文档介绍：人工影响天气
第四章云雾的形成
——核化理论
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成核作用
核化过程:形成云雾质粒的过程。
自发核化(同质核化):单一相态分子中没有其它物质存在时发生的核化过程。
对水而言,水汽以几个水分子集合体为中心聚集成液体(凝结)或固体(凝华),或者以过冷却水中的水分子集体为中心形成冰晶(冻结)。如把这些微小的水分子集合体看成核,则这种无异质核存在时的核化现象称为自发核化或同质核化。同质是指结成的核心不是异性物质,都是水分子的意思。上述三种过程的自发核化分别称为:同质凝结核化、同质凝华核化和同质冻结核化。
异质核化:有异质核存在时的核化现象。
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成核作用
异质核化:有异质核存在时的核化现象。
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同质凝结核化
1897年,Wilson令一个内含纯净无杂质的且相对湿度为100%的空气云匣发生膨胀,第一次发现在膨胀冷却到相对湿度达800%以上时,才出现自发凝结现象。
在这样大的相对湿度下,水汽分子才能克服由于温度和密度造成的微观起伏,自发地排列成团,形成微水滴。
同质凝结核化发生的相对湿度界限,称为阈湿。
结论:自然条件下不可能出现水汽同质核化凝结形成水滴。
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同质凝华核化
同质凝华核化比同质凝结核化困难得多,,×10-52/cm3s。
Ostwald等级规律(1902):一个水汽过饱和相并不直接转变为最稳态(冰),而是先转变为次稳态(或亚稳态),即过冷却水。
1940年Krastanow计算认为温度低于-65℃时,水的相变并不按上述规律,而却能直接转化为冰。
1963年Dufour和Defay指出:Krastanow的结果是错的,因为他所用的数据有误。
现在发现,至少在温度高于-100℃的范围内,自发凝华核化过程不会违反Ostwald的等级规律。
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同质冻结核化
计算表明,要产生同质冻结,过冷却水的温度至少要冷到-35℃左右。×10-3μm。而每个冰胚仅含195个水分子。此时冰胚产生率为5/cm3s,过冷却水温度愈低,冰胚产生率愈高。
中值冻结温度:由于水滴群同质冻结的起始温度存在随机性,常用“中值冻结温度”来表示水滴群的冻结温度。它指水滴群中有半数水滴已冻结时的温度。
①群滴尺度一定时,冷却率愈小,则中值冻结温度愈高;
②冷却率一定时,群滴的尺度愈大,则中值冻结温度愈高。
使一半过冷却水滴在1℃/h冷却率下自发冻结,水滴直径10cm时温度必须降到-30℃以下;水滴直径1微米时温度要降到-45℃。即不论冷却率如何,水滴群的中值冻结温度都在-30~-45℃之间。
因此在-40℃以上,自然云多为过冷却的。
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异质核化- 离子的凝结核化
水汽在带电离子上凝结的平衡饱和比S较不带电时小。
使当不带电时不可能发生凝结的饱和比状态下,由于有了电荷就能发生凝结现象。
r<,电荷的影响十分显著;
r>,曲率的影响显著;
r>,电荷的影响已可以忽略。
离子正负对饱和比的影响
与正离子相比,负粒子在较低过饱和度条件下就开始成核。原因在于,微水滴负氧端指向外,正H端向内,负离子表面分布有负电荷,正好和正H端相接,造成异号相吸的形势。这就使负离子上水汽凝结为水较为容易些。
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异质核化- 不溶性平表面上的凝结核化
主要与核的水湿性相关:
如在潮湿环境下的平石板、墙面,浴室的镜面、磁砖表面上发生的凝结现象。
结论:要产生相同的核化率,亲水性表面比憎水性表面容易。
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异质核化- 不溶性曲面上的凝结核化
主要与核的曲率相关:
1)凹表面比凸表面容易发生凝结核化;
2)单就凹、凸表面而言,曲率半径越小,平衡饱和比越大,凝结越困难。
存在的问题:
接触角的概念是宏观概念。当形成水胚时,只有少数水分子组成一个微观集体,是否能用宏观概念讨论这种微观现象,还有待研究。
理论将核表面过于理想化,实际核表面并不是十分光滑的。
将下垫面上之水胚视为直接由水汽在核表面上打击而形成,也可能是将问题简单化。事实上,水汽在到达下垫面上方薄层中后,往往还有扩散现象。下垫面的性质,肯定对水汽的这种扩散起到控制作用。
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异质核化- 可溶性核上的凝结
已知Kohler方程为
f为相对湿度。设温度为275K,m为饱和食盐溶液中溶质质量,则
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