雨滴在落向地面前穿过大气时，可能会在其表面吸附数十至数百个微小的气溶胶颗粒。液滴与气溶胶相互吸附的过程称为凝并，这是一种自然现象，能够清除烟尘、硫酸盐和有机颗粒等污染物，从而净化空气。
麻省理工学院的大气化学家现已确定雨水净化大气的实际效果。根据云层的高度、液滴的大小以及气溶胶的直径和浓度，研究团队能够预测雨滴将颗粒物移出大气的可能性。
研究人员在该团队的麻省理工学院凝并收集效率实验舱中开展了实验。该玻璃舱高3英尺，能够以受控的速率和大小生成单个雨滴。雨滴下落穿过实验舱时，研究人员向其中注入气溶胶颗粒，并测量液滴与气溶胶合并（即凝并）的速率。
根据测量结果，他们计算出雨水的凝并效率，即液滴在下落过程中吸附颗粒物的能力。总体而言，他们发现液滴越小，吸附颗粒物的可能性越大。低相对湿度的条件似乎也有利于凝并。
麻省理工学院大气化学副教授Dan Cziczo表示，这些新结果于本月发表在期刊 Atmospheric Chemistry and Physics上，代表了迄今最精确的凝并数值。他表示，这些数值可经外推，用于预测雨水在各种环境条件下清除一系列颗粒物的潜力。
“假设你是一名建模人员，想要弄清楚波士顿上空的云与芝加哥上空海拔高得多的云如何净化大气——我们希望你能利用我们得出的这一凝并效率数值做到这一点，”奇兹乔说。“这有助于应对空气质量和人体健康等问题，以及云对气候的影响。”
论文的共同作者为博士后研究员Karin Ardon-Dryer和前博士后研究员Yi-Wen Huang。
高估雨水的作用
奇兹乔的团队并非首个在实验室中模拟雨滴与气溶胶相互作用的团队。过去十年间，其他研究者已搭建复杂的实验舱来追踪凝并过程。但麻省理工学院的研究人员发现，这些凝并事件非常罕见，且极难识别。科学家早已知道，液滴的电荷在吸附颗粒物方面起着重要作用，因此奇兹乔及其同事开始改变液滴和颗粒的电荷，以促使凝并发生。
“我们作为科学家，真正陷入困境正是从这里开始的，”奇兹乔谈到该领域时说，“为了让这一过程真正发生，人们把它调到了一个与大气实际情况不相符的范围。”
因此，研究人员观察到的凝并事件多了很多。然而，这些结果是基于远高于大气中实际观测到的电荷得出的。
“在某些情况下，我们看到有人使用的电荷是大气中的10倍甚至100倍，而这种电荷或许只会出现在有史以来最剧烈的雷暴中，”奇兹乔说。
奇兹乔表示，这些实验本质上高估了雨水的净化作用。
剥离液滴电荷
为了更准确地描绘凝并过程，奇兹乔的团队建造了一个新的实验舱，配备单液滴发生器。该仪器可经校准，以特定的大小、频率和电荷生成单个液滴。通常，液滴发生器会给液滴施加过多的电荷。为了产生液滴在大气中实际携带的电荷，团队使用了一个小型放射源，从每个液滴上剥离少量电荷。
随后，团队向实验舱下部注入已知大小的气溶胶颗粒。液滴在下落至底部的过程中蒸发，只留下盐分——若发生凝并，则还会留下气溶胶颗粒。剩余颗粒随后被导入单颗粒质谱仪，由其判定盐分（进而判定液滴）是否吸附了气溶胶颗粒。
研究人员进行了多次实验，改变实验舱的相对湿度，以及液滴的大小和频率。他们计算了每次运行的凝并效率，发现较小的液滴更有可能吸附气溶胶，在低相对湿度条件下尤为明显。
奇兹乔表示，最终，更深入地理解颗粒与液滴的相互作用，将使科学家更清楚地把握气候变化的走向：全球变暖预测中的一大不确定因素，在于温室气体将如何影响云的形成。由于云在维持地球辐射收支方面发挥着主要作用——即有多少热量被截留或逸散——奇兹乔表示，必须理解云中水滴与大气颗粒之间的关系。
“这类数据在文献中较为缺乏，应能改进模型对云雾液滴如何清除气溶胶颗粒的模拟，”未参与该研究的科罗拉多大学化学与生物化学教授Margaret Tolbert说。“对气溶胶微物理过程的理解不断深入，最终将有助于预测空气质量和气候变化，因为气溶胶对两者都至关重要。”
本研究部分得到了美国国家海洋和大气管理局的资助。
本文与 MIT News合作发表。刊发此文并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Jennifer Chu是麻省理工学院新闻的特邀撰稿人。
图片：一道彩虹悬挂在西班牙巴斯克小镇杜兰戈附近的风力发电机上方。路透社/Vincent West
