人工降雨的具体方法

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  把天上的水实实在在地降到地面上来,不让它白白跑过去,这就是人工降雨,但更为科学的称谓是人工增雨,有空中、地面作业两种方法。

  空中作业是用飞机云中播撒催化剂。地面作业是利用高炮、火箭从地面上发射。炮弹在云中爆炸,把炮弹中的碘化银燃成烟剂撒在云中。火箭在到达云中高度以后,碘化银剂开始点燃,随着火箭的飞行,沿途拉烟播撒。飞机作业一般选择稳定性天气,才能确保安全。一般高炮、火箭作业较为广泛。

  人工降雨是要有充分的条件的。一般自然降水的产生,不仅需要一定的宏观天气条件,还需要满足云中的微物理条件,比如:0℃以上的暖云中要有大水滴;0℃以下的冷云中要有冰晶,没有这个条件,天气形势再好,云层条件再好,也不会下雨。然而,在自然的情况下,这种微物理条件有时就不具备;有时虽然具备但又不够充分。前者根本不会产生降水;后者则降雨很少。此时,如果人工向云中播撒人工冰核,使云中产生凝结或凝华的冰水转化过程,再借助水滴的自然碰并过程,就能使降雨产生或使雨量加大。催化剂在云中起的作用,打个不太确切的比方说,就好像是盐卤点豆腐,使本来不会产生的降水得以产生,已经产生的降水强度增大。

  人工降雨的原理是让积雨云中的水滴体积变大掉落下来,高炮人工降雨就是将含有碘化银的炮弹打入有大量积雨云的4000至5000米高空,碘化银在高空扩散,成为云中水滴的凝聚核,水滴在其周围迅速凝聚达到一定体积后降落。碘化银由炮弹输送到高空,就会扩散为肉眼都难以分辨的小颗粒。

  和巨量的水滴相比,升上高空的碘化银只是沧海一粟,太多了不仅不会增雨反而会把积雨云“吓跑”,所以,在如此悬殊的情况下,人们绝不会感觉到碘化银的存在。

  此外,炮弹弹片在高空爆炸后会化成不足30克,甚至只有两三克的碎屑降落地面,其所落区域都是在此之前实验和测算好了的无人区,不会对人体造成伤害,同时,人工降雨已有一段历史,技术较为成熟,所以对人工降雨人们不必心存疑虑。

  运用云和降水物理学原理,通过向云中撒播催化剂(盐粉、干冰或碘化银等),使云滴或冰晶增大到一定程度,降落到地面,形成降水。又称人工增加降水。其原理是通过撒播催化剂,影响云的微物理过程,使在一定条件下本来不能自然降水的云,受激发而产生降水;也可使本来能自然降水的云,提高降水效率,增加降水量。撒播催化剂的方法有飞机在云中撒播、高射炮或火箭将碘化银炮弹射入云中爆炸和地面燃烧碘化银焰剂等。

  由于自然降水过程和人工催化过程中的很多基本问题仍不很清楚,人工降水的理论和技术方法还处于探索和试验研究阶段。世界上先后约有80个国家和地区开展了这项试验 ,其中美国、澳大利亚、前苏联和中国等国的试验规模较大 。中国一些经常发生干旱的省、区都开展了这项试验 ,其中有许多成功的例子。这对于增加降水,缓解干旱的威胁,起到了积极的作用。

  俗话说:“天有不测风云”。然而,随着科学技术的不断发展,这种观点已成为过去。几千年来人类“布云行雨”的愿望,如今已成为现实。而首次实现人工降雨的科学家,就是杰出的美国物理化学家欧文·朗缪尔。欧文·朗缪尔,1881 年1 月31 日生于美国纽约市布鲁克林。朗缪尔从小对自然科学和应用技术极感兴趣。他年轻时就有一个伟大的理想:实现人工降雨,使人类摆脱靠天吃饭的命运。朗缪尔十分理解干旱季节时农民盼雨的心情。面对农民求雨的目光,面对茫茫无际的蓝天,作为一名科学家他进行了理智而科学的探索。他经过深入地研究,终于搞清了其中的奥秘。

