人工降雨

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人工降雨是根据不同云层的物理特性,选择合适时机,用飞机、火箭向云中播撒干冰、碘化银、盐粉等催化剂,使云层降水或增加降水量,以解除或缓解农田干旱、增加水库灌溉水量或供水能力,或增加发电水量等。中国最早的人工降雨试验是在1958年,吉林省夏季遭受到60年未遇的大旱,人工降雨获得了成功。

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人工降雨 - 发展历程


首次实现人工降雨的科学家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。他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。朗缪尔经过深入地研究,终于搞清了有云未必就下雨的原因,是因为云中冰核、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“冰晶”,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。朗缪尔通过实验告诉人们:尘埃对降雨并非绝对必要,干冰具有独特的凝聚水汽的作用,即相当于云中的冰晶或冰核。温度降低也是使水蒸气变为雨的重要因素之一。他在实验中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。之后,朗缪尔决心将干冰布云法实施于人工降雨的实践。

1946年,已经66岁的朗缪尔像年轻人一样燃烧着探索自然奥秘的热情。七月的一天,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,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。[1]

人工降雨 - 科学原理

(图)人工降雨炮弹

云是由水汽凝结而成;而云的厚度以及高度通常由云中水汽含量的多寡以及凝结核的数量、云内的温度所决定。一般来说,云中的水汽胶性状态比较稳定,不易产生降水,而人工增雨就是要破坏这种胶性稳定状态。

通常的人工降雨就是通过一定的手段在云雾厚度比较大的中低云系中播散催化剂(碘化银)从而达到降雨目的。一是增加云中的凝结核数量,有利水汽粒子的碰并增大;二是改变云中的温度,有利扰动并产生对流。而云中的扰动及对流的产生,将更加有利于水汽的碰并增大,当空气中的上升气流承受不住水汽粒子的飘浮时,便产生了降雨。

世界上许多国家普遍使用碘化银做人工降雨的催化剂。中国采用干冰和碘化银穿插使用的办法。干冰是由人工降雨飞机的舱底“漏斗”洒向云层的。碘化银做催化剂时,可用火箭把碘化银焰弹发射上去。分析表明,如果向一块云层中射入碘化银微粒,并收集随之产生的降雨,这些雨水如由一人饮用的话,他所吸收的碘量与吃一个加盐的鸡蛋所吸收的量基本相等。若用干冰做催化剂(即固体二氧化碳),那就更不会影响环境了,因为空气中本来就有二氧化碳。

(图)人工降雨人工降雨

碘化银在人工降雨中所起的作用在气象学上称作冷云催化。碘化银只要受热后就会在空气中形成极多极细(只有头发直径的百分之一到千分之一)的碘化银粒子。

1g碘化银可以形成几十万亿个微粒。这些微粒会随气流运动进入云中,在冷云中产生几万亿到上百亿个冰晶。因此,用碘化银催化降雨不需飞机,设备简单、用量很少,费用低廉,可以大面积推广。除了人工降水(雨、雪)外,碘化银还可以用于人工消云、消闪电、削弱台风、抑制冰雹等。

人工降雨 - 人工影响降雨

人工降雨就是根据自然界降水形成的原理,人为地补充某些形成降水所必须的条件,促使云滴迅速凝结或并合增大,形成降水。所采用的方法,因云的性质不同,有以下几种:
(一)人工影响冷云降水

(图)准备准备

中纬度地区冬季经常出现大范围的过冷却层状云,但很少降水。夏季也经常出现云顶高于0℃层高度的积状云,其中能产生降水的也为数不多。根据贝吉龙学说,这种云之所以没有降水,主要是云内缺乏冰晶,云滴得不到增长。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(凝华核冻结核)。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。


(二)人工影响暧云降水
整个云体温度高于0℃的云称为暖云。中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。

中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、澳大利亚和中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。发现能使暖云降水有所发展,并可使薄云消散。用这种方法要求飞机有较大的载量,其效能也不如播散吸湿性物质。

人工降雨 - 设备选型

(图)设备设备

在试验中应用的人工降雨装置有侧喷式、下喷式、摆动式等。这些装置一般只有100m2左右的降雨面积。实体模型的水平面积将在10000m2以上。对于在大范围进行人工降雨试验应当选用何种降雨装置,也是一个关键问题,它涉及未来试验研究的开展。

根据实体模型建设和试验研究的需要,人工降雨装置必须符合以下要求:
1、装置的降雨均匀性好,能够满足试验;
2、装置可以模拟降雨强度的空间和时间变化,并可模拟黄土高原的高强度降雨过程;
3、装置的可扩展性好(易组合,易移动);
4、装置便于自动化控制;
5、装置的可靠性高,便于维护;
6、造价较低;
7、便于与正在建设的比尺模型降雨装置协调和协同试验,使试验数据有可比性。

