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水滴變身的秘密

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柯廷龍｜國立臺灣大學科學教育發展中心

我們常常可以在電影及電玩作品中，看見魔力強大的法師施法使出驚天動地的暴風雪將敵人全數殲滅，但這些法師到底需要什麼，才能使空中的水滴凝結成冰晶呢？

在雲中，礦物塵埃和其它懸浮微粒催化使得水滴凝結成冰晶。科學家長久以來都認定，塵埃中的黏土礦物是使水滴凝結成為冰晶的最佳凝結核種。

英國里茲大學的班‧姆瑞（Ben Murray）和他的研究夥伴在一項報告中指出，一種在塵埃中占量較小，名為長石的矽酸鹽物質，在那些足以影響氣候，例如暴風氣團和層雲的雲團中，可能比黏土礦物還要更能夠催化冰的凝結。

冰的組成會決定雲的特質，例如其形狀大小，生命周期，降雨機率，以及其驅散輻射線能力的多寡。所以滋養雲層的催化劑對於天氣的影響力自然不在話下。科學家把形成冰的凝結核種區分成對氣候和天氣影響的模型，但是對於懸浮微粒資訊的不足，使得研究人員無法得知什麼才是最好的凝結核。

班‧姆瑞和他的同伴們在實驗室把小水滴和不同的礦物混和並將其分類，欲得知不同的組合在何溫度之下可以使得水滴的一半結冰。結果顯示，平均擁有富含鉀的長石，以及含有3%的礦物塵埃之小水滴最容易結冰，其結冰溫度為克氏溫標251K，而擁有富含鈣和鈉的長石以及8%的礦物塵埃之小水滴，在247K的溫度下結冰，含石英的則是在243k，而方解石及其他黏土礦物的塵埃則在237k。這個研究指出富含有鉀的長石，不論在大氣塵埃中或在實驗室中，都是使水結冰最好的物質，即使它們相對而言在大氣中含量較少。

卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University)的萊恩‧蘇利文(Ryan Sullivan)表示：「這個研究中的模型，粒子大小及結冰過程，都帶有許多的假設及不確定性，所以其結果的準確度並不理想，況且在之前的研究中我們發現黏土還是最好的凝結核，所以我不會因為這個份報告就認為黏土對於促成冰晶不再重要，但也不代表這份研究沒有用處，只是有待未來有更多支持此論點的研究。」（本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿）

責任編輯：許益瑞｜國立臺北科技大學有機高分子研究所

資料來源

《化學與工程新聞》 ( Chemical and Engineering News)

暴風雪(5) 黏土(4) 冰晶(5) 懸浮微粒(59) 凝結核(2) 科發月刊(5210)

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