凝华核是能使水蒸气在其上(尤其是在没有大体积液相存在的情况下)
凝华为冰晶的固体
气溶胶粒子。
1911年,德国气象学家、地球物理学家
阿尔弗雷德·魏格纳(Alfred Lothar Wegener) 首次提出“升华”(sublimation)和“升华核”(sublimation nucleus)的气象学概念。魏格纳所说的“升华”和现在的气象学中的“凝华”是同一意思,同样地,他所说的“升华核”指的就是“凝华核”。“升华”和“升华核”在当时的气象学界得到了广泛使用,然而在物理学中,升华和凝华是完全相反的概念,所以“用升华表示凝华”这种做法也逐渐被气象学界抛弃,“升华核”这个名词也一样被抛弃了。如今,气象学界已经没有人使用“升华核”这个词了。
理论上,在大气层中,冰晶的形成有三种过程:异质冻结(heterogeneous freezing);自发冻结(spontaneous freezing),或叫均质冻结(homogeneous freezing);异质凝华(heterogeneous deposition)。冻结是指大气中的小水滴转变为冰晶的过程;凝华则是在零摄氏度以下时,大气中的水蒸气不形成液态水而直接转变为冰晶的过程。自发凝华(spontaneous deposition),或叫均质凝华(homogeneous deposition),指的是大气中的水蒸气不借助任何粒子帮助的情况下凝华成冰晶。自然条件下,自发凝华不会出现在大气层中。而异质凝华指的就是在有凝华核的情况下,大气中的水蒸气聚集在凝华核上形成冰晶。理论上,异质凝华是可以出现在大气中的,但是一直没有实验证据支持这个理论。
决定异质凝华能否出现的主要因素有两个:气溶胶粒子的大小和晶体结构。
开尔文效应(Kelvin effect)决定了这样一个事实:如果气溶胶粒子太小,那么粒子表面的
曲率就会很大,那么水蒸气很难在其上凝结或凝华。能够成为凝结核或凝华核的粒子的半径通常在 0.1 μm 以上。而且,粒子的形状也会影响其凝结或凝华能力——凹面比凸面更容易凝结或凝华,在凸面中,曲率越小越容易凝结或凝华。气溶胶粒子的化学结构是另一个重要因素:粒子的晶格结构和冰的晶格结构越相似,这种粒子就越有可能成为凝华核。水蒸气能够在凝华核上凝华,依靠的是凝华核与水分子之间的静电吸引力。当气溶胶粒子的晶格排布和冰晶足够相似时,水分子才能依附于该粒子表面而形成冰晶。由于化学结构的限制,气溶胶粒子成为凝华核要比成为凝结核难得多。尽管大气中存在很多不同种类的气溶胶粒子,却只有一小部分能成为凝华核。
由来源分类,凝华核可分为人造类和天然类两类:人造的有家庭生活和工业生产中排放的颗粒物,天然的包括森林大火产生的灰烬、火山爆发时喷出的硫酸盐颗粒、海浪击打海水产生的盐雾、风吹沙漠扬起的细小矿物颗粒等等。