2025年大學(xué)《大氣科學(xué)》專業(yè)題庫——大氣層中的冰凍結(jié)核活性研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述冰凍結(jié)核（INPs）的定義及其與冰核（IN）和冰晶（IC）濃度的區(qū)別。二、比較冷云滴生成法（CDG）和混合冰晶法（MIS）兩種測定冰凍結(jié)核活性的基本原理和主要優(yōu)缺點。三、列舉至少三種不同來源的冰凍結(jié)核，并簡述其可能的成冰機制或影響因素。四、描述至少兩個影響冰凍結(jié)核活性的重要物理因素和化學(xué)因素，并解釋其作用原理。五、論述冰凍結(jié)核活性對云的微物理過程（如冰晶形成、增長）和宏觀特性（如云的輻射特性）可能產(chǎn)生的影響。六、簡述當前冰凍結(jié)核活性研究中面臨的主要挑戰(zhàn)，例如在觀測、模擬或理解其氣候效應(yīng)方面存在的困難。七、提及至少三種用于冰凍結(jié)核活性研究的前沿技術(shù)或方法，并說明其在研究中的獨特優(yōu)勢。八、分析大氣中人為活動（如工業(yè)排放、農(nóng)業(yè)實踐）可能對冰凍結(jié)核的濃度或活性產(chǎn)生的影響及其潛在氣候意義。試卷答案一、冰凍結(jié)核（INPs）是指能夠非均勻地催化過冷水凝結(jié)成冰的微小顆粒物。冰核濃度（LN）是指單位體積空氣中能催化形成冰晶的顆粒物數(shù)量，而冰晶濃度（IN）是指單位體積空氣中由冰核或過冷水自發(fā)形成并增長的冰晶數(shù)量。在某些條件下（如低于-15°C），LN和IN可能數(shù)值相近，但在更低的溫度下，LN通常遠大于IN，因為大多數(shù)顆粒物在低溫下僅能催化冰晶形成，而不能直接啟動成冰過程。因此，INPs關(guān)注的是啟動成冰的“能力”，而LN和IN是衡量這種能力的宏觀指標。二、冷云滴生成法（CDG）的原理是將過冷水滴與已知濃度的INPs懸浮液混合，通過光學(xué)方法（如激光散射）計數(shù)生成的冰晶數(shù)量，從而計算IN活性。其優(yōu)點是相對直觀，可以直接觀測冰晶形成。缺點是可能受到背景冰晶的污染，對低溫要求較高（通常低于-15°C），且難以區(qū)分真實的INPs和背景冰晶?；旌媳Хǎ∕IS）的原理是將待測樣品與已知濃度的冰晶（通常由背景冰核產(chǎn)生）混合，通過測量混合后冰晶濃度的變化來推算INPs的活性。其優(yōu)點是對溫度范圍較寬（可達-40°C），背景冰晶的影響可以通過扣除得到，理論上可以用于測量LN。缺點是計算相對復(fù)雜，對冰晶計數(shù)和背景冰晶的準確定量要求高。三、不同來源的冰凍結(jié)核包括：1.火山灰：主要成分為二氧化硅，通常在較寬的溫度范圍內(nèi)具有活性，尤其是在中高成冰溫度區(qū)。其活性主要源于其粗糙表面和多孔結(jié)構(gòu)。2.生物成分：如細菌、真菌孢子、花粉等。這些顆粒物常具有特定的晶體結(jié)構(gòu)（如蛋白石），在低溫下（通常低于-15°C）表現(xiàn)出較高的活性，甚至包括一些極端低溫活性（ETI）顆粒。3.土壤和雪塵：來源于陸地表面的細小顆粒，成分復(fù)雜，可能包含無機鹽、有機物和礦物碎屑，其活性受成分和來源地環(huán)境的影響很大。成冰機制或影響因素可能涉及：顆粒物的化學(xué)成分（如特定礦物相、有機官能團）、表面形貌（粗糙度、孔隙率）、晶體結(jié)構(gòu)、以及環(huán)境條件（溫度、過冷度、水汽活度、接觸時間）。四、影響冰凍結(jié)核活性的物理因素包括：1.成冰溫度（T）：INA通常隨溫度降低而增強，但在不同溫度區(qū)間存在差異。例如，許多無機鹽INPs在-5°C至-15°C之間活性最高，而生物成分可能在更低的溫度下仍保持高活性。低溫活性（ETI）是指低于-30°C仍具有顯著INA的顆粒物。2.過冷度（ΔT）：指水滴溫度低于冰點的程度。在一定范圍內(nèi)，過冷度越大，冰晶形成的驅(qū)動力越強，可能有利于冰核活性的發(fā)揮，但過冷度過大可能導(dǎo)致溶液中某些物質(zhì)溶解度降低而影響活性?；瘜W(xué)因素包括：1.顆粒物化學(xué)成分：無機鹽（如NaCl,CaCl2,硅酸鹽）、有機物（如糖類、腐殖質(zhì)）、生物成分（蛋白質(zhì)、核酸）等具有不同的成冰機理和活性水平。2.環(huán)境溶液化學(xué)成分：水滴中溶解的離子濃度、pH值、有機酸等會改變水溶液的性質(zhì)，影響INPs與水之間的相互作用，進而改變其催化成冰的能力。