简介：云和降水物理学、凝结核、气溶胶、与人工降水2

三、气溶胶

1.概念

气溶胶，是由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，又称气体分散体系。其分散相为固体或液体小质点，其大小为10-3cm～10-7cm，分散介质为气体。天空中的云、雾、尘埃，工业上和运输业上用的锅炉和各种发动机里未燃尽的燃料所形成的烟，采矿、采石场磨材和粮食加工时所形成的固体粉尘，人造的掩蔽烟幕和毒烟等都是气溶胶的具体实例。

气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。它们能作为水滴和冰晶的凝结核（见大气凝结核、大气冰核）、太阳辐射的吸 收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。雾、烟、霾、轻雾(霭)、微尘和烟雾等,都是天然的或人为的原因造成的大气气溶胶。

气溶胶按其来源可分为一次气溶胶（以微粒形式直接从发生源进入大气）和二次气溶胶（在大气中由一次污染物转化而生成）两种。它们可以来自被风扬起的细灰和微尘、海水溅沫蒸发而成的盐粒、火山爆发的散落物以及森林燃烧的烟尘等天然源，也可以来自化石和非化石燃料的燃烧、交通运输以及各种工业排放的烟尘等人为源。

一般说来,半径小于1微米的粒子，大都是由气体到微粒的成核、凝结、凝聚等过程所生成；而较大的粒子，则是由固体和液体的破裂等机械过程所形成。它们在结构上可以是均相的，也可以是多相的。已生成的气溶胶在大气中仍然有可能再参加大气的化学反应或物理过程。 液体气溶胶微粒一般呈球形，固体微粒则形状不规则，其半径一般为 10-3～102微米。粒径在10-1～101微米的气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等方面具有重要作用。

小粒径气溶胶的浓度受凝聚作用所限制，而大粒子的浓度则受沉降作用所限制。微粒在大气中沉降的过程中， 受的阻力和重力的作用达到平衡时， 各种粒子的沉降速度不同。


气溶胶的消除，主要靠大气的降水、小粒子间的碰并、凝聚、聚合和沉降过程。

2.特点

凡分散介质为气体的胶体物系成为气溶胶。它们的粒子大小约在 100~10000纳米之间，属于粗分散物系。气溶胶粒子是悬浮在大气中的多种固体微粒和液体微小颗粒，有的来源于自然界，如火山喷发的烟尘、被风吹起的土壤微粒、海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒、细菌、微生物、植物的抱子花粉、流星燃烧所产生的细小微粒和宇宙尘埃等：有的是由于人类活动，如煤、油及其他矿物燃料的燃烧物质，以及车辆产生的废气排放至空气中的大量烟粒等。当气溶胶的浓度达到足够高时

，将对人类健康造成威胁，尤其是对哮喘病人及其他有呼吸进疾病的 人群。空气中的气溶胶还能传播真菌和病毒，这可能会导致一些地区疾病的流行和爆发。

气溶胶粒子具有分布不均匀、变化尺度小、复杂性的特点，多集中于大气的底层，对云的凝结核、雨滴、冰晶形成，进而对降水的形成起重要作用。气溶胶甚至可以改变云的存在时间，能够在云的表面产生化学反应，决定降雨量的多少，影响大气成分。

气溶胶粒子能够从两方面影响天气和气候。一方面可以将太阳光反射到太空中，从而冷却大气，并会使大气的能见度变坏另一方面却能通过微粒散射、漫射和吸收一部分太阳辐射，减少地面长波辐射的外逸，使大气升温。

3.化学组成

气溶胶的化学组成十分复杂，它含有各种微量金属、无机氧化物、硫酸盐、硝酸盐和含氧有机化合物等。由于来源不同，形成过程也不同，故其成分不一，特别是城市大气受污染源的影响，气溶胶的成分变动较大。但是非城市大气气溶胶的成分比较稳定，大体上与地区的土壤成分有关。

大气中二氧化硫转化形成的硫酸盐，是气溶胶的主要成分之一。其转化过程尚未完全明白，已知二氧化硫可在均相条件下（在气相中），或在水滴、碳颗粒和有机物颗粒表面等多相条件下（在液相或固相表面上）转化成三氧化硫，再与水反应生成硫酸，并和金属氧化物的微尘反应而生成硫酸盐。硫是气溶胶内最重要的元素，其含量能反映污染物的全球性迁移、传输和分布的状况（大气微量气体）。

气溶胶中硝酸盐和有机物的形成机制，尚待研究。气溶胶中有铵离子(NH嬃)存在,能与硫酸根离子(SO娺)和硝酸根离子(NO婣)生成铵盐。至于气溶胶中的有机物,更是许多种类有机物的复杂混合物，其中包括稀烃、烷烃、芳烃、多环芳烃、醛、酮、酸、醌、酯，以及有机氮化物和有机硫化物等。

气溶胶来源于土壤的各种元素（如铕、钠、钾、钡、铷、镧、铈、硅、钐、钛、钍、铝等），其含量在地区之间差别不大；而来源于工业区的各种元素（如氯、钨、银、锰、镉、锌、锑、镍、砷、铬等），就有较大的地区差别。

