[发明专利]浸润核模式下冰核浓度及成冰活性的离线检测装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于大气物理测量技术领域，涉及云内冰核测量技术，尤其涉及一种在浸润模式下的大气冰核浓度和颗粒物成冰活性的离线检测装置和检测方法。

背景技术

大气冰核是指大气中可以引起水汽蒸发产生凝华或过冷水滴产生冻结而形成冰晶的气溶胶粒子。人为或自然过程排放的颗粒物可以作为冰核，从而影响混合云和高云中冰晶形成的数量和尺寸，进一步影响云的微物理过程和存在形态、寿命，最终对全球辐射和水文循环有着至关重要的影响。因此，测定大气中冰核的浓度不仅可以加深对云物理过程的理解，更可以为研究气溶胶的间接气候效应提供依据。

云内冰晶的形成主要通过两种途径，均质成核和非均质成核。均质成核主要是纯液滴在低温下(低于-40℃)和过饱和度极高的情况下冻结形成冰晶，而非均质成核是指在有冰核参与的情况下形成冰晶，分为凝华成核(deposition mode)、浸润成核(immersion freezing)、凝结冻结(condensation freezing)、接触冻结(contact freezing)4种，所需温度较高、饱和度较低。在混合云中，浸润成核被认为是主导的冰晶形成方式。

目前，对冰核的测量按照不同的成冰模式和侧重点，主要分为在线测量和离线测量两种主要方法，常用的方法包括:滤膜法、云室法、液滴冷台实验法等多种分析方法。在线技术主要是各种云室，但这些云室的造价偏高，主要集中于凝华核化和凝结核化模式下的测量，且不能观察在连续降温条件下颗粒物的核化效果。而液滴冻结技术以其原理简单、操作便捷的优点，成为了浸润核模式下，测量各类型冰核成冰活性的常用分析手段。主要是对含有浸润核的液滴冷却进行降温，然后通过判断每个对应温度下冻结的液滴数，从而判断其成冰活性的强弱。

通过近年来的发展，这一技术也得到了一些改进，无论是在实验设计还是数据采集方面。液滴冷冻方法仍然存在以下不足：

(一)冷冻过程中液滴之间会存在相互影响。

(二)实现过程中，一次性能够测定的液滴数量太少，当计算每个温度下冻结液滴占总液滴的比例时，单个液滴可以引入的不确定性很大，从而使相应冻结温度的下冰核的浓度估算不准确。

(三)对大气进行膜采样后，颗粒物很难从膜上完全提取下来，可能导致测量结果偏低。

(四)缺乏同时记录温度和图片的软件，缺乏判断每个温度下结冰液滴占总液滴比例的数据计算软件。

(五)现有传统冷热台样品盛放范围较小约10-20cm²，从而要求液滴测定所需液滴的体积较小约几个微升，液滴的体积定量可能存在误差。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种离线测定冰核的装置和测量方法，用于测量大气中的冰核浓度及成冰活性。

本发明提供的技术方案是：

一种浸润核模式下冰核浓度及成冰活性的离线检测装置，包括：分液器、PCR板(Polymerase Chain Reaction)、PCR支架、水浴槽、电脑、镜头和CCD相机；水浴槽设有电源和冷凝水循环开关；分液器用于移取液体到PCR板上单独的离心管中，随后PCR板盛放在PCR支架上，并连同支架一起放在水浴槽中的冷凝液中，通过温度控制模块使冷浴槽降温，并用镜头和CCD相机对PCR板的状态进行连续拍照，电脑中的图像采集模块和温度记录模块对图像和温度进行记录，最终输入到数据处理模块中进行数据处理。PCR板由多个(96个)小离心管连接而成，每个离心管里面可以独立盛放液体，每个PCR板只使用一次以保证液体存在环境的干净；水浴槽内设有特制的支架(PCR支架)用于盛放PCR板；

PCR支架包括两层，下面一层包括PCR盛放槽、左旋钮和右旋钮；PCR盛放槽根据PCR板的大小设计，左旋钮和右旋钮可以用于固定PCR板；上面一层包括PCR板支架盖子；盖子是开盖设计，可开合；当进行实验图像采集时，盖子揭开使得PCR板的状态可以被CCD相机和镜头记录，当不进行实验图像采集时可以将盖子盖上，减少冷凝液(水或者乙醇)的挥发；左右两根螺杆连接上下两层，可以调节PCR盛放槽的高度，从而调节PCR板在冷凝液中的位置；

电脑中设置温度控制模块、温度记录模块、图片采集模块和数据处理模块；水浴槽、CCD相机均于电脑相连，带镜头的CCD相机置于水浴槽的上方，用于采集图像，获得PCR板的状态；CCD相机与电脑的图片采集模块相连接，通过电脑设置的图片采集模块控制图像采集、图像存储和数据处理；