Небольшая подгруппа населения атмосферных аэрозолей обладает способностью индуцировать ледообразование в условиях под которыми лед не формировался бы без них (неоднородное зарождение льда). Хотя закрытого теоретического описания этого процесса и требований к хорошим ледяным ядрам не существует.Типичные области температурного перенасыщения могут быть определены для "наступления" ледяного ядра этих различных типов частиц.
При сопоставлении данных, полученных только при одинаковых условиях, обнаруживается что минералогия пыли не является последовательным предсказателем более высокого уровня или более низкой способности к зарождению льда. Тем не менее, подавляющее большинство исследований согласны с тем, что сокращение ядер выпадения осадков различными покрытиями на минеральной пыли. Плотность активного участка поверхности зарождения льда (INAS) рассматривается как простая величина, эмпирическая нормализованная мера активности зарождения льда. Для большинства измерений при погружении и замораживании конденсата в воду минеральной пыли, оценки температурно-зависимых INAS плотность совпадает примерно в пределах двух порядков величины. Для осаждения ядра на пыль, распространение значительно больше,но наблюдается общая тенденция к увеличению плотности INAS с увеличением пересыщения.
Кристаллы льда в атмосфере оказывают важное влияние на радиационный перенос, образование осадков, микрофизические и оптические свойства облаков. Поэтому их образование изучалось как в полевых условиях, так и под контролем в лабораторных экспериментах на протяжении многих лет. Известно, что капли воды попадают внутрь атмосферы и не замерзают мгновенно при температуре 0 ◦C. Их замораживание может быть вызвано либо аэрозольными частицами, действующими как так называемые ледяные ядра (IN), либо происходит однородно (без IN) примерно на -38 ◦C. Цель многих лабораторных исследований состояла и состоит в том, чтобы оценить способность отдельных аэрозольных частиц к ледяному зарождению специфический состав. При более ранних параметризациях неоднородного зарождения льда не включали никаких зависимостей от аэрозолей, результаты таких экспериментов и их геометрических описаний являются в настоящее время часто используемыми в атмосферных моделях различного масштаба, от моделей разрешения облаков до глобального климата.
1. Начальные условия для гетерогенного зарождения льда
Температура (T ) и коэффициент насыщения по отношению к льду (Si) являются основными факторами окружающей среды, определяющими зарождение льда. Лабораторные эксперименты по зарождению ледяного покрова направлены на определение аэрозольно-специфических свойств зарождения льда в контролируемых условиях окружающей среды. Первые результаты часто указывались как "начальные" температуры и коэффициенты насыщения, т.е. самые высокие температуры и самые низкие коэффициенты насыщения, для которых характерно образование льда. Это "начало" или соответствует границе обнаружения до выбранной активной фракции.
Как в экспериментах, так и в атмосфере, аэрозоли могут испытать на себе различные траектории в T-Si . Большинство посылок воздуха поднимаются из поверхностного насыщение достигает насыщения водой при температурах выше -40°C ,но часто подвергаются колебаниям, прежде чем попасть в верхнюю тропосферу с температурой ниже -40 °C19. Выше Si = 1 лед является стабильной фазой. Жидкость с переохлаждением находится в равновесии с паровой фазой.Капли находятся в термодинамическом равновесии при более низких относительных значениях влажности по отношению к воде в зависимости от активности воды в растворах. При температурах ниже -38 °C ◦C,вода и капли раствора замораживаются однородно. Скорость гомогенного зарождения растворителей может быть сформулирована как функция активности воды.
2. Типичное начало зарождения льда в атмосфере
Условия начала зарождения ледяного ядра, измеренные для различных условий, аэрозольные частицы можно сравнить с типичными ледяными образованиями на площадках в атмосферу. Для облаков смешанной фазы, несколько локальных облаков и дистанционного зондирования, которые позволяют количественно определить типичные температуры перехода от воды к льду. Эти указывают на то, что, в зависимости от места измерения, больше чем половина облаков при температуре ниже -15 до -20 ◦C содержат лед, а при более высоких температурах облака чаще всего чисто жидким (в пределах границ обнаружения прибора). Эти температуры перехода совпадают с начальными температурами погружного замораживания некоторых видов минеральной пыли и биологических частиц. Если посев с верхних уровней может происходить исключая случаи, по которым проводилось расследование, можно сделать вывод, что такие частицы должны присутствовать в атмосфере для объяснения наблюдаемого распределения фазы облака. Этот вывод заключается в подкрепленном переходе от жидкости к льду на более высокий уровень температуры для пыльных условий.
Для циркулевых облаков частота повторяемости ледяного насыщения дает некоторые указания на наличие IN. И то и другое в воздухе и в циркулевых облаках, коэффициенты насыщения льдом до примерно 130 % - не редкость, что позволяет предположить, что частицы, зарождающиеся во льду при более низких коэффициентах насыщения (например, крупные частицы, например минеральная пыль или специфические кристаллические органические кислоты) не являются вездесущими в верхней тропосфере. Однако, так как пересыщенность может сохраняться в присутствии кристаллов из-за продолжительного воздействия на них охлаждения или подавление роста.
3. Основные группы релевантных с точки зрения атмосферы IN
IN обычно представляют собой твердые, нерастворимые в воде частицы. Кристаллографическая структура поверхностей оказывает некоторое влияние на их способность к зарождению льда . Кроме того, так называемые активные сайты, т.е. локализованные топографические особенности, такие как трещины или химические примеси, могут определять поведение ледяного ядра частицы.Однако, до сих пор, предсказания способности материала к зарождению льда, основанной на его химическом составе или физические свойства невозможны.