(图)干旱的土壤干旱的土壤

通过分析比较,选择下喷式人工降雨装置,该装置可以同时满足以上7项要求。
1、该装置的降雨均匀性系数大于85%,具有较高的降雨稳定性,可重复性好。生成的雨滴特性与天然降雨雨滴特性具有较高的相似性。
2、可生成的降雨强度范围为30mm-240mm/h。可以模拟实现天然降雨条件下的连续变雨强降雨过程。试验开始时刻,装置的雨滴生成速度快,试验结束时刻,喷头喷水迅速停止,基本不存在喷头滴水现象;雨强转换速度快。
3、该装置由孔径大小不同的,独立的喷头组成,每个模拟降雨单元装置由16个喷头组成,可以根据需要任意扩展。经过装置的轻量化改进后,可以从一个地点移动到另一个地点。
4、该装置的喷头采用电磁阀,可以实现计算机远程自动控制,操作系统采用WINDOWS2000。
5、该装置在运行过程中,只要供电正常,水质清洁,可以保证试验研究的持续进行,具有较高的可靠性。日常维护主要是清洁水池、防止喷头堵塞。
6、该装置造价较低,安装的装置(含自动控制系统),平均每m2降雨面积造价3300元,随着降雨面积(规模)的扩大,单位降雨面积造价将大幅度降低。考察摆动式降雨装置,每m2降雨面积造价高达7000多元。
7、模型黄土高原比尺模型建设的降雨装置也采用该类型装置,系统相同,可以在今后的试验研究中实现数据共享和协同试验。

在小流域实施人工降雨,需要进一步对降雨装置进行深化研制。初步考虑有三种备选方案:一是地面铺设式。即将采用的下喷式人工降雨装置在距离地面10m的高度内铺设。相当于装置的机械扩展。该方案优点是装置在技术上较成熟,不需要再进行率定;缺点是小流域地面高低不平,架设存在一定难度,同时装置对地面干扰较大,影响试验观测。二是高空悬挂式。在小流域两侧的山梁上架设钢索,将降雨喷头悬挂其上。该装置的最小高度要满足两侧山梁顶部的降雨要求。该方案的优点是将已有装置机械高移,可以直接建设,装置对地面没有干扰,缺点是架设难度较大,且高空水分蒸发损失较大,需要重新率定。三是高空喷射式。在两侧山梁上架设不同口径、不同压力的高压喷头,相对均匀喷洒,实现降雨要求。该方案的优点是架设相对简单,但装置没有先例,需要从头研制,且高空喷洒水分蒸发量大。

人工降雨 - 实施条件

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 - 对人无害

(图)人工降雨人工降雨

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,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弹射入云中爆炸和地面燃烧碘化银焰剂等。

人工降雨 - 常见的人工降雨剂

干冰

(图)干冰
干冰
干冰是二氧化碳的凝结固态。干冰的温度是摄氏的负78.5度,因此在保持物体维持冷冻或低温状态下非常有用.干冰能够急速的冷冻物体和降低温度并且可以用隔离手套来做配置。干冰已经被广泛的使用在许多层面了,干冰在增温时是由固态直接升华为气态,直接转化为气体而省略掉转为液态的程序,因此其相变并不会产生液体,也因此称它做“干冰”。要将二氧化碳变成液态,就必须加大压强至5.1大气压才会出现液态二氧化碳。

制造人造雨:利用飞机将干冰洒在云上,云中的小水滴就会被冻结成许多小冰晶,促使更多的水蒸气凝结在上面,化为雨滴,降落到地面。
制造云雾:由于干冰的温度很低,升华后低温的二氧化碳气体碰到空气后,可以使空气中的水蒸气凝结成小水滴,所以有白烟出现,所以舞台表演上,常使用干冰来制造云雾般的特殊效果。
冷冻剂:由于二氧化碳比空气重,干冰升华后仍可包覆在冷冻的物品上,能够维持较好的冷冻效果,尤其是在空运需要特别冷冻的物品,往往都使用它。

碘化银

碘化银(AgI)为的化合物,黄色粉末(558度~),见光分解,并大量吸热,先变灰后变黑,不溶于水和氨水,用于照相术和人工降雨的晶核。

人工降雨 - 费用昂贵

目前人工增雨主要有两种方法。一种是用飞机把干冰等冷却剂撒播到云中,使云内温度显著下降,细小的水滴冰晶迅速增多加大,迫使它下降形成降水。而另一种是利用火箭、炮弹把化学药剂打向高空,轰击云层产生强大的冲击波,使云滴与云滴发生碰撞,合并增大成雨滴降落下来。

两种增雨方式成本不一样,选择火箭炮轰击主要从节约成本出发,因为一次飞机播撒成本高达几百万元。

上海首次施行人工增雨的初步预算中写道,实施一次人工增雨需要470万元,其中仅仅直接作用于云层的催化剂一次就需要40万元。当然这份等待批准的预算中不仅有飞机租用费、播撒设备等硬件费用,还包括地面监测费用、人力资源费用等几十项。

人工增雨所用的火箭弹一枚的价值在4000元左右,用于使用的人工增雨火箭发射架价值在20万元左右。火箭弹属于军火,从运输费、押送费、保管费、发射费等都是一笔不小的开支。还有那么多工作人员背后默默地付出不能不算,每次都要发射探空气球,而且还要对数据进行分析处理,这些间接投入不好算,也算不清。

另据江苏省一份《人工影响天气作业表》显示,2000年到2004年,全省共发射增雨火箭872枚,增雨17.5亿立方米。其中2004年已发射106枚,增雨1.1亿立方米。而人工增雨还需要GPS定位系统等多种设备及其他费用,所以成本比较昂贵,但投入产出比还是比较划算的 。

根据世界公认的统计数据,人工增雨投入产出比普遍都在1∶5以上,比较高的地区能达到1∶30。

而且无论是缓解电荒,或是除旱减灾,人工增雨对经济、社会和生态效益是显而易见的。

相关文献

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参考资料:
[1]^引用日期:2013-08-07
扩展阅读:
1大洋网
2网易

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