빙핵
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
빙핵은 대기 중에서 얼음 입자 형성을 촉진하는 물질을 의미한다. 빙핵은 승화핵, 응결동결핵, 충돌동결핵, 동결핵 등 다양한 메커니즘을 통해 과냉각된 물방울을 얼게 한다. 이러한 과정은 구름 역학에 영향을 미치고, 번개와 강수 형성에 기여한다. 다양한 대기 중 입자상 물질, 특히 사막 먼지, 그을음, 유기물, 박테리아, 꽃가루, 곰팡이 포자, 화산재 등이 빙핵 역할을 하며, 자연적 및 인위적 요인이 모두 작용한다. 빙핵 연구는 대기 조건에 따른 핵 생성 잠재력, 기후 변화에 대한 영향, 그리고 인간 활동의 역할 규명에 초점을 맞추고 있다.
더 읽어볼만한 페이지
- 구름과 안개 물리학 - 구름 응집핵
구름 응결핵은 수증기가 응결하여 구름 입자를 형성하는 데 필요한 미립자로, 대기 중의 다양한 입자가 역할을 하며 기후 변화 및 인공 강우 등에도 영향을 미친다.
| 빙핵 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 대기 중에서 빙정 형성을 촉진하는 역할을 하는 에어로졸 입자 |
| 역할 | 과냉각된 물방울이 빙정으로 변환되는 것을 도움 |
| 중요성 | 구름의 상(相) 구성, 강수 과정, 구름 수명에 영향 |
| 종류 및 특성 | |
| 주요 물질 | 광물 먼지 (점토 광물, 장석 등) 박테리아 곰팡이 포자 검댕 입자 해양에서 생성된 유기물 |
| 활성 온도 | 종류에 따라 활성화되는 온도가 다름 일부 빙핵: -4°C 부근에서 활성화 대부분의 빙핵: -10°C 이하에서 활성화 |
| 농도 | 대기 중 농도가 매우 낮음 (에어로졸 입자 100만 개당 1개 수준) |
| 생성 메커니즘 | |
| 핵 형성 | 균질 핵 형성: 매우 낮은 온도 (-40°C 이하)에서 물 분자가 자발적으로 결합하여 얼음 결정 형성 불균질 핵 형성: 빙핵 표면에서 물 분자가 정렬되어 얼음 결정 형성 (상대적으로 높은 온도에서 발생) |
| 흡착 | 물 분자가 빙핵 표면에 흡착되어 얼음 결정 성장 |
| 영향 | |
| 구름 | 강수 과정에 영향 혼합상 구름: 빙핵 존재가 강수 시작에 중요한 역할 |
| 기후 | 구름의 반사도 변화 -> 지구 에너지 균형에 영향 |
| 연구 | |
| 연구 분야 | 빙핵의 종류와 특성 규명 빙핵이 구름과 강수에 미치는 영향 평가 기후 모델에 빙핵 과정 반영 |
| 연구 방법 | 현장 관측: 대기 중 빙핵 농도 및 특성 측정 실험실 연구: 다양한 빙핵의 빙정 형성 능력 평가 모델링 연구: 빙핵이 기후에 미치는 영향 예측 |
| 참고 문헌 | |
2. 빙핵의 메커니즘
대기 중에서 얼음 핵은 여러 가지 메커니즘을 통해 얼음 입자 형성을 촉매한다. 대류권 상부에서는 수증기가 고체 입자에 직접 증착될 수 있다. 약 -37°C보다 따뜻한 구름에서는 액체 상태의 물이 과냉각 상태로 유지될 수 있는데, 이때 얼음 핵은 물방울이 얼도록 유발할 수 있다.[8]
접촉 핵 생성은 얼음 핵이 과냉각된 물방울과 충돌할 때 발생할 수 있지만, 더 중요한 얼음 생성 메커니즘은 얼음 핵이 과냉각된 물방울에 잠겨 얼음 생성을 유발하는 경우이다. 얼음 핵 생성 입자가 없으면 순수한 물방울은 -37°C에 가까운 온도까지 과냉각 상태로 유지될 수 있으며, 이 온도에서 균질하게 얼어붙는다.[1][2][3]
Web of Science에 따르면, 2021년 12월까지 Met Atm Sci 및 Env Sci 범주에서 "얼음 핵 생성" 키워드로 발표된 논문 수는 아래 그래프와 같다.
