氣膠(aerosol)

氣膠(aerosol)
國立苗栗高級中學地球科學科劉承玨老師/國立臺灣師範大學科學教育研究所許瑛玿教授責任編輯

我們每天都會關心的天氣現象不外乎就是颳風下雨，會不會下雨除了大氣中需富含水氣外，扮演凝結核的「氣膠」也是不可或缺的。氣膠的成分相當多元，可以是塵埃、花粉、冰晶、硫酸結晶、海鹽…等，其微觀的特徵也十分複雜，以致於至今對氣膠種類、混合狀態以及氣膠粒子吸濕作用都尚未被全面了解。

氣膠與水氣的相互作用的過程相當複雜，從粒子經核化作用的形成，到霾粒子的吸濕膨脹，以及形成雲滴的活化過程與之後的凝結成長，都牽涉到水氣含量或濕度。核化一開始經過水氣分子與硫酸或其他易凝結氣體分子隨機碰撞，粒徑超過臨界大小後才能穩定存在為氣膠粒子。形成穩定氣膠後，再經由水氣與其他氣體凝結或碰撞而成長，這樣的過程又與環境大氣的相對溼度有關。由於溶解度的限制，氣膠水溶液還會發生吸濕作用、潮解及脫水現象。

以下簡單介紹氣膠與濕度（水氣）之間的交互作用及其對氣膠光學性質的影響(參考下圖)：

(A)吸濕作用：
當氣膠處在較高水氣的環境時，會有吸濕的效應，也就是水氣會附著在氣膠的表面，讓可溶性的氣膠較為明顯。隨著環境水汽壓的增加，液滴會膨脹稀釋以增加它的飽和水汽壓，粒徑因此略微增長；等到超過一臨界點之後，環境相對液滴為過飽和的狀態，因此液滴將會快速成長，活化成雲滴。由此可知，氣膠粒子會因為溼度的增加，粒徑有變大的現象，不同鹽分含量的粒子其吸濕量亦不同，基本上越大的粒子吸水量愈多，這樣的過程會改變氣膠粒徑分布，造成不同的輻射效應。因此，在同樣氣膠濃度的狀況下，高相對濕度的環境會使大氣的散射截面積較在乾的大氣環境中來得高。當相對濕度越高，消偏振率越小，而消偏振率的減少代表了粒子形狀由不規則轉為較接近圓球狀，這是由於吸濕過程使水份包覆氣膠粒子，甚至使整個粒子溶解，進而讓粒子形狀變圓。

(B)潮解及脫水：
如果考慮氣膠成分，不同的氣膠會有不同的吸濕活性狀態。在某些情形下，當環境濕度由逐漸升高時，氣膠粒子並不會立即吸濕成長，必須等到環境溼度大於一個特定值之後，粒子才會突然吸濕成長，這個現象稱為潮解，此濕度稱為潮解點。若是環境大氣濕度由高值逐漸降低，粒子會逐漸縮小，但並不會立刻失去所以水氣，必須等到濕度低於某一定值之後才會突然失去水分，此為脫水的現象，此濕度稱為脫水點。但因為水溶液可發生過飽和現象，因此脫水現象並不必然發生，可能在濕度遠低於脫水點時才進行脫水，成為遲滯現象。

綜合而言，大氣的濕度會影響到氣膠的性質，而氣膠作為凝結核或是對熱量進行反射或散射的過程也同時改變自身的性質，這些微觀的變化過程相當複雜但是值得深入探討。

氣膠在大氣中扮演之角色

參考文獻：
劉承珏，2009.1，以光達觀測分析台北之邊界層與氣膠特性
維基百科-Aerosol  http://en.wikipedia.org/wiki/Aerosol
Pacific Northwest National Laboratory  http://www.pnl.gov/atmospheric/r … osol_indeffects.stm