  原来,地面上的水蒸气上升遇冷凝聚成团便是“云”。云中的微小冰点直径只有0.01 毫米左右,能长时间地悬浮在空中,当它们遇到某些杂质粒子(称冰核)便可形成小冰晶,而一旦出现冰晶,水汽就会在冰晶表面迅速凝结,使小冰晶长成雪花,许多雪花粘在一起成为雪片,当雪片大到足够重时就从高空滚落下来,这就是降雪。若雪片在下落过程中碰撞云滴,云滴凝结在雪片上,便形成不透明的冰球称为雹。如果雪片下落到温度高于0℃的暖区就融化为水滴,下起雨来。但是,有云未必就下雨。这是因为云中冰核并不充沛,冰晶的数目太少了。当时,在人们中流行着一种观点:雨点是以尘埃的微粒为“冰”,若要下雨,空气中除有水蒸气外还必须有尘埃微粒。这种流行观点严重地束缚着人们对人工降雨的实验与研究。因为要在阴云密布的天气里扬起满天灰尘谈何容易。朗缪尔是个治学严谨、注重实践的科学家。他当时是纽约州斯克内克塔迪通用电气公司研究实验室的副主任。在他的实验室里保存有人造云,这就是充满在电冰箱里的水蒸气。朗缪尔想方设法,使冰箱中水蒸气与下雨前大气中水蒸气情况相同。他还不停地调整温度,加进各种尘埃进行实验。

  1946 年7 月中的一天,骄阳当空,酷热难熬。朗缪尔正紧张地进行实验,忽然电冰箱不知因何处设备故障而停止制冷,冰箱内温度降不下去。他决定采用干冰降温。固态二氧化碳气化热很大,在-60℃时为87.2 卡/克。常压下能急剧转化为气体,吸收环境热量而制冷,可使周围温度降到-78℃左右。当他刚把一些干冰放进冰箱的冰室中,一幅奇妙无比的图景出现了:小冰粒在冰室内飞舞盘旋,霏霏雪花从上落下,整个冰室内寒气逼人,人工云变成了冰和雪。朗缪尔分析这一现象认识到:尘埃对降雨并非绝对必要,干冰具有独特的凝聚水蒸气的作用,即作为“种子”的云中冰晶或冰核。温度降低也是使水蒸气变为雨的重要因素之一,他不断调整加入干冰的量和改变温度,发现__只要温度降到零下40℃以下,人工降雨就有成功的可能。朗缪尔发明的干冰布云法是人工降雨研究中的一个突破性的发现,它摆脱了旧观念的束缚。有趣的是,这个突破性的发明,是于炎热的夏天中在电冰箱内取得的。朗缪尔决心将干冰布云法实施于人工降雨的实践。1946 年时他虽已是66岁的老人,但他仍像年轻人一样燃烧着探索自然奥秘的热情。1946 年的一天,在朗缪尔的指挥下,一架飞机腾空而起飞行在云海上空。试验人员将207千克干冰撒入云海,就像农民将种子播下麦田。30 分钟以后,狂风骤起,倾盆大雨洒向大地。第一次人工降雨试验获得成功。

  朗缪尔开创了人工降雨的新时代。根据过冷云层冰晶成核作用的理论,科学家们又发现可以用碘化银(AgI)等作为“种子”,进行人工降雨。而且从效果看,碘化银比干冰更好。碘化银可以在地上撒播,利用气流上升的作用,飘浮到空中的云层里,比干冰降雨更简便易行。

  “人工降雨”行动在战争中作为一种新式的“气象武器”屡见不鲜。美越战争时期,由柬埔寨通往越南的“胡志明小道”车水马龙,国外支援越南人民抗击美帝侵略者的作战物资,靠这条唯一的通道源源不断地送往前线。但那里常常出现暴雨,特大洪水,冲断桥梁,毁坏堤坝,大批运输车辆挣扎在泥泞的山路上,交通受到了很大的影响,其破坏程度不亚于轰炸。开始越

  方对这种突如其来的暴雨茫然无知,后来,经多方侦查才知道,这是由美国总统约翰逊亲自批准并实施了6 年之久的秘密气象行动,即美国在那条路上空进行了“人工降雨”行动。

  “天有可测风云”其含义不仅在于“人工降雨”,它还启发人们能合理地进行人工控制天气。朗缪尔对此也作了研究,他希望在暴风雨来临之前,运用人工控制的方法,将它消灭在萌芽状态。这一设想不仅合理而且可行,现在已得到了广泛应用。

