[发明专利]浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置和检测方法

说明书

本发明公布了一种浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置及方法，包括分液器、液滴冷热台、样品间隔槽、疏水性载玻片、温度控制模块、温度记录模块、图片采集模块和数据处理模块；用分液器移取待测定溶液；将液滴置于疏水性载玻片上并置于样品间隔槽内；样品间隔槽为圆形；调整样品间隔槽的高度；通过图片采集模块收集图片；通过温度控制模块和温度记录模块控制和记录冷热台降温过程中的温度变化；将图片和温度输入到数据处理模块中进行处理，获得大气中的冰核浓度和成冰活性。本发明操作简单、成本低廉，可解决检测过程中液滴损失问题，使液滴温度稳定，光源稳定，提高检测的稳定性和精确性。

技术领域

本发明属于大气物理测量技术领域，涉及云内冰核测量技术，尤其涉及一种在浸润模式下的大气冰核浓度及成冰活性检测装置和测定方法。

背景技术

大气冰核是指大气中可以引起水汽蒸发产生凝华或过冷水滴产生冻结而形成冰晶的气溶胶粒子。人为或自然过程排放的颗粒物可以作为冰核，从而影响混合云和高云中冰晶形成的数量和尺寸，进一步影响云的微物理过程和存在形态、寿命，最终对全球辐射有着至关重要的影响。因此，测定大气中冰核的浓度不仅可以加深对云物理过程的理解，更可以为研究气溶胶的间接气候效应提供依据。

云内冰晶的形成主要通过两种途径，均质成核和非均质成核。均质成核主要是纯液滴在低温下(低于-40℃)和过饱和度极高的情况下冻结形成冰晶，而非均质成核是指在有冰核参与的情况下形成冰晶，分为凝华成核(deposition mode)、浸润成核(immersionfreezing)、凝结冻结(condensation freezing)、接触冻结(contact freezing)4种，所需温度较高、饱和度较低。在混合云中，浸润成核被认为是主导的冰晶形成方式。

目前，对冰核的测量按照不同的成冰模式和侧重点，主要分为在线测量和离线测量两种主要方法，常用的方法包括:滤膜法、云室法、液滴冷台实验法等多种分析方法。在线技术主要是各种云室，但这些云室的造价偏高，主要集中于凝华核化和凝结核化模式下的测量，且不能观察在连续降温条件下颗粒物的核化效果。而液滴冷台实验技术以其原理简单、操作便捷的优点，成为了浸润核模式下，测量各类型冰核成冰活性的常用分析手段。主要是将含有浸润核的液滴放置在冷热台上，然后通过控制冷热台的温度使液滴在低温下冻结，记录并比较不同类型冰核冻结的温度，从而判断其成冰活性的强弱。

通过近年来的发展，无论是在实验装置设计还是数据采集方面，液滴冷台实验技术也得到了一些改进。但冷热台装置和方法仍然存在以下不足：

(一)冷冻过程中液滴之间的相互影响和蒸发，Wegener-Bergeron-Findeisen过程(即已冻结液滴通过水汽传质过程，消耗其余的过冷液滴实现自我增长)。之前的研究者采用给液滴覆油膜的方式，但对于某些具有疏水性质的冰核来说，所含的疏水性物质可能会分散到油相中，增加了测量的不确定性从而导致测量偏差。

(二)实现过程中，一次性能够测定的液滴数量太少，当计算每个温度下冻结液滴占总液滴的比例时，单个液滴可以引入的不确定性很大，从而使相应冻结温度的下冰核的浓度估算不准确。

(三)缺乏规范的间隔槽的制作流程和其他材料制备的间隔槽的差异性对比；

(四)缺乏同时记录温度和图片的模块，缺乏判断每个温度下结冰液滴占总液滴比例的计算模块。

(五)液滴与疏水性载玻片的接触角会影响液滴与冷热台之间的接触面积，从而影响二者之间的传热效率。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种在浸润模式下的大气冰核浓度及成冰活性检测装置和检测方法，可对冰核进行离线测定，从而解决大气中冰核浓度的测量问题。本发明能够解决检测过程中液滴损失的问题，使得液滴冷冻温度稳定，检测光源稳定，提高了检测的稳定性和精确性；同时本发明操作简单、成本低廉。