대기 에어로졸의 얼음 핵 생성 특성을 연구하는 여러 연구 그룹이 있다 (예: DeMott et al. 2018의 FIN-02 연구 논문 또는 FIN-02 INP 측정 상호 비교 연구 참조[4]). 얼음 핵 생성 연구는 EMSL, PNNL의 사용자 시설 콜을 통해서도 가능하다.[5]
2. 1. 승화핵
대류권 상부에서 수증기는 고체 입자 위에 직접 증착될 수 있다. 과포화된 공기 중에서 수증기가 직접 승화하여 얼음 결정이 될 때 작용하는 핵이다.[8]2. 2. 응결동결핵
대류권 상부에서 수증기는 고체 입자 위에 직접 쌓일 수 있다. 약 -37°C보다 따뜻한 구름에서 액체 물이 과냉각 상태로 유지될 수 있으며, 응결동결핵은 물방울이 얼도록 유발할 수 있다.[8]접촉 핵 생성은 응결동결핵이 과냉각된 물방울과 충돌하면 발생할 수 있지만, 더 중요한 얼음 생성 메커니즘은 응결동결핵이 과냉각된 물방울에 잠겨 얼음 생성을 유발하는 경우이다.
응결핵과 융해핵의 두 가지 성질을 모두 가진 핵도 존재한다. 먼저 미립자 속의 수용성 물질이 공기 중에서 응결핵 역할을 하여 응결을 일으키고, 물방울이 과냉각되면 불용성 물질이 물방울 속에서 융해핵으로 작용하여 융해를 일으킨다. 대기 중에서는 황사의 미립자가 대기 오염 물질을 흡착하여 다른 물질을 생성하는 것이 관측을 통해 밝혀진 것처럼, 화학 반응이나 흡착에 의해 수용성 물질과 불용성 물질이 하나의 미립자로 뭉쳐지는 것은 가능한 일로 여겨진다.
2. 3. 충돌동결핵
대류권 상부에서 수증기는 고체 입자 위에 직접 축적될 수 있다. 액체가 과냉각 상태에서 지속될 수 있는 약 -37°C보다 따뜻한 구름에서는 빙핵이 물방울을 동결시킬 수 있다.[8] 접촉 핵 생성은 얼음 핵이 과냉각된 물방울과 충돌하면 발생할 수 있지만, 더 중요한 얼음 생성 메커니즘은 얼음 핵이 과냉각된 물방울에 잠겨 얼음 생성을 유발하는 경우이다. 대기 중에서 과냉각된 물방울에 충돌하여 그 충격으로 얼리는 핵을 충돌동결핵이라고 부른다.[8]小倉일본어荒木일본어岩槻일본어2. 4. 동결핵
대류권 상부에서 수증기는 고체 입자 위에 직접 축적될 수 있다. 액체가 과냉각 상태에서 지속될 수 있는 약 -37°C보다 따뜻한 구름에서는 빙핵이 물방울을 동결시킬 수 있다.[8] 접촉 핵 생성은 얼음 핵이 과냉각된 물방울과 충돌하면 발생할 수 있지만, 더 중요한 얼음 생성 메커니즘은 얼음 핵이 과냉각된 물방울에 잠겨 얼음 생성을 유발하는 경우이다. 얼음 핵 생성 입자가 없으면 순수한 물방울은 -37°C에 가까운 온도까지 과냉각 상태로 유지될 수 있으며, 여기서 균질하게 얼어붙는다.[1][2][3]3. 구름 역학
얼음 입자는 구름 역학에 큰 영향을 줄 수 있다. 얼음 입자는 구름이 전기를 띠게 되어 번개를 유발하는 과정에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 또한 빗방울의 씨앗을 형성할 수 있는 것으로도 알려져 있다. 얕은 구름 속의 빙정 입자 농도가 구름-기후 피드백의 핵심 요소임이 분명해졌다.[6][7]
4. 대기 중 미립자 물질
다양한 종류의 대기 중 입자상 물질이 빙핵 역할을 할 수 있으며, 여기에는 사막 먼지, 그을음, 유기물, 박테리아(예: ''슈도모나스 시린가에''), 꽃가루, 곰팡이 포자, 화산재 등이 포함되며, 자연적, 인위적인 요인 모두 작용한다.[8][9] 그러나 각 유형의 정확한 핵생성 잠재력은 대기 조건에 따라 크게 달라진다. 이러한 입자의 공간 분포, 얼음 구름 형성을 통한 지구 기후에 대한 전반적인 중요성, 그리고 인간 활동이 이러한 효과 변화에 주요 역할을 했는지에 대해서는 알려진 바가 거의 없다.
