云是懸浮在空氣中的微小水滴和冰晶的集合體。雖然水滴和冰晶都是水,但變成地球降雨的主要是云里的冰晶。水滴的表面張力大,很難變大繼而從云中掉出,即便掉出云層,也會迅速蒸發(fā),變成水蒸氣,重新回到云中。冰晶相對來說更容易逃出云層,落到地面,形成降水。因此,冰晶的多寡在很大程度上影響著云的性質(zhì),進而間接影響地球的降水甚至能量平衡。
理論上,冰晶的形成有兩種途徑:一是水滴直接形成冰晶;二是水蒸氣或水滴在冰核顆粒物的誘導(dǎo)下形成冰晶。第一種情況需要在溫度低于-38℃時才能發(fā)生,這在實際的大氣中很難達到,因此冰晶一般通過第二種途徑形成。
空氣中漂浮的礦質(zhì)顆粒物、細菌甚至花粉等都是冰核活性非常強的冰核顆粒物,其中,礦質(zhì)顆粒物是最重要的,鉀長石則是頗具代表性的一種。長石族礦物廣泛產(chǎn)出于各種巖石中,是地殼中含量最高的礦物,約占地殼總質(zhì)量的50%。所謂鉀長石,就是富含鉀的長石。
目前,科學(xué)家還無法完備闡述鉀長石誘導(dǎo)冰晶形成的微觀原因,它太復(fù)雜了——與鉀長石的表面形態(tài)、晶格結(jié)構(gòu)、表面官能團等似乎都有聯(lián)系。例如,我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn),云中的一種重要物質(zhì)——有機胺離子可與鉀長石表面的鉀離子進行離子交換,讓鉀長石表面露出更多容易形成氫鍵的點位,從而拉攏周圍的水分子,促進冰晶形成。