氷晶核

氷晶核（ひょうしょうかく）

気象学において、氷晶核とは、大気中で雲が生成される際に、水蒸気が直接氷に変わる（昇華）または液体水が凍る（凝固）際に、核となる微粒子のことを指します。これは雲核の一種です。

概要

氷晶核は、大気中に浮遊するエアロゾルであり、その半径は0.1マイクロメートル以上のものが多く見られます。自然な大気環境では、凝結核と比較して氷晶核の数は非常に少ないです。そのため、無数の雲粒の中で氷晶となるのはごく一部に限られます。残りの雲粒は0℃以下でも過冷却状態の液体の水滴として存在し、氷晶はこれらの水滴から水蒸気を奪って成長します（昇華成長）。気温が低下するにつれて氷晶となる雲粒の数が増加し、-40℃程度になるとほぼ全ての雲粒が氷晶に変わります。これは、過冷却状態の水滴が氷晶核なしでも凍結し始めるためです。

大気中での均質な核生成による氷の結晶の形成は、高い温度では効率が悪いため、氷晶核は不均質な核生成を通じて氷の結晶の形成を促進します。氷晶核は、氷に近い格子定数を持つと考えられています。

氷晶核の種類

氷晶核は、その性質によって以下の4種類に分類されます。最後の3種類はまとめて凍結核と呼ばれることもあります。

昇華核: 過飽和状態の空気中で、水蒸気から直接昇華して氷晶を生成する核。
凝結凍結核: 凝結核と凍結核の両方の性質を持つ核。まず、水溶性の物質が凝結核として働き水滴を形成し、水滴が過冷却状態になると、不溶性の物質が凍結核として働き水滴を凍結させる。
衝突凝結核: 過冷却状態の水滴と衝突し、その衝撃で水滴を凍結させる核。
凍結核: 過冷却状態の水滴に取り込まれ、水滴を内部から凍結させる核。衝突などの衝撃は伴わない。

氷晶核となるエアロゾル

氷晶核の多くは、土壌粒子、特に結晶性の粘土鉱物であると考えられています。ヨウ化銀は-8℃、カオリナイトは-15℃で氷晶核として機能し始めるとされています。また、氷核タンパク質を持つ氷核細菌は、より高い温度で氷晶核として機能し、Erwinia herbicola、Erwinia ananas、Pseudomonas flourescens、Pseudomonas syringaeなどは-2℃で機能します。氷核タンパク質は鉱物粒子の表面に付着し、鉱物単体よりも高い温度で氷晶核として働くことがあります。氷核細菌の生息する落ち葉のない冬の積雪地や南極の雪では、氷晶核の約半分が鉱物粒子の表面に氷核タンパク質が付着したものだったという報告もあります。

参考文献

Lindow, S. E. (1983).
Morris et al. (2005).

関連項目

雲核: 凝結核
降水過程
エアロゾル
人工降雨

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