응결핵과 융해핵의 두 가지 성질을 모두 가진 핵도 있다. 미립자 속의 수용성 물질이 공기 중에서 응결핵 역할을 하여 응결을 일으키고, 물방울이 과냉각되면 불용성 물질이 물방울 속에서 융해핵으로 작용하여 융해를 일으킨다. 대기 중에서는 황사의 미립자가 대기 오염 물질을 흡착하여 다른 물질을 생성하는 것이 관측을 통해 밝혀진 것처럼, 화학 반응이나 흡착에 의해 수용성 물질과 불용성 물질이 하나의 미립자로 뭉쳐지는 것은 가능한 일로 여겨진다.
4. 1. 자연적 요인
다양한 종류의 대기 미립자 물질은 사막 먼지, 그을음, 유기물, 박테리아, 꽃가루, 진균 포자 및 화산재로 구성된 얼음 입자로 자연적으로 작용할 수 있다. 그러나 정확한 대기 조건에 따라 각 유형의 정확한 핵 형성 잠재력이 크게 다르다. 이 입자의 공간적 분포, 얼음 구름 형성을 통한 지구 기후에 대한 전반적인 중요성, 그리고 인간 활동이 이러한 효과를 변화시키는데 중요한 역할을 하는지에 대해서는 거의 알려져 있지 않다.[8][9]대부분의 빙정핵은 토양 입자 중 결정성 점토광물인 것으로 생각된다. 요오드화 은은 -8℃, 카오리나이트는 -15℃에서 빙정핵으로 작용하기 시작하는 것으로 알려져 있다.
또한, 빙핵 단백질을 가진 빙핵 세균은 이보다 높은 온도에서 빙정핵으로 작용하며, ''Erwinia herbicola'', ''Erwinia ananas'', ''Pseudomonas flourescens'', ''슈도모나스 시린가에'' 등은 -2℃에서 작용한다.[14] 빙핵 단백질은 광물 입자의 표면에 부착되어 광물 단독보다 높은 온도에서 빙정핵으로 작용하는 경우가 있다. 빙핵 세균이 서식하는 낙엽이 없는 겨울의 적설지나 남극의 눈에서도 빙정핵의 절반 가까이가 광물 입자 표면에 빙핵 단백질이 부착된 것이었다는 보고도 있다.[15]
4. 2. 인위적 요인
대기 미립자 물질은 사막 먼지, 그을음, 유기물, 박테리아, 꽃가루, 진균 포자 및 화산재로 구성된 얼음 입자로 자연 및 인위적으로 작용할 수 있다.[8][9] 그러나 정확한 대기 조건에 따라 각 유형의 정확한 핵생성 잠재력이 크게 다르다. 이 입자의 공간적 분포, 얼음 구름 형성을 통한 지구 기후에 대한 전반적인 중요성, 그리고 인간 활동이 이러한 효과를 변화시키는데 중요한 역할을 하는지에 대해서는 거의 알려져 있지 않다.4. 3. 빙정핵으로 작용하는 에어로졸
대기 미립자 물질의 다양한 종류는 사막 먼지, 그을음, 유기물, 박테리아, 꽃가루, 진균 포자 및 화산재로 구성된 얼음 입자로 자연 및 인위적으로 작용할 수 있다.[8][9] 그러나 정확한 대기 조건에 따라 각 유형의 정확한 핵생성 잠재력이 크게 다르다. 이러한 입자의 공간 분포, 얼음 구름 형성을 통한 지구 기후에 대한 전반적인 중요성, 그리고 인간 활동이 이러한 효과를 변화시키는데 중요한 역할을 하는지에 대해서는 거의 알려져 있지 않다.대부분의 빙정핵은 토양 입자 중 결정성 점토광물인 것으로 생각된다.
