氷の結晶が私たちの環境と気候についてどのように教えてくれるか

ふわふわとした柔らかい雲が地平線に現れると、誰もが携帯電話を手に取ってその瞬間を記録しずにはいられません。空が暗い雲に覆われると、暴風雨が近づいていることがわかります。私たちは子供の頃からの経験から、雨は雲から降ると知っていますが、雲の中の何が雨に変わるのか正確に知っていますか?

霧の粒の蓄積と光の透過により暗い雲が形成される

(画像出典: Wikipedia)

雲は、空気中に浮遊する多数の小さな水滴と氷の結晶の集まりです。雲は水でできていますが、表面張力により水滴は大きくなりにくく、そのため雲から落ちにくくなります。より大きな水滴であっても、雲から落ちた後はすぐに蒸発して水蒸気になり、再び雲に戻ります。水滴と比較すると、氷の結晶は雲から逃げ出し、地面に落ちて降水を形成する可能性が高くなります。したがって、氷結晶の形成は降水にとって非常に重要です。

氷の結晶はどのように形成されるのでしょうか?氷の結晶は見た目は美しいものばかりですが、内部ではどのような反応が起こっているのでしょうか。

1. 美しい氷の結晶はどのようにして形成されるのでしょうか?

肉眼で観察するのは難しいかもしれませんが、顕微鏡で見る氷の結晶は実に繊細で美しいものです。一般的に、氷の結晶の形成は 2 つの方法に分けられます。1 つは、水滴または雲滴が直接氷の結晶を形成する方法です。もう 1 つは、水蒸気または過冷却水滴が粒子状物質の作用により凝縮または凍結して氷の結晶を形成するというものです。氷結晶の形成を引き起こす主な物質は氷核粒子です。

大気中の氷結晶

(画像出典: snowcrystals)

一般的に言えば、最初の経路では温度が摂氏マイナス 38 度未満である必要がありますが、実際の大気条件下ではこれを達成するのは困難です。したがって、氷結晶は一般的に 2 番目の経路、つまり氷核粒子の助けを借りて形成されます。

どのような粒子が氷核として機能できるのでしょうか?実際、空気中に浮遊する塵やバクテリア、さらには花粉もすべて、非常に強い氷核形成活性を持つ氷核粒子です。ここで言う塵とは、主に鉱物粒子のことを指し、大気中で最も重要な氷核粒子の一つと考えられています。

2. 鉱物粒子と不均一反応

乾燥地域および半乾燥地域から大気中に放出される鉱物粒子状物質は、大気汚染、人間の健康、気候変動に重大な影響を及ぼします。鉱物粒子が大気中に浮遊すると、表面積が大きいため、大気中の汚染物質を容易に吸収し、反応してしまいます。粒子の表面でのガスの反応過程を不均一反応と呼びます。

現在の研究では、鉱物粒子状物質と二酸化窒素の不均一反応が窒素酸化物の除去とオゾンおよび硝酸塩の形成に重要な役割を果たし、空気の質に大きな影響を与えることがわかっています。しかし、NO2 の不均一反応が鉱物粒子の氷核形成活性にどのような影響を与えるかはまだわかっていません。

砂嵐：鉱物粒子によって引き起こされる深刻な大気汚染現象

(画像出典: Wikipedia)

この疑問を調査するために、私たちは大気粒子の氷核形成活性を測定する方法（広州地球化学研究所氷核形成装置、GIGINA）を開発し、この方法を適用して、NO2の不均一相応答が鉱物粒子の氷核形成活性に与える影響を調査しました。

私たちが選んだ鉱物粒子は、カリ長石とアリゾナダストです。カリウム長石は現在、強い氷核形成活性を持つ鉱物粒子であると考えられており、アリゾナダストは天然ダスト粒子の代替品です。粒度分布、鉱物組成が知られており、入手方法も簡単なため、国際的に広く使用されています。

二酸化窒素の不均一相応答が鉱物粒子の氷核形成活性に与える影響

（画像出典：著者自作）

NO2 の不均一反応により、長石とアリゾナの塵の氷核形成活動が大幅に減少することがわかりました。具体的には、反応時間0～6時間の間に、不均一反応により長石粒子の表面に生成された硝酸塩含有量は、反応時間の増加とともに徐々に増加しました。同時に、長石の氷核形成活性は反応時間の増加とともに徐々に減少しました。しかし、反応時間をさらに 24 時間に延長しても、長石の硝酸塩含有量と氷核形成活性には大きな変化はありませんでした。

アリゾナ州の粉塵については、0～24 時間の反応期間中、アリゾナ州の粉塵の硝酸塩含有量は反応時間の増加とともに徐々に増加することがわかりました。同時に、氷核形成活動も徐々に減少しました。さらに、二酸化窒素の異方性応答は、長石とアリゾナの塵埃に与える影響に大きな違いがあることがわかりました。

3. 鉱物粒子の氷核形成活動に影響を与えるのは誰ですか?

二酸化窒素の不均一反応は、これら 2 つの鉱物粒子の氷核形成活動をどのように低下​​させるのでしょうか?この質問に答えるには、鉱物粒子がどのような特殊な性質によって強い氷核形成活性を持つのかを理解する必要があります。

現在の研究では、鉱物粒子の表面形態、格子構造、表面官能基などの表面特性が、粒子の氷核形成活性と密接に関係していることが明らかになっています。例えば、『サイエンス』誌に掲載された研究では、氷の結晶は鉱物粒子の表面の欠陥や亀裂に形成されることが多いことがわかった。

鉱物粒子の氷形成メカニズムに関する知識が不足しているため、不均一反応が鉱物粒子の氷核形成活性を低下させる理由について正確に答えることはできません。しかし、ここではそれを説明するために次のメカニズムを提案します。不均一反応中に、二酸化窒素は鉱物粒子の表面と反応し、鉱物粒子の格子構造内のカリウム、ナトリウム、アルミニウムを置き換え、それによって鉱物粒子の格子構造を変え、氷核形成活性を低下させます。一方、不均一反応は粒子表面のヒドロキシル官能基を変化させ、それによって粒子の表面特性に影響を与え、さらに氷核形成活性を低下させます。

現在まで、科学者は大気中の氷結晶形成の微視的物理プロセスとその影響要因について完全には答えられていませんが、これらの問題を継続的に調査することは、大気中の粒子状物質の環境および気候への影響を将来的に理解する上で重要な役割を果たすでしょう。

制作：中国科学普及協会

制作者: 陳蘭、夏迪、唐明金 (中国科学院広州地質化学研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会