Ch3 雲粒子的生成 一般基本概念： 1. 由純水汽凝結成水粒子，相對溼度須高度過飽和 (數個100%)。 273K 430% 2. 水粒子在純水汽環境中生成，須高度過飽和，此過程稱為〝同質成核〞(homogenous nucleation)。 3. 實際上，大氣中包含許多親水性微粒(稱為：凝結核(condensation nuclei)，而以此微粒為中心凝結成雲(水)粒子，此過程稱為〝異質成核〞(heterogeneous nucleation)。 ∴成核作用(水汽集結成水的作用) 同質成核 異質成核 4. 在雲中(外)，常具有足夠的凝結核存在，使水汽凝結，因此其過飽合度通常不會超過1% (S<1.01) ∴只有在實驗室才會發生
. 雲內粒子相對大小, 數目及終端速度之示意圖 (McDonald 1958) Conventional borderline between cloud drops and raindrops R=100 V=70 Large cloud drop R=50 N=103 V=27 . Typical condensation nucleus R=0.1 N=106 V=0.0001 Typical cloud drop R=10 N=106 V=1 R- radius in microns N- number per liter V- terminal velocity in cm/s Typical raindrop R=1000 N=1 V=650
phase change sublimation melting evaporation 冰 水 水汽 freezing condensation deposition Evaporation (蒸發) Condensation (凝結) Melting (溶解) Freezing (結凍) Sublimation (昇華) Deposition (凝華)
冰的結構 水分子結構 OH 鍵的長度~0.95718 x 10-8 公分
表面層之示意圖 (王 1995) 界面 表面層 密度 水汽 液態水 距離
Kelvin’s equation (曲率效應) es(∞) vs es( r ) 平的 Bulk water 平面水es(∞) 有曲率的水滴表面之飽和水汽壓es(r) r : 水滴半徑 r Kelvin’s equation (曲率效應) ∴ r ，es(r) 粒子越小，要達到飽和水汽壓越難。
表面張力：單位面積擴展液體表面所需之功 (等溫下) dS dA r 水的σ：7.5×10-2 N/m 純水粒子時 水粒子長大 水粒子蒸發變小 此時r=rc:水滴臨界大小(半徑) (critical size) 時，即水粒子長大 時，即水粒子變小
接觸角(Contact Angle)之示意圖 用來判斷懸浮微粒(or材質)是親水性或恐水性 Θ=0o，此平面材質對水而言，是百分之百可濕 (wettable) Θ=180o，此平面材質對水而言，是百分之百不可濕 (non-wettable) 目前所找到的最大的Θ=100o的材質是鐵氟隆 (Teflon) Θ角低的材質，稱為親水性 (Hydrophilic) 例如：鹽巴 Θ角高的材質，稱為恐水性 (Hydrophobic) 可濕係數 (wetting coefficient) m=cosΘ
凝結核 (溶質) 帶有凝結核的水粒子時 水 (溶劑) 對一個水溶液之飽和(平衡)水汽壓 (Raoult’s Law) 溶液 ‧‧‧
(Solution effect 溶液效應) 設溶質重M，分子量為ms mole數：6.022137×1023 亞佛加厥數 (Arogadro’s number) 離子個數 (如：NaCl溶解後： ) 設水溶量m，分子量為mv mole數 水粒子 r 水的密度 ‧‧‧ (Solution effect 溶液效應) ∴有溶質存在時，會明顯降低溶液的飽和水汽壓
結合曲率效應 & 溶液效應 將 式代入Kelvin’s eq. ‧‧‧ 與溫度有關 對 r not too small 代入
曲率效應 增加飽和水汽壓 溶液效應 減少飽和水汽壓 平衡 (飽和) S Kohler curve (科勒曲線) p.s.參考 下一頁 r
Equilibrium saturation ratio of a solution droplet formed on an ammonium sulfate (硫酸銨) condensation nucleus of mass 10-16 g Curvature term 穩定平衡 不穩定平衡 Solution term