление водяного пара над льдом ниже, чем над жидкой водой. Поэтому при подходящих условиях лёд может расти за счёт пара, а капли — испаряться. Такой механизм называют процессом Вегенера — Бержерона — Финдейзена. Укрупнившиеся частицы способны выпадать, дополнительно собирая капли и другие кристаллы; ниже уровня таяния снег может превратиться в дождь.
Ледообразование влияет на время жизни, состав и оптические свойства облаков. Однако наличие ядер ещё не гарантирует атмосферные осадки у поверхности земли: важны запас воды, движения воздуха и испарение выпадающих частиц. Из увеличения количества пыли нельзя автоматически вывести усиление дождя или однозначное изменение климата.
Как исследуют ядра кристаллизации
В лаборатории наблюдают замерзание множества капель с исследуемым материалом или помещают аэрозоль в камеры с контролируемыми температурой и влажностью. В полевых исследованиях отбирают атмосферные пробы и проверяют их ледообразующую активность. Методы и возможные ошибки измерений рассмотрены в обзоре Cziczo и соавторов.
Результат должен сопровождаться условиями измерения: температурой, влажностью, временем воздействия, характеристиками частиц и долей замёрзших капель. Концентрация ядер без этих сведений малоинформативна: частицы, неактивные при одной температуре, могут проявить активность при более низкой. Контрольные пробы нужны, чтобы отделить эффект исследуемого материала от случайных примесей.
Применение и ограничения
На способности частиц инициировать лёд основан гляциогенный засев облаков, в том числе с использованием иодида серебра. Он рассчитан на подходящие переохлаждённые облака. Согласно заявлению Всемирной метеорологической организации об изменении погоды, результаты зависят от типа облаков и метеорологических условий; их нельзя произвольно переносить из одного региона в другой.
Засев не создаёт облачную систему из безоблачного воздуха и не позволяет гарантированно управлять сильными погодными явлениями. Для оценки конкретного воздействия необходимы наблюдения, сравнение с естественной изменчивостью и учёт возможных экологических последствий.