[發(fā)明專利]浸潤核模式下的冰核濃度及成冰活性檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710821282.5
• 申請(qǐng)日: 2017-09-13
• 公開（公告）號(hào): CN107478653B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳志軍;陳潔
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/84
• 分類號(hào): G01N21/84
• 代理公司: 北京萬象新悅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 黃鳳茹

本發(fā)明公布了一種浸潤核模式下的冰核濃度及成冰活性檢測(cè)裝置及方法，包括分液器、液滴冷熱臺(tái)、樣品間隔槽、疏水性載玻片、溫度控制模塊、溫度記錄模塊、圖片采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；用分液器移取待測(cè)定溶液；將液滴置于疏水性載玻片上并置于樣品間隔槽內(nèi)；樣品間隔槽為圓形；調(diào)整樣品間隔槽的高度；通過圖片采集模塊收集圖片；通過溫度控制模塊和溫度記錄模塊控制和記錄冷熱臺(tái)降溫過程中的溫度變化；將圖片和溫度輸入到數(shù)據(jù)處理模塊中進(jìn)行處理，獲得大氣中的冰核濃度和成冰活性。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單、成本低廉，可解決檢測(cè)過程中液滴損失問題，使液滴溫度穩(wěn)定，光源穩(wěn)定，提高檢測(cè)的穩(wěn)定性和精確性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于大氣物理測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及云內(nèi)冰核測(cè)量技術(shù)，尤其涉及一種在浸潤模式下的大氣冰核濃度及成冰活性檢測(cè)裝置和測(cè)定方法。

背景技術(shù)

大氣冰核是指大氣中可以引起水汽蒸發(fā)產(chǎn)生凝華或過冷水滴產(chǎn)生凍結(jié)而形成冰晶的氣溶膠粒子。人為或自然過程排放的顆粒物可以作為冰核，從而影響混合云和高云中冰晶形成的數(shù)量和尺寸，進(jìn)一步影響云的微物理過程和存在形態(tài)、壽命，最終對(duì)全球輻射有著至關(guān)重要的影響。因此，測(cè)定大氣中冰核的濃度不僅可以加深對(duì)云物理過程的理解，更可以為研究氣溶膠的間接氣候效應(yīng)提供依據(jù)。

云內(nèi)冰晶的形成主要通過兩種途徑，均質(zhì)成核和非均質(zhì)成核。均質(zhì)成核主要是純液滴在低溫下(低于-40℃)和過飽和度極高的情況下凍結(jié)形成冰晶，而非均質(zhì)成核是指在有冰核參與的情況下形成冰晶，分為凝華成核(deposition?mode)、浸潤成核(immersionfreezing)、凝結(jié)凍結(jié)(condensation?freezing)、接觸凍結(jié)(contact?freezing)4種，所需溫度較高、飽和度較低。在混合云中，浸潤成核被認(rèn)為是主導(dǎo)的冰晶形成方式。

目前，對(duì)冰核的測(cè)量按照不同的成冰模式和側(cè)重點(diǎn)，主要分為在線測(cè)量和離線測(cè)量?jī)煞N主要方法，常用的方法包括:濾膜法、云室法、液滴冷臺(tái)實(shí)驗(yàn)法等多種分析方法。在線技術(shù)主要是各種云室，但這些云室的造價(jià)偏高，主要集中于凝華核化和凝結(jié)核化模式下的測(cè)量，且不能觀察在連續(xù)降溫條件下顆粒物的核化效果。而液滴冷臺(tái)實(shí)驗(yàn)技術(shù)以其原理簡(jiǎn)單、操作便捷的優(yōu)點(diǎn)，成為了浸潤核模式下，測(cè)量各類型冰核成冰活性的常用分析手段。主要是將含有浸潤核的液滴放置在冷熱臺(tái)上，然后通過控制冷熱臺(tái)的溫度使液滴在低溫下凍結(jié)，記錄并比較不同類型冰核凍結(jié)的溫度，從而判斷其成冰活性的強(qiáng)弱。

通過近年來的發(fā)展，無論是在實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)還是數(shù)據(jù)采集方面，液滴冷臺(tái)實(shí)驗(yàn)技術(shù)也得到了一些改進(jìn)。但冷熱臺(tái)裝置和方法仍然存在以下不足：

(一)冷凍過程中液滴之間的相互影響和蒸發(fā)，Wegener-Bergeron-Findeisen過程(即已凍結(jié)液滴通過水汽傳質(zhì)過程，消耗其余的過冷液滴實(shí)現(xiàn)自我增長(zhǎng))。之前的研究者采用給液滴覆油膜的方式，但對(duì)于某些具有疏水性質(zhì)的冰核來說，所含的疏水性物質(zhì)可能會(huì)分散到油相中，增加了測(cè)量的不確定性從而導(dǎo)致測(cè)量偏差。

(二)實(shí)現(xiàn)過程中，一次性能夠測(cè)定的液滴數(shù)量太少，當(dāng)計(jì)算每個(gè)溫度下凍結(jié)液滴占總液滴的比例時(shí)，單個(gè)液滴可以引入的不確定性很大，從而使相應(yīng)凍結(jié)溫度的下冰核的濃度估算不準(zhǔn)確。

(三)缺乏規(guī)范的間隔槽的制作流程和其他材料制備的間隔槽的差異性對(duì)比；

(四)缺乏同時(shí)記錄溫度和圖片的模塊，缺乏判斷每個(gè)溫度下結(jié)冰液滴占總液滴比例的計(jì)算模塊。

(五)液滴與疏水性載玻片的接觸角會(huì)影響液滴與冷熱臺(tái)之間的接觸面積，從而影響二者之間的傳熱效率。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種在浸潤模式下的大氣冰核濃度及成冰活性檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法，可對(duì)冰核進(jìn)行離線測(cè)定，從而解決大氣中冰核濃度的測(cè)量問題。本發(fā)明能夠解決檢測(cè)過程中液滴損失的問題，使得液滴冷凍溫度穩(wěn)定，檢測(cè)光源穩(wěn)定，提高了檢測(cè)的穩(wěn)定性和精確性；同時(shí)本發(fā)明操作簡(jiǎn)單、成本低廉。