  影响冷云降水的基本原理是设法破坏云的物态结构,也就是在云内制造适量的冰晶,使其产生冰晶效应,使水滴蒸发,冰晶增长。当冰晶长大到一定尺度后,发生沉降,沿途由于凝华和冲并增长而变成大的降水质点下降,这就是所谓冷云的“静力催化”。60年代又提出了“动力催化”试验,其依据是:在云体的过冷却(-10℃)部分,大量而迅速地引入人工冰核。当冰核转化成冰晶时,要释放大量潜热,使云内温度升高,形成或增大上升气流,促使云体在垂直和水平方向迅速发展,相应延长云的生命期,加速云内降水形成过程,从而增加降水量。静力催化与动力催化都是从影响云的微物理结构着手,所不同的是静力催化着眼于云内水的相态不稳定性,动力催化立足于影响或加强云内的热力不稳定。

  在云内人工产生冰晶的方法有二种,一种是在云中投入冷冻剂,如干冰(即固体二氧化碳),在1013hPa下,其升华温度为-79℃。将干冰投入过冷却云中后,在它的周围薄层内便形成一个冷区,在此冷区内,过饱和度很大,因此水汽分子结合物能够存在和长大。试验表明,当温度低于-40℃时,即有自生冰晶。因此,在干冰周围形成了大量的冰晶胚胎,其中较大的冰晶经过湍流扩散到四周空间,以后继续成长为更大的降水质点而下落。在不同温度下,干冰所产生的冰晶数是不同的。理论计算指出,一克干冰所产生的冰晶数是随气温的降低而增加的。温度从-1℃降至-20℃时,所产生的冰晶数从5.55×1011个增到1.22×1014个,它比实验值要大些。按实验室测定,当云温为-2—-15℃时每克干冰可产生8×1011个冰晶。

  另一种方法是引入人工冰核(凝华核或冻结核)。目前人们认为碘化银是一种非常有效的冷云催化剂。碘化银具有三种结晶形状,其中六方晶形与冰晶的结构相似,能起冰核作用,适用于-4—-15℃的冷云催化。每克碘化银所能产生的冰晶数视温度而定,温度低,有效冰核数目多,产生的冰晶数也多。例如当温度t=-10℃时,一克碘化银能产生1010—1012个冰核,当t=-20℃时则能产生1016个冰核。

  对碘化银成冰作用的机制,多年来争论很大,有人认为水汽分子直接在AgI质点上凝华形成冰晶,碘化银起凝华核的作用。也有人认为碘化银起冻结核作用,一开始碘化银质点作为凝结核形成水滴,然后再冻结产生冰晶。另外也有人认为碘化银起接触核的作用,也就是碘化银质点与过冷水滴互相碰撞后冻结而形成冰晶。有的云雾工作者又提出这样的看法:自然界中的水汽过饱和度一般是小于1%的,当温度低于-12℃时,碘化银质点的成冰机制主要是凝华作用。当温度在-12—-5℃时,主要是起先凝结后冻结的作用。当温度等于-5℃时,起接触核的作用比较明显。

  整个云体温度高于0℃的云称为暖云。我国南方夏季的浓积云、层积云多属于这种云。在暖云中,胶性稳定状态的维持往往是由于云中缺乏大水滴,滴谱较窄,冲并作用不易进行之故。暖云内不可能有冰晶效应,促使降水形成起决定性作用的是水滴大小不均匀和冲并过程。因此,要人工影响暖云降水可以引入吸湿性核(如食盐)。由于其能在低饱和度下凝结增长,故可在短时间内形成数十微米以上的大滴。也可直接引入30—40μm的大水滴,从而拓宽滴谱,加速冲并增长的过程,达到降水的目的。或引入表面活性物质(能显著减小水滴表面张力又可抑制蒸发的物质),改变水滴的表面张力状态,以利于形成大水滴并促使其破碎,加速链锁反应,从而形成降水。

  我国南方大量的野外试验中,发现在暖性对流云顶播撒大颗粒(直径大于100μm)、大剂量(每千米几十千克)的盐粉,效果很显著。对于发展快、垂直厚度大、含水量丰富而又有上升气流的暖性对流云进行反复催化,可以得到大量降水。但是这种方法消耗食盐量大,效率低。要求飞机有较大的载量。

  在美国、澳大利亚和我国都曾对暖云作过播散大水滴的试验,用飞机从云顶或云下部撒水。

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