教育新闻网大气中的某些粒子具有独特的能力，可以通过使水滴在比其自身高的温度下冻结来改变云的性质。通过这种能力，这些所谓的冰核颗粒可以极大地影响云，降水和气候的演变。先前的研究已指出，诸如野火中生物质的燃烧是大气颗粒的主要来源，有时包括这些稀有和难以捉摸的冰核颗粒，但是，燃烧与冰核剂释放之间的这种关系尚未被理解。
卡内基·梅隆大学大气颗粒研究中心的一项新研究旨在回答这些有关冰核颗粒及其与生物质燃烧之间关系的问题。在化学与机械工程副教授赖安·沙利文(Ryan Sullivan)的带领下，一组研究人员对纯正生物质燃料的排放进行了广泛的实验。他们发现，生物质燃烧产生的矿物质是无法识别的重要冰核颗粒来源，可以解释野火烟雾中观察到的许多冻结活动。
该团队，包括博士。Leif Jahn，Michael Polen，Lydia Jahl和Thomas Brubaker的学生首先考虑了初步证据，这些证据表明随着时间的推移，生物质燃烧产生的颗粒(尤其是气溶胶)散发出的冰核能力变得更强。这违背了该领域的先前实验，该实验发现化学老化会降低大多数颗粒类型的冰成核能力，或不会改变它。
研究人员假设，这种增强的能力来自气溶胶中黑碳烟尘颗粒的化学变化。烟尘颗粒被认为是燃料燃烧释放出的冰核，并且颗粒表面随着年龄的增长而被氧化。当烟灰颗粒在大气中氧化时，也许它们变得更亲水，从而增加了其冰核形成能力，因为冰核形成涉及水分子在表面上形成冰晶胚。
沙利文说：“我们进行了许多实验，我们的实验表明我们最初的假设是不正确的，因为产生最大烟灰的燃料通常具有最弱的冰核化特性，或者我们无法测量。“所以看起来烟灰似乎不是解释。” 这给了他们一个关键的线索，那就是除了石墨烟灰以外，还有其他原因导致了他们正在测量的冰核。
沙利文仍在试图解释为什么老化后气溶胶的冰成核性质会增加，沙利文对在实验期间燃烧燃料的锅中残留的灰烬感到好奇。通过对构成灰烬的原子进行X射线衍射，他们发现具有最强冰核性质的灰烬中也具有最多结晶的物质。当他们使用电子和X射线显微镜检查微小的亚微米气溶胶颗粒时，他们还发现样品中的矿物质是最好的冰核剂。这是一个关键发现，因为已知晶体矿物的存在会驱动冰的成核能力，但是尚未在燃烧生物质的气溶胶和残留的灰分中进行探索。
在从各个国家野生动植物保护区收集了真实的生物质燃料样品后，他们进行了更多实验，以探索原始燃料的变化与烟气冻结能力差异之间的关系。他们能够将生物质燃烧产生的这些新矿物的生产与某些原始燃料中测得的较高水平的矿物形成元素联系起来。他们还能够最终排除黑碳烟尘颗粒作为冰成核剂的来源。
大气化学界不太关注燃烧生物质的气溶胶中产生的矿物质，因为人们认为这些矿物质来自已经存在的土壤颗粒或降落在树木或植物上的灰尘，然后在野火中重新悬浮到大气中。但是沙利文和他的团队发现这些矿物质实际上是燃烧产生的。如果燃料包含硅，铁，铝和钙等元素，则在燃烧时会生成含矿物质的颗粒。高高的草燃料比树会产生更多的冰成核颗粒，因为它们中自然含有更多的矿物质形成元素。
沙利文将其视为工作中科学方法的一个例子。他们最初的假设是烟灰是答案，这一点得到了初步数据和其他文献研究的支持，但是他们的实验数据却有很大不同。因此，他们开发了不同的实验和分析方法来继续他们的研究。这是一个为期五年的项目，是沙利文国家科学基金会(NSF)职业奖的主要重点。
他说：“对于大气化学界来说，关于燃烧生物质的烟雾中矿物质的来源，我们的看法是完全不同的。” “他们帮助解决了长期存在的不确定性，这些不确定性是为什么某些生物质燃料在燃烧时会形成冰核颗粒，而另一些则不会，这些颗粒的来源是什么，以及它们在大气中移动时将如何演变。 ”
