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來改變云的性質。通過這種能力，這些所謂的冰核顆?？梢詷O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系尚未被理解。

卡內基·梅隆大學大氣顆粒研究中心的一項新研究旨在回答這些有關冰核顆粒及其與生物質燃燒之間關系的問題。在化學與機械工程副教授賴安·沙利文(Ryan Sullivan)的帶領下，一組研究人員對純正生物質燃料的排放進行了廣泛的實驗。他們發(fā)現(xiàn)，生物質燃燒產生的礦物質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活動。

該團隊，包括博士。Leif Jahn，Michael Polen，Lydia Jahl和Thomas Brubaker的學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，生物質燃燒產生的顆粒(尤其是氣溶膠)散發(fā)出的冰核能力變得更強。這違背了該領域的先前實驗，該實驗發(fā)現(xiàn)化學老化會降低大多數(shù)顆粒類型的冰成核能力，或不會改變它。

研究人員假設，這種增強的能力來自氣溶膠中黑碳煙塵顆粒的化學變化。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是不正確的，因為產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。” 這給了他們一個關鍵的線索，那就是除了石墨煙灰以外，還有其他原因導致了他們正在測量的冰核。

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)具有最強冰核性質的灰燼中也具有最多結晶的物質。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)樣品中的礦物質是最好的冰核劑。這是一個關鍵發(fā)現(xiàn)，因為已知晶體礦物的存在會驅動冰的成核能力，但是尚未在燃燒生物質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能力差異之間的關系。他們能夠將生物質燃燒產生的這些新礦物的生產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。

大氣化學界不太關注燃燒生物質的氣溶膠中產生的礦物質，因為人們認為這些礦物質來自已經(jīng)存在的土壤顆粒或降落在樹木或植物上的灰塵，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)這些礦物質實際上是燃燒產生的。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的顆粒。高高的草燃料比樹會產生更多的冰成核顆粒，因為它們中自然含有更多的礦物質形成元素。

沙利文將其視為工作中科學方法的一個例子。他們最初的假設是煙灰是答案，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，是沙利文國家科學基金會(NSF)職業(yè)獎的主要重點。

他說：“對于大氣化學界來說，關于燃燒生物質的煙霧中礦物質的來源，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。 ”