出品：科普中國

制作：陳蘭夏迪 唐明金（中國科學院廣州地球化學研究所）

監制：中國科普博覽

當天邊出現一朵毛茸茸、軟乎乎的雲，沒有誰能忍住不拿起手機記錄這一刻；當天空中烏雲密布，我們就知道即将有一場暴雨來臨。從小的經驗告訴我們，雨是從雲裡面掉下來的，可你知道究竟是雲裡的什麼變成了雨嗎？

霧滴的聚積以及光線的透射形成烏雲（圖片來源：維基百科）

雲是懸浮在空氣中大量微小水滴和冰晶的集合體。雖然雲由水組成，但由于水滴具有表面張力，很難變大，因此很難從雲中掉下來，即便是“個頭”大一點的水滴，在掉出雲層後也會迅速蒸發，變成水蒸氣，随後重新回到雲中。而冰晶相較于水滴來說，更容易逃出雲層，落到地面，形成降水。因此，冰晶的形成對于降水來說才是至關重要的。

那冰晶又是如何形成的？當我們隻看到冰晶美麗外表的同時，它們内部又在發生什麼樣的反應？

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确實十分精緻美麗。一般來說，冰晶的形成可以分為兩種途徑：一是水滴或雲滴直接形成冰晶；二是水蒸氣或是過冷水滴在顆粒物的作用下發生凝華或是凍結形成冰晶。而這種可以觸發冰晶形成的關鍵物質就是冰核顆粒物。

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攝氏度以下才能發生，這在實際大氣條件中很難達到，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。

什麼樣的顆粒物可以作為冰核顆粒物？事實上，空氣中漂浮的塵埃、細菌、甚至花粉等都是冰核活性非常強的冰核顆粒物，而這裡我們所說的塵埃主要是指礦質顆粒物，這一類顆粒物被認為是大氣中最重要的冰核顆粒物之一。

二、礦質顆粒物與非均相反應

由幹旱和半幹旱地區排放進入大氣的礦質顆粒物，對空氣污染、人體健康以及氣候變化有着顯著的影響。礦質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生反應，這種氣體在顆粒物表面發生的反應過程被稱為非均相反應。

目前研究表明，礦質顆粒物與二氧化氮的非均相反應在氮氧化物的去除、臭氧和硝酸鹽的形成中起着重要作用，從而顯著影響空氣質量。然而，目前我們還不知道二氧化氮的非均相反應究竟會對礦質顆粒物的冰核活性産生什麼影響。

由礦質顆粒物引起的嚴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，我們開發了一種測定大氣顆粒物冰核活性的方法（Guangzhou Institute of Geochemistry Ice Nucleation Apparatus，GIGINA），并将該方法用于探究二氧化氮的非均相反應對礦質顆粒物冰核活性的影響。

我們選取的礦質顆粒物分别為鉀長石和亞利桑那沙塵，其中鉀長石是目前被認為冰核活性較強的礦質顆粒物，而亞利桑那沙塵是一種天然沙塵顆粒物的替代物，因為其具有已知的粒徑分布、礦物組成和簡便的獲取途徑等優點而在國際上被廣泛使用。

二氧化氮的非均相反應對礦質顆粒物冰核活性的影響（圖片來源：作者自制）

我們發現，二氧化氮的非均相反應可顯著降低長石和亞利桑那沙塵的冰核活性。具體來說，在反應0至6小時期間，長石顆粒物表面由于非均相反應生成的硝酸鹽含量随反應時間的增加而逐漸升高；同時，長石的冰核活性卻随着反應時間的增加而逐漸降低。然而，當反應時間進一步延長至24小時後，長石的硝酸鹽含量和冰核活性并沒有發生顯著改變。

對于亞利桑那沙塵，我們發現在反應0至24小時期間，亞利桑那沙塵的硝酸鹽含量随反應時間的增加而逐漸升高；同時，其冰核活性逐漸降低。另外，我們還發現二氧化氮的非均相反應對長石和亞利桑那沙塵的影響存在顯著差異。

三、是誰影響了礦質顆粒物的冰核活性？

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

目前研究發現，礦質顆粒物的表面形态、晶格結構、表面官能團等表面性質與顆粒物的冰核活性有着密切的聯系。例如，在Science發表的一項研究發現冰晶的形成通常發生在礦質顆粒物表面的缺陷和裂縫處。

由于對礦質顆粒物成冰機制認知的缺失，我們無法準确回答究竟為什麼非均相反應可以降低礦質顆粒物的冰核活性。但是在這裡，我們嘗試提出了以下機制來進行解釋：在非均相反應期間，二氧化氮将與礦質顆粒物的表面發生反應，置換礦質顆粒物晶格結構中的鉀、鈉、鋁，從而改變礦質顆粒物的晶格結構，進而降低其冰核活性。另一方面，非均相反應将改變顆粒物表面的羟基官能團，從而影響顆粒物的表面性質，進而降低其冰核活性。

迄今為止，科學家們仍然無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，但繼續探究這些問題将為我們未來認識大氣顆粒物的環境及氣候效應有不可忽略的重要作用。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!