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含AgI焰剂成冰特性的实验研究

苏正军  
【摘要】: 开展催化剂的成冰核率和成冰核化特性的实验研究,是科学认识和指导人工影响天气外场实验和作业的基础。本文对目前我国使用的AgI催化剂进行实验研究,对CAMS1m~3等温云室实验参数进行检测,探讨了利用该云室开展人工冰核静态检测方法和程序,开展了AgI配方成冰核率检测及对比,进行焰剂成冰阈温测定,分析了焰剂粒子谱特征和化学组成,借用化学动力法研究了成冰速率,讨论了冰核微物理特性。论文主要研究内容和结论包括: (1)CAMS1m~3等温云室是中国气象科学研究院新建实验装备,将发展成为我国人工冰核检测的标准设备。探索了CAMS1m~3等温云室的实验性能及开展检测的具体方法和步骤。参数测定和实验结果表明,该云室的温度等实验特性明显优于国内外同类云室,利用该云室进行催化剂成冰核率的静态检测是可行的,其结果是科学的、可重复的,具有可比较性的。规范并建立检测的实验方法和程序。 (2)利用1m~3等温云室进行AgI焰剂成冰核率的静态检测。结果发现,不同配方成冰核率随温度变化特征不相同,并尝试分析了焰剂配方组分与成冰核率的关系。发现添加CuI成分使焰剂成冰核率在较高温度增加,更利于催化较暖的云;添加Mg、Al、CuCl_2成分改善焰剂燃烧特性后,会使催化剂的成冰效率发生改变。焰剂组分相同,含量变化亦会使成冰效率不同。与俄罗斯节银剂配方相比,我国AgI焰剂成冰核率已经达到其水平。 (3)研制人工冰核气溶胶静电沉降取样器(ASS1)。研究了焰剂的颗粒尺度分布和形态学特征,以及主要成分和形态结构特点。实验结果表明,不同配方焰剂燃烧产生的颗粒谱分布特征有明显差异,所取的5种焰剂的颗粒平均谱分布,其直径在0.02~0.50μm之间的粒子数占98.96%,即产生粒子绝大部分都可直接参与云内成冰核化过程,但其谱宽、峰值直径,分布特征都不相同。透射电镜结果表明焰剂颗粒的主要组成是KCl,有一定晶体结构,其表面附着AgI小颗粒,该结构特征可能更有利于焰剂颗粒的成冰核化。利用CAMS1m~3等温冷云室对焰剂阈温对比实验表明,7种样品的成冰阈温在-3.5~-4.4℃范围内,不同焰剂配方的阈温不同,最大相差1℃。焰剂成冰核化速率主要由颗粒的大小(均立方根直径)决定,同时受到谱宽、主峰位置等分布特征量影响,改进配方时应综合考虑以上因素。同时,由于在高于-4.4℃时,颗粒接触过冷水滴缺失活性,即含AgI焰剂不适于云中较暖区的催化。 (4)利用检测实验冰晶活化的时间特征等资料开展冰核的核化速率研究。对于同一样品,相同实验条件下,不同温度动态图特征明显不同,即温度是冰核成冰机制的主要决定因素。对应低于-16℃,形成冰晶对应快过程,主要表现凝结核化、凝华核化;而对于较高温度(≥-12℃)时形成冰晶主要是慢过程(接触核化、浸入核化机制)在起作用。实验结果表明,不同样品的核化速率是不同的,同一样品在不同温度时亦表现不同的核化速率特征。 (5)开展冰晶增长的物理特性研究。不同温度时,不同焰剂配方在一定条件下(如水面欠饱和冰面过饱和)凝华核化特性的研究,单冰晶增长过程研究等。实验表明,冰核如果只凭凝华增长机制,其活化长大的冰晶形状较普通检测更加简单,且形成的冰晶多为平板状,有薄、透明、晶形明显的特点。形成冰晶的速率减慢,冰晶尺度较小,相应成冰核率也会减小。单冰晶增长实验可以看出,枝状冰晶增长明显比板状要快很多,冰晶增长特性与温度和形状关系密切,二者比较,形状对冰晶增长速率的起决定作用。受到环境因素影响,冰晶增长是非各方向均匀发展的,会有一定取向特点,增长表现轴对称特点。


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