粒子が雲の形成にどのように寄与するか

雲は、大気システムに影響を与える主な要因の 1 つです。雲は、地球の放射バランスにおいて最も重要な要素の 1 つであり、水循環に関与しているため、一般的な方法で気候に影響を与えます。これらすべてのプロセスに対する雲の影響は、雲に適合する粒子の特性 (氷の結晶および/または液滴) に依存します。

雲の粒子は、核生成と呼ばれるプロセスによって開始されます。異種粒子が核として作用する場合、核生成は不均一核生成と呼ばれます。核生成粒子は氷核粒子です (INP) または雲凝縮核 (CCN) それらがそれぞれ元の氷の結晶または雲の小滴に寄与する場合。具体的には、氷の結晶の形成に関して、-36°C を超える温度では、氷の粒子を形成する唯一の方法は、INP の存在を伴います。

氷の不均一な核生成にはさまざまなモードがあります (Vali, 1985)。混合相雲（氷粒子と水滴からなる雲）における氷晶の形成に関与する主なモードは、浸漬凍結モードです。これは、INP が 0°C 未満の温度で水滴に浸されたときに生成されます。浸漬モードでは、さまざまなエアロゾルが INP として機能します:花粉 (Pummer et al., 2012)、バクテリア (Haga et al., 2014)、真菌胞子 (Spracklen y Heald, 2014)、生体粒子 (O'Sullivan et al. 、2014)、火山灰(Hoyle et al., 2011)、バイオマス燃焼からの粒子(Petters et al., 2009)など。しかしながら、ミネラルダスト粒子が浸漬凍結によるINPとして支配的な役割を果たしていることが示されている( Hoose et al., 2010).

大気中の天然鉱物粒子の供給源は乾燥地帯です。たとえば、アルゼンチンのパタゴニアは、南米で最も重要な粉塵の発生源です (Prospero et al., 2002)。この地域で生成された粒子は、風によって運ばれて南極に到達することもあり (Gassó et al., 2010)、氷粒子の形成に寄与します。したがって、大気中のエアロゾル質量濃度に対するこれらの粒子の大きな寄与と INP の重要性を考慮して、これらの粒子の INP としての能力を浸漬凍結モードで研究します。

この研究は、パタゴニアに配置された 1 つのサイトで収集された天然の鉱物粒子を使用して行われました。これらの粒子が浸漬されたときの水滴の凍結温度に対するこれらの粒子の影響を分析するために、異なる懸濁液濃度が調製された。水滴の量は 2.5 ～ 100 mL の間で変化させました。温度低下中の水滴の変化をデジタル カメラで追跡しました。凍結プロセス中の滴の反射率と不透明度の変化により、凍結温度を記録することができました。例として、図 1 は滴の凍結中のこれらの変化を示しています。

登録された凍結温度 (T_f ）は、液滴の体積と懸濁液の濃度の関数として分析されました。 T_f 懸濁液の濃度と滴の量に応じて増加します。両方の傾向は、INP の表面に活性部位が存在することを考慮して説明できます。凍結プロセスは、これらのアクティブなサイトで開始されます。液滴の体積と懸濁液の濃度が増加すると、これらの活性部位の数が増加することを考えると、 T_f 結果的に増加します。これは、これらの両方の変数に関する凍結温度の傾向を示す図 2 で見ることができます。

図 3 は T_f の増加を示しています 懸濁液の濃度が 10 mL の滴で増加したとき。 T_f で台地を観察 高懸濁液濃度で。これは、懸濁液濃度が増加したときの粒子の凝集に関連していました。これらの凝集体の形成は、活性部位の数を一定に保つのに寄与し、したがって T_f を一定に保ちます。 .

温度凍結の傾向を定量化するために、T_f の次のパラメータ化 (ºC) 対懸濁液濃度 (C 、mg mL 単位) は、各滴体積に対して実行されました:

どこで T_∞ 、A、 そしてC₀ フィッティング パラメータです (このフィッティングは図 3 にも示されています)。 T_∞ 懸濁液濃度を増加させることによって各ドロップ ボリュームに達することができる最大温度です。所定の液滴量で到達する下限温度は、T_∞ の間の減算から取得できます。 と A (以降、T_min と呼びます) )、凍結温度の上昇に大きく寄与する最高懸濁液濃度は、C₀ から取得できます。 .表 1 は、対応するフィッティング パラメータと、相関係数の 2 乗 (R ）。最後に、 T_w と SDT_w この表にも示されている は、それぞれ T_f の平均と標準偏差です。 実験的に得られた純粋な水。

T_min に注意してください そして T_w は、すべての液滴体積で非常に類似しており、実験結果に対する式 1 の適合が良好であることを示しています。 T_f の増加 懸濁液濃度が増加すると、INPとして作用する粒子の数が増加するため、懸濁液濃度が増加すると説明できます。複数の INP を含む液滴の場合、T_f 最高温度で氷の核を形成する INP によって制御されます。凝集体の形成は、定数 T_f を説明します 特定の懸濁液濃度に続く値と C₀ の傾向の欠如

これらの結果から、浸漬凍結モードによる収集された粒子の INPs としての役割が示されます。パタゴニアの大気中の粉塵は、西風のダイナミクスにより、内陸に効果的に堆積するのではなく、海洋水域に直接吹き飛ばされることを考慮すると (Gaiero et al., 2004)、私たちの研究で得られた結果は、パタゴニアの土壌が粉塵の発生源であると考えています。 、遠く離れた地域での降水の形成に影響を与える可能性があります。この研究は始まりにすぎません。冷たい雲が氷相を通して降水を形成する能力に対する鉱物粒子の影響に関する研究は、次の課題です。

これらの調査結果は、最近 Atmospheric Research に掲載された、パタゴニアの 1 つのサイトで収集された天然鉱物粒子の氷核を凍結する液浸としての役割というタイトルの記事で説明されています。この作業は、CONICET およびコルドバ国立大学の Dr. María Laura López、Laura Borgnino、Eldo Ávila によって実施されました。

参照

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• Gasso, S. et al. (2010):パタゴニア砂漠から東南極への現代の粉塵輸送を研究するための観測とモデリングの組み合わせアプローチ。アトモス。化学。物理。 10、8287-8303。
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• Vali, G. (1985):Nucleation Terminology、J. Aerosol S.、16 (6)、575-576.