人工影響雲雨是人類控制自然的重要方面。一百多年前,中國就有炮轟雷雨雲的防雹嘗試。近幾十年來,科學技術的進步,國內外人工影響雲、霧、降水的方法取得了很大的進展。
人工降雨就是根據自然界降水形成的原理,人為地補充某些形成降水所必須的條件,促使雲滴迅速凝結或併合增大,形成降水。所採用的方法,因雲的性質不同,有以下幾種:
(一)人工影響冷雲降水
中緯度地區冬季經常出現大範圍的過冷卻層狀雲,但很少降水。夏季也經常出現雲頂高於0℃層高度的積狀雲,其中能產生降水的也為數不多。根據貝吉龍學說,這種雲之所以沒有降水,主要是雲內缺乏冰晶,雲滴得不到增長。影響冷雲降水的基本原理是設法破壞雲的物態結構,也就是在雲內製造適量的冰晶,使其產生冰晶效應,使水滴蒸發,冰晶增長。當冰晶長大到一定尺度後,發生沉降,沿途由於凝華和衝並增長而變成大的降水質點下降,這就是所謂冷雲的“靜力催化”。60年代又提出了“動力催化”試驗,其依據是:在雲體的過冷卻(-10℃)部分,大量而迅速地引入人工冰核。當冰核轉化成冰晶時,要釋放大量潛熱,使雲內溫度升高,形成或增大上升氣流,促使雲體在垂直和水平方向迅速發展,相應延長雲的生命期,加速雲內降水形成過程,從而增加降水量。靜力催化與動力催化都是從影響雲的微物理結構著手,所不同的是靜力催化著眼於雲內水的相態不穩定性,動力催化立足於影響或加強雲內的熱力不穩定。
在雲內人工產生冰晶的方法有二種,一種是在雲中投入冷凍劑,如干冰(即固體二氧化碳),在1013hPa下,其昇華溫度為-79℃。將乾冰投入過冷卻雲中後,在它的周圍薄層內便形成一個冷區,在此冷區內,過飽和度很大,因此水汽分子結合物能夠存在和長大。試驗表明,當溫度低於-40℃時,即有自生冰晶。因此,在乾冰周圍形成了大量的冰晶胚胎,其中較大的冰晶經過湍流擴散到四周空間,以後繼續成長為更大的降水質點而下落。在不同溫度下,乾冰所產生的冰晶數是不同的。理論計算指出,一克乾冰所產生的冰晶數是隨氣溫的降低而增加的。溫度從-1℃降至-20℃時,所產生的冰晶數從5.55×1011個增到1.22×1014個,它比實驗值要大些。按實驗室測定,當雲溫為-2—-15℃時每克乾冰可產生8×1011個冰晶。
另一種方法是引入人工冰核(凝華核或凍結核)。目前人們認為碘化銀是一種非常有效的冷雲催化劑。碘化銀具有三種結晶形狀,其中六方晶形與冰晶的結構相似,能起冰核作用,適用於-4—-15℃的冷雲催化。每克碘化銀所能產生的冰晶數視溫度而定,溫度低,有效冰核數目多,產生的冰晶數也多。例如當溫度t=-10℃時,一克碘化銀能產生1010—1012個冰核,當t=-20℃時則能產生1016個冰核。
對碘化銀成冰作用的機制,多年來爭論很大,有人認為水汽分子直接在AgI質點上凝華形成冰晶,碘化銀起凝華核的作用。也有人認為碘化銀起凍結核作用,一開始碘化銀質點作為凝結核形成水滴,然後再凍結產生冰晶。另外也有人認為碘化銀起接觸核的作用,也就是碘化銀質點與過冷水滴互相碰撞後凍結而形成冰晶。有的雲霧工作者又提出這樣的看法:自然界中的水汽過飽和度一般是小於1%的,當溫度低於-12℃時,碘化銀質點的成冰機制主要是凝華作用。當溫度在-12—-5℃時,主要是起先凝結後凍結的作用。當溫度等於-5℃時,起接觸核的作用比較明顯。
(二)人工影響曖雲降水
整個雲體溫度高於0℃的雲稱為暖雲。中國南方夏季的濃積雲、層積雲多屬於這種雲。在暖雲中,膠性穩定狀態的維持往往是由於雲中缺乏大水滴,滴譜較窄,衝並作用不易進行之故。暖雲內不可能有冰晶效應,促使降水形成起決定性作用的是水滴大小不均勻和衝並過程。因此,要人工影響暖雲降水可以引入吸溼性核(如食鹽)。由於其能在低飽和度下凝結增長,故可在短時間內形成數十微米以上的大滴。也可直接引入30—40μm的大水滴,從而拓寬滴譜,加速衝並增長的過程,達到降水的目的。或引入表面活性物質(能顯著減小水滴表面張力又可抑制蒸發的物質),改變水滴的表面張力狀態,以利於形成大水滴並促使其破碎,加速鏈鎖反應,從而形成降水。