气溶胶是大气中极其重要的组成部分，它不仅直接影响人类的健康，还能增加大气的化学反应，降低能见度，增加降水、成云和成雾的可能性，影响大气辐射收支，导致环境温度和植物生长速率的改变以及沾污材料。对气溶胶的研究，无论对于大气化学、云和降水物理学、大气光学、大气电学、大气辐射学、气候学、环境医学或者生态学等学科来说，都有重要意义

。但气溶胶化学组成的研究仅是开始，还有待于今后发展。

气溶胶在医学、环境科学、军事学方面都有很大的应用。在医学方面应用于治疗呼吸道疾病的粉尘型药的制备，因为粉尘型药粉更能够被呼吸道吸附而有利于疾病的治疗。环境科学方面比如用卫星检测火灾。在军事方面比如烟雾弹之类，还有可以制造气溶胶烟雾来防御激光武器。

4.应用

气溶胶在工业、农业、国防和其他方面都已得到广泛的应用，如加快燃烧速率和充分利用燃料。喷雾干燥可提高产品质量，已广泛用于医药工业与洗衣粉的生产。农业上，农药的喷洒可提高药效、降低药品的消耗；利用气溶胶进行人工降雨，可大大改善旱情。国防上，可用来制造信号弹和遮蔽烟幕。

工业城市上空的烟雾和工厂、矿井中的烟尘对人体健康危害极大(如硅肺)，还有破坏大自然的酸雨以及易引起爆炸的粉尘，都和气溶胶有关。

气溶胶的容器，内含有两种物质----有待喷射的液态物和保持压力的压缩气体。当揿下按钮时，阀门张开，压缩气体将喷嘴里的一些液态物压出。

5.气溶胶与全球变暖

研究称气溶胶对全球变暖的"冷却效应"很微弱。一位挪威科学家表示，他已经估测出了气溶胶到底能对气候产生多大影响。

散布在大气中的气溶胶微粒对太阳光具有反射效应，进而可以"遮蔽"全球变暖的影响。而这位挪威科学家的研究项目的目的是要综合运用反应这种"直接气溶胶效应"的各类模型和观测结果，以准确评估这一冷却效应的作用。

英国广播公司曾经报道，挪威国际气候和环境研究中心的气候科学家冈纳迈尔（Gunnar Myhre）在《科学》杂志上报告说，他的研究发现冷却效应并不像此前研究预测的那么强烈。迈尔说，这能清楚地表明到目前为止人类到底给气候带来了多大的改变。他研究的污染微粒包括硫酸盐等工业气溶胶、燃烧农业废弃物所排放的硝酸盐以及柴油发动机和其它燃烧形式所产生的黑碳（煤烟）。"气溶胶排放的全球模型显示，温室气体造成的全球变暖有大约10%被它们（气溶胶）的冷却效应消除了。" 参与该项研究的英国气象局气溶胶研究员吉姆海伍德（Jim Haywood）解释说，"但利用卫星手段探测到的大气气溶胶的含量却表明，冷却效应消除了大约20%（的全球变暖）。"

迈尔协调了两种方法，最终得到了一个更为精确的评估数据--冷却效应接近10%。这一结果比联合国政府间气候变化专家委员会(IPCC)此前所预测的要弱。"硫酸盐和有机碳反射太阳辐射，而黑碳在很大程度上却会吸收太阳辐射。"他解释说。"模型考虑

到了黑碳（排放）增幅多于其它两种气溶胶的情况。但基于观测的方法却难以将其考虑在内，因为我们只有针对当前状况的观测数据，而且不是在人类活动开始之前的。这将对以后的气候预测产生影响。" 海伍德说。

不过，气溶胶对气候的影响远不止于此。气溶胶微粒会改变云层，增加大气中液滴浓度，从而增加云量。迈尔说，这种"间接气溶胶效应"引起的遮蔽或者冷却作用仍然存在"很多不确定"。海伍德对此表示同意。"气溶胶对云量的影响让我们很伤脑筋，"他说，"这给我们的数据采集留下了一个大空白。"他和英国气象局的同事已经开始研究是否可以利用气溶胶来有意地遏制全球变暖。

在一项研究中，他通过气候模型来预测，利用海盐颗粒增加云层的反照率这种故意使云层变亮的手段将对全球气温产生什么样的影响。研究小组发现，全球变暖将被延缓多达25年，但他们同时发现，这种方法也会带来很多不利影响。研究人员说，其中最严重的后果就是，南美地区的降雨量将大幅减少，这很可能会加速亚马逊雨林的枯萎，给这一世界主要碳汇造成损失。"采用这种方法，你必须非常谨慎地选择云层。"海伍德说。迈尔指出，同温室气体相比，气溶胶对气候的影响最终将变得无足轻重。

"气溶胶的寿命很短，而温室气体的寿命却很长----二氧化碳可以存在100多年。"他说，"在将来，温室气体才是全球变暖真正的大问题。它们的影响将越来越重要。"