요오드화 은은 -8℃, 카오리나이트는 -15℃에서 빙정핵으로 작용하기 시작하는 것으로 알려져 있다.
또한, Bacterial ice-nucleation proteins|빙핵 단백질영어을 가진 Ice-minus bacteria|빙핵 세균영어은 이보다 높은 온도에서 빙정핵으로 작용하며, ''Erwinia herbicola'', ''Erwinia ananas'', ''Pseudomonas flourescens'', ''Pseudomonas syringae'' 등은 -2℃에서 작용한다.[14] 빙핵 단백질은 광물 입자의 표면에 부착되어 광물 단독보다 높은 온도에서 빙정핵으로 작용하는 경우가 있다. 빙핵 세균이 서식하는 낙엽이 없는 겨울의 적설지나 남극의 눈에서도 빙정핵의 절반 가까이가 광물 입자 표면에 빙핵 단백질이 부착된 것이었다는 보고도 있다.[15]
5. 연구 동향
대기 중에는 얼음 핵이 얼음 입자 형성을 촉매하는 여러 가지 얼음 핵 생성 메커니즘이 있다. 상부 대류권에서 수증기는 고체 입자에 직접 증착될 수 있다. 약 -37°C보다 따뜻한 구름에서 액체 물은 과냉각 상태로 유지될 수 있으며, 얼음 핵은 물방울이 얼도록 유발할 수 있다.[8]
접촉 핵 생성은 얼음 핵이 과냉각된 물방울과 충돌하면 발생할 수 있지만, 더 중요한 얼음 생성 메커니즘은 얼음 핵이 과냉각된 물방울에 잠겨 얼음 생성을 유발하는 경우이다.
얼음 핵 생성 입자가 없으면 순수한 물방울은 -37°C에 가까운 온도까지 과냉각 상태로 유지될 수 있으며, 이때 균질하게 얼어붙는다.[1][2][3]
Web of Science에 따르면, 2021년 12월까지 Met Atm Sci 및 Env Sci 범주에서 "얼음 핵 생성" 키워드를 포함하여 발표된 논문 수는 다음과 같다.
대기 에어로졸의 얼음 핵 생성 특성을 연구하는 여러 연구 그룹이 있다. (예: DeMott et al. 2018의 FIN-02 연구 논문 또는 FIN-02 INP 측정 상호 비교 연구 참조[4]) 얼음 핵 생성 연구 역량은 EMSL, PNNL의 사용자 시설 콜을 통해서도 이용 가능하다.[5]
참조
[1]
논문
Ice nucleation of bare and sulfuric acid-coated mineral dust particles and implication for cloud properties
https://zenodo.org/r[...]
[2]
논문
Homogeneous ice nucleation in water and aqueous solutions
http://cat.inist.fr/[...]
2004-03-25
[3]
논문
Homogeneous ice nucleation in water and aqueous solutions
[4]
논문
The Fifth International Workshop on Ice Nucleation phase 2 (FIN-02): laboratory intercomparison of ice nucleation measurements
Copernicus GmbH
2018-11-19
[5]
웹사이트
Environmental Molecular Sciences Laboratory: A DOE Office of Science User Facility
https://www.emsl.pnn[...]
2023-07-13
[6]
논문
Opinion: Cloud-phase climate feedback and the importance of ice-nucleating particles
2020-08-21
[7]
논문
Strong control of Southern Ocean cloud reflectivity by ice-nucleating particles
2018-03-13
[8]
논문
Ice nucleation by particles immersed in supercooled cloud droplets
[9]
논문
Ubiquity of biological ice nucleators in snowfall
[10]
서적
一般気象学
東京大学出版会
[11]
서적
雲の中では何が起こっているのか
ベレ出版
[12]
서적
最新気象学のキホンがよ〜くわかる本
秀和システム
[13]
백과사전
2023-03-09
[14]
논문
Ice-nucleation negative fluorescent pseudomonads isolated from Hebridean cloud and rain water produce biosurfactants
https://www.biogeosc[...]
2006
[15]
논문
空を巡る微生物
日本エアロゾル学会
2010
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com