中國南方大量的野外試驗中,發現在暖性對流雲頂播撒大顆粒(直徑大於100μm)、大劑量(每千米幾十千克)的鹽粉,效果很顯著。對於發展快、垂直厚度大、含水量豐富而又有上升氣流的暖性對流雲進行反覆催化,可以得到大量降水。但是這種方法消耗食鹽量大,效率低。要求飛機有較大的載量。
在美國、澳洲和中國都曾對暖雲作過播散大水滴的試驗,用飛機從雲頂或雲下部撒水。
發現能使暖雲降水有所發展,並可使薄雲消散。用這種方法要求飛機有較大的載量,其效能也不如播散吸溼性物質。
人工影響雲雨是人類控制自然的重要方面。一百多年前,中國就有炮轟雷雨雲的防雹嘗試。近幾十年來,科學技術的進步,國內外人工影響雲、霧、降水的方法取得了很大的進展。
人工降雨就是根據自然界降水形成的原理,人為地補充某些形成降水所必須的條件,促使雲滴迅速凝結或併合增大,形成降水。所採用的方法,因雲的性質不同,有以下幾種:
(一)人工影響冷雲降水
中緯度地區冬季經常出現大範圍的過冷卻層狀雲,但很少降水。夏季也經常出現雲頂高於0℃層高度的積狀雲,其中能產生降水的也為數不多。根據貝吉龍學說,這種雲之所以沒有降水,主要是雲內缺乏冰晶,雲滴得不到增長。影響冷雲降水的基本原理是設法破壞雲的物態結構,也就是在雲內製造適量的冰晶,使其產生冰晶效應,使水滴蒸發,冰晶增長。當冰晶長大到一定尺度後,發生沉降,沿途由於凝華和衝並增長而變成大的降水質點下降,這就是所謂冷雲的“靜力催化”。60年代又提出了“動力催化”試驗,其依據是:在雲體的過冷卻(-10℃)部分,大量而迅速地引入人工冰核。當冰核轉化成冰晶時,要釋放大量潛熱,使雲內溫度升高,形成或增大上升氣流,促使雲體在垂直和水平方向迅速發展,相應延長雲的生命期,加速雲內降水形成過程,從而增加降水量。靜力催化與動力催化都是從影響雲的微物理結構著手,所不同的是靜力催化著眼於雲內水的相態不穩定性,動力催化立足於影響或加強雲內的熱力不穩定。
在雲內人工產生冰晶的方法有二種,一種是在雲中投入冷凍劑,如干冰(即固體二氧化碳),在1013hPa下,其昇華溫度為-79℃。將乾冰投入過冷卻雲中後,在它的周圍薄層內便形成一個冷區,在此冷區內,過飽和度很大,因此水汽分子結合物能夠存在和長大。試驗表明,當溫度低於-40℃時,即有自生冰晶。因此,在乾冰周圍形成了大量的冰晶胚胎,其中較大的冰晶經過湍流擴散到四周空間,以後繼續成長為更大的降水質點而下落。在不同溫度下,乾冰所產生的冰晶數是不同的。理論計算指出,一克乾冰所產生的冰晶數是隨氣溫的降低而增加的。溫度從-1℃降至-20℃時,所產生的冰晶數從5.55×1011個增到1.22×1014個,它比實驗值要大些。按實驗室測定,當雲溫為-2—-15℃時每克乾冰可產生8×1011個冰晶。
另一種方法是引入人工冰核(凝華核或凍結核)。目前人們認為碘化銀是一種非常有效的冷雲催化劑。碘化銀具有三種結晶形狀,其中六方晶形與冰晶的結構相似,能起冰核作用,適用於-4—-15℃的冷雲催化。每克碘化銀所能產生的冰晶數視溫度而定,溫度低,有效冰核數目多,產生的冰晶數也多。例如當溫度t=-10℃時,一克碘化銀能產生1010—1012個冰核,當t=-20℃時則能產生1016個冰核。
對碘化銀成冰作用的機制,多年來爭論很大,有人認為水汽分子直接在AgI質點上凝華形成冰晶,碘化銀起凝華核的作用。也有人認為碘化銀起凍結核作用,一開始碘化銀質點作為凝結核形成水滴,然後再凍結產生冰晶。另外也有人認為碘化銀起接觸核的作用,也就是碘化銀質點與過冷水滴互相碰撞後凍結而形成冰晶。有的雲霧工作者又提出這樣的看法:自然界中的水汽過飽和度一般是小於1%的,當溫度低於-12℃時,碘化銀質點的成冰機制主要是凝華作用。當溫度在-12—-5℃時,主要是起先凝結後凍結的作用。當溫度等於-5℃時,起接觸核的作用比較明顯。
(二)人工影響曖雲降水
整個雲體溫度高於0℃的雲稱為暖雲。中國南方夏季的濃積雲、層積雲多屬於這種雲。在暖雲中,膠性穩定狀態的維持往往是由於雲中缺乏大水滴,滴譜較窄,衝並作用不易進行之故。暖雲內不可能有冰晶效應,促使降水