冰雹离子知多少？

        气溶胶与云的相互作用是目前大气科学研究的一个热点领域并且有着很大的不确定性与未知性。大气气溶胶中通常包含自然界成云所必须的云凝结核和冰核，它们中部分具有水溶性并且会显著地影响云中水汽凝结物的特性，它们在强对流云尤其是冰雹云中所扮演的角色如何呢？在冰雹中这些水溶性离子的浓度水平以及来源是怎样的？它们在大气污染较重的区域和比较清洁的区域有什么差异？这一系列问题有望通过采集冰雹样本，并在实验室分析其特性来解决。

       北京大学张庆红教授研究组广泛采集并分析了2016年3月至9月来自中国北方和西南方共计15组冰雹样本（分布于黑龙江，河北，北京，山西，山东，贵州，广西），主要分析了其中的水溶性离子浓度（包含8种无机盐离子:Na⁺, K⁺,  Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-, NO^3-, SO₄^2-, NO₂^-; 2种有机酸根离子: HCOOl^-, CH₃COO^-），比较了中国不同地区冰雹中不同离子的分布情况，了解了冰雹中可溶性离子的主要来源，并且分析了对于同一个冰雹过程中离子浓度的不确定性。

15组冰雹样本图片

       冰雹样本从收集到保存严格保证其不受污染，利用离子色谱仪（ICS-900）分析了阴离子浓度，电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）分析了阳离子元素浓度。结果表明，不同地区的冰雹样本中不同种类的离子浓度有着显著差异，其中，来自禹城（山东）和廊坊（河北）的冰雹样本离子浓度显著高于来自全州（广西）和哈尔滨（黑龙江）的样本。这些离子可能的来源非常多，包含自然源和人为排放源的气溶胶，例如包裹可溶性物质的土壤颗粒，海盐，生物或矿物质燃烧，以及气粒转化等。

       研究者认为上述结果与当天该地区冰雹发生时的大气污染物有着密切的关联，因此进一步分析了该15个冰雹事件发生前的气溶胶光学厚度以及6种地面大气环境监测数据与每一种水溶性离子浓度的皮尔森相关系数，发现7种冰雹离子浓度与冰雹发生前卫星反演的气溶胶光学厚度有着强的正相关，9种离子浓度的与PM₁₀有着强的正相关，1种离子浓度与PM_2.5有着强的正相关，所有离子浓度与其余4种大气环境监测数据不相关。

      该结果表明PM₁₀最有可能是冰雹中可溶性离子的来源。这主要是因为地面污染物在强对流发生时被上升气流带上云底并参与气溶胶清除过程，而PM₁₀种含有更多的巨云凝结核（粒径大于5微米），该种云凝结核更有利于云滴的活化进而参与气溶胶的核化清除过程，另外，PM₁₀相较PM_2.5更容易偏离气流流线，因此它更容易被大的粒子（例如雨滴，冰雹）碰并进而参与气溶胶的碰并清除过程。然而，对于北京地区的2016年6月10日的这一冰雹事件而言，北京市范围内不同地点收集的冰雹中的不同种类离子浓度虽有一定差异但其变化范围远小于前文所比较的不同地区间离子浓度的变化范围。

       这是首次对中国较大范围内冰雹样本中水溶性离子的实验室分析工作，该工作初步证明了冰雹样本可溶性离子浓度实验室分析的可行性，并且检验了中国不同地区冰雹中的8种离子浓度水平以及其可能的来源，对于探究气溶胶与云的相互作用这一科学问题有着重要的意义。

该研究由国家自然科学基金（41330421和41461164006）资助。

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Li X, Zhang Q, Zhu T, et al. Water-soluble ions in hailstones in northern and southwestern China. Science Bulletin, 2018, 63(18):1177-1179

https://doi.org/10.1016/j.scib.2018.07.021

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