四、云和降水物理学

1.定义

云和降水物理学是研究云和降水的形成和发展过程的学科，又称“云物理学”。

潮湿空气在冷却过程中，当水汽达到饱和状态，并在大气凝结核或大气冰核上凝结时，形成云滴或冰晶，再经过一系列的物理过程，演变成降水物而降落。决定成云致雨的主要因素，是大气运动的热力过程和动力过程、水汽的含量以及云和降水的微结构特征。

2.历史

早在19世纪中叶，人们就已经逐步了解了湿空气块上升时，其凝结过程的热力学理论，这是云的宏观动力学的基础。1880～1881年，英国的爱根等提出了尘粒在水汽凝结而生成云滴过程中的作用，但直到20世纪20年代，才建立了云滴的凝结理论；1933年，瑞典气象学家伯杰龙从理论上研究了冰晶和水滴间的水分转移问题，提出了冷云降水机制。虽然当时已经提出暖云中水滴互相碰并而增长成雨滴的假设，但直到40年代末，才被雷达和飞机的观测所证实。

尽管有了这些成果，可是在40年代之前，云和降水物理学仍然附属于物理学和气象学。大量关于云和降水特征的观测资料，

都是在40年代以后获得的。40年代中期，人们开始对积云的结构和生消过程进行综合探测；1946年，朗绥尔和谢弗在过冷层状云中播撒干冰，成功地进行人工降水试验，促使云和降水物理学蓬勃发展起来；随后他们又对云的微物理过程和宏观的动力、热力特征，进行了细致的观测研究，到50年代中期，云和降水物理学才成为大气科学中的分支学科。

3.研究

云和降水物理学的内容主要包括云和降水微物理学和云动力学。云和降水微物理学主要研究组成云和降水的云滴、冰晶和雨、雪、霰、雹等降水粒子的生成、增长和转化等微观物理过程；云动力学主要研究云和云系整体的宏观特征，热力过程和动力过程及其演变的规律。

微观和宏观两个方面既有区别，又互相联系、互相影响。例如大气的热力过程和动力过程，决定了云和降水微物理过程的速率和持续的时间；而云和降水发展过程中所释放的潜热，以及云和降水粒子对气流的拖曳，又反过来影响空气的运动，即释放的潜热将增加云继续向上发展的能量，使气流的上升加剧，拖曳作用将促使气流下沉。

云和降水物理学的研究方法和手段主要有外场观测试验、室内实验、和理论研究三方面：

（1）外场观测试验是用飞机作为运载工具，携带各种探测仪器，飞至云中取样，探测云、雨粒子的浓度、相态变化、含水量，以及温度、上升气流等数据；使用雷达观测云中大粒子区的演变过程和云中的气流；配合卫星和常规气象装备，对云雨过程进行宏观的观测。通过分析研究观测的结果，可获得云和降水的宏观结构和微观结构及其演变的知识。

（2）室内实验是利用云室和风洞等装置，在精确控制的温度、压力、湿度、和风等条件下，对云和降水粒子的生成、增长等过程，进行模拟实验，将其结果同外场观测结果相互验证。

（3）理论研究是在室内实验和外场观测试验的基础上，应用数学和物理的基本规律，建立云和降水的理论模式，利用电子计算机计算，定量研究云和降水的过程。

4.与其它学科的关系

云和降水是在一定的天气形势条件下产生和发展的，大部分重要的天气现象，如雷暴、冰雹、龙卷以及暴雨、梅雨、台风、连阴雨等，都与云和降水有关，所以云和降水物理学与天气学有密切的关系；从另外的角度看，云和降水过程是地球大气的热量、水分和动量平衡的关键因素，它不仅影响到局地的和短期的天气过程，也影响到大气环流和全球气候的变化；此外，云和降水还会影响大气污染、大气雷电和电磁波的传播。因此，云和降水

物理学与气候学、动力气象学、大气物理学、大气探测、和大气化学等分支学科，以及应用技术都有密切的关系。

由于人工影响天气的主要途径是影响云和降水的微物理过程，因此云和降水物理学是人工影响天气的理论基础；反过来，人工影响天气试验的广泛开展，又大大地促进了云和降水物理学的发展，并丰富了它的内容。

随着仪器装备的革新、现代计算技术的应用、探测资料的积累和理论研究的不断深入，云和降水物理学无论在微物理学方面，还是在宏观动力学方面，都有不少进展。但由于云和降水的过程极其复杂，它包括了从尺度小于一微米的云核，直到尺度达千公里的云系之间的许多物理过程，因此，无论在探测和实验方面，还是在理论方面，都还待进一步的深入研究。

5.附录：其它大气科学的分支学科

大气科学、气候学、物候学、古气候学、年轮气候学、大气化学、动力气象学、大气物理学、大气边界层物理、云和降水物理学、云和降水微物理学、云动力学、雷达气象学、无线电气象学、大气辐射学、大气光学、大气电学、平流层大气物理学、大气声学、天气学、热带气象学、极地气象学、卫星气象学、生物气象学、农业气象学、森林气象学、医疗气象学、水文气象学、建筑气象学、航海气象学、航空气象学、军事气象学、空气污染气象学。