大氣中的某些粒子具有獨特的能力，可以通過使水滴在比其自身高的溫度下凍結(jié)來改變云的性質(zhì)。通過這種能力，這些所謂的冰核顆粒可以極大地影響云，降水和氣候的演變。先前的研究已指出，諸如野火中生物質(zhì)的燃燒是大氣顆粒的主要來源，有時包括這些稀有和難以捉摸的冰核顆粒，但是，燃燒與冰核劑釋放之間的這種關(guān)系尚未被理解。

卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)大氣顆粒研究中心的一項新研究旨在回答這些有關(guān)冰核顆粒及其與生物質(zhì)燃燒之間關(guān)系的問題。在化學(xué)與機械工程副教授賴安·沙利文(Ryan Sullivan)的帶領(lǐng)下，一組研究人員對純正生物質(zhì)燃料的排放進行了廣泛的實驗。他們發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的礦物質(zhì)是無法識別的重要冰核顆粒來源，可以解釋野火煙霧中觀察到的許多凍結(jié)活動。

該團隊，包括博士。Leif Jahn，Michael Polen，Lydia Jahl和Thomas Brubaker的學(xué)生首先考慮了初步證據(jù)，這些證據(jù)表明隨著時間的推移，生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的顆粒(尤其是氣溶膠)散發(fā)出的冰核能力變得更強。這違背了該領(lǐng)域的先前實驗，該實驗發(fā)現(xiàn)化學(xué)老化會降低大多數(shù)顆粒類型的冰成核能力，或不會改變它。

研究人員假設(shè)，這種增強的能力來自氣溶膠中黑碳煙塵顆粒的化學(xué)變化。煙塵顆粒被認為是燃料燃燒釋放出的冰核，并且顆粒表面隨著年齡的增長而被氧化。當煙灰顆粒在大氣中氧化時，也許它們變得更親水，從而增加了其冰核形成能力，因為冰核形成涉及水分子在表面上形成冰晶胚。

沙利文說：“我們進行了許多實驗，我們的實驗表明我們最初的假設(shè)是不正確的，因為產(chǎn)生最大煙灰的燃料通常具有最弱的冰核化特性，或者我們無法測量。“所以看起來煙灰似乎不是解釋。” 這給了他們一個關(guān)鍵的線索，那就是除了石墨煙灰以外，還有其他原因?qū)е铝怂麄冋跍y量的冰核。

沙利文仍在試圖解釋為什么老化后氣溶膠的冰成核性質(zhì)會增加，沙利文對在實驗期間燃燒燃料的鍋中殘留的灰燼感到好奇。通過對構(gòu)成灰燼的原子進行X射線衍射，他們發(fā)現(xiàn)具有最強冰核性質(zhì)的灰燼中也具有最多結(jié)晶的物質(zhì)。當他們使用電子和X射線顯微鏡檢查微小的亞微米氣溶膠顆粒時，他們還發(fā)現(xiàn)樣品中的礦物質(zhì)是最好的冰核劑。這是一個關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，因為已知晶體礦物的存在會驅(qū)動冰的成核能力，但是尚未在燃燒生物質(zhì)的氣溶膠和殘留的灰分中進行探索。

在從各個國家野生動植物保護區(qū)收集了真實的生物質(zhì)燃料樣品后，他們進行了更多實驗，以探索原始燃料的變化與煙氣凍結(jié)能力差異之間的關(guān)系。他們能夠?qū)⑸镔|(zhì)燃燒產(chǎn)生的這些新礦物的生產(chǎn)與某些原始燃料中測得的較高水平的礦物形成元素聯(lián)系起來。他們還能夠最終排除黑碳煙塵顆粒作為冰成核劑的來源。

大氣化學(xué)界不太關(guān)注燃燒生物質(zhì)的氣溶膠中產(chǎn)生的礦物質(zhì)，因為人們認為這些礦物質(zhì)來自已經(jīng)存在的土壤顆?；蚪德湓跇淠净蛑参锷系幕覊m，然后在野火中重新懸浮到大氣中。但是沙利文和他的團隊發(fā)現(xiàn)這些礦物質(zhì)實際上是燃燒產(chǎn)生的。如果燃料包含硅，鐵，鋁和鈣等元素，則在燃燒時會生成含礦物質(zhì)的顆粒。高高的草燃料比樹會產(chǎn)生更多的冰成核顆粒，因為它們中自然含有更多的礦物質(zhì)形成元素。

沙利文將其視為工作中科學(xué)方法的一個例子。他們最初的假設(shè)是煙灰是答案，這一點得到了初步數(shù)據(jù)和其他文獻研究的支持，但是他們的實驗數(shù)據(jù)卻有很大不同。因此，他們開發(fā)了不同的實驗和分析方法來繼續(xù)他們的研究。這是一個為期五年的項目，是沙利文國家科學(xué)基金會(NSF)職業(yè)獎的主要重點。

他說：“對于大氣化學(xué)界來說，關(guān)于燃燒生物質(zhì)的煙霧中礦物質(zhì)的來源，我們的看法是完全不同的。” “他們幫助解決了長期存在的不確定性，這些不確定性是為什么某些生物質(zhì)燃料在燃燒時會形成冰核顆粒，而另一些則不會，這些顆粒的來源是什么，以及它們在大氣中移動時將如何演變。 ”