例如，高pH值可能增強某些堿性無機鹽的活性。五、冰凍結(jié)核活性通過影響云的微物理過程進而改變云的特性：1.云的相態(tài)和冰晶形成：具有活性的INPs能夠觸發(fā)過冷水滴的凍結(jié)，產(chǎn)生冰晶。冰晶的生成速率直接影響云的冰水含量和冰相比例。在高活性區(qū)域，冰晶會迅速增長（如通過Bergeron-Findeisen過程），可能導(dǎo)致云層過冷度迅速降低并形成降水。2.降水形成：冰晶通過增長過程（如accretion/growth）不斷吸收周圍過冷水滴，最終可能形成冰雹或降雪。INPs的活性水平和分布影響冰晶的初始形成數(shù)量和增長速率，進而影響降水的類型（雨、雪、冰雹）和強度。3.云的輻射特性：冰晶具有與水滴不同的光學(xué)特性（如更高的反射率）。冰晶的生成量和空間分布影響云的反照率（Albedo）和壽命。例如，在冰水混合云中，INPs的活性增強導(dǎo)致冰晶增多，可能增加云的反射率，使其更易散逸，但也可能通過降水效率提高而延長云的壽命。六、冰凍結(jié)核活性研究中面臨的主要挑戰(zhàn)包括：1.觀測的局限性：INPs濃度極低（通常低于1個/cm3），且活性譜寬，現(xiàn)有觀測技術(shù)難以實現(xiàn)對INPs濃度、化學(xué)成分和活性的全面、高時空分辨率的觀測。尤其是在全球尺度上進行代表性觀測十分困難。2.成分與活性的關(guān)聯(lián)：大氣中INPs的化學(xué)成分極其復(fù)雜，且同一成分的顆粒物可能具有不同的活性。準確解析顆粒物的化學(xué)指紋與其冰核活性的定量關(guān)系（即“成分-活性關(guān)系”，C-A關(guān)系）仍然是一個重大挑戰(zhàn)。3.氣候效應(yīng)的量化與模擬：將INPs的觀測和活性信息有效融入全球和區(qū)域氣候模型仍是難點。模型對INPs的處理方式（如參數(shù)化方案）對模擬的云氣候和氣候敏感性具有顯著影響，但現(xiàn)有參數(shù)化方案往往存在較大不確定性，尤其是在模擬ETI的影響方面。4.人為影響的評估：評估人為活動排放的氣溶膠對大氣INPs濃度和活性的具體貢獻及其氣候反饋效應(yīng)，需要精細化的排放清單、觀測數(shù)據(jù)和模型模擬，難度較大。七、用于冰凍結(jié)核活性研究的前沿技術(shù)或方法包括：1.單顆粒分析技術(shù)：如單顆粒飛行時間質(zhì)譜儀（SP-AMS）、單顆粒激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜儀（SP-LDI-FTIMS）等。這些技術(shù)可以對單個顆粒物進行成分分析，并結(jié)合冰核活性測試（如在單顆粒水平上進行冷凝增長實驗），旨在揭示“成分-活性關(guān)系”。2.超高分辨率成像技術(shù)：如掃描電子顯微鏡（SEM）結(jié)合能量色散X射線光譜（EDS）或環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）。通過成像可以觀察顆粒物的形貌、表面結(jié)構(gòu)，并結(jié)合成分信息，探索形貌和成分與活性的關(guān)系。3.原位測量技術(shù)：開發(fā)能夠在大氣中進行實時、原位測量冰核活性的儀器，以獲取更接近真實大氣狀況的INPs濃度和活性數(shù)據(jù)，彌補實驗室研究和地面固定觀測的不足。例如，基于冷凝增長或光散射原理的原位儀。八、大氣中人為活動可能通過多種途徑影響冰凍結(jié)核的濃度或活性：1.直接排放：工業(yè)排放（如硫酸鹽、硝酸鹽氣溶膠）、發(fā)電廠排放（如飛灰）、農(nóng)業(yè)活動（如氨氣排放、生物氣溶膠排放）等直接向大氣中注入大量潛在的INPs。例如，硫酸鹽和硝酸鹽顆粒物在特定條件下可能具有IN活性，而生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的飛灰也常是有效的INPs。2.改變背景化學(xué)環(huán)境：人為活動排放的氣體（如SO?,NOx,NH?,VOCs）在大氣中轉(zhuǎn)化形成酸性或堿性的溶液，改變大氣氣溶膠的化學(xué)成分和pH值。這會顯著影響自然來源INPs（如土壤塵、海鹽粒）的活性，也可能影響人為源INPs的活性。例如，酸性環(huán)境可能抑制某些堿性無機鹽的活性，而堿性環(huán)境可能增強其活性。3.氣候反饋效應(yīng)：人為活動導(dǎo)致的氣候變化（如全球變暖、區(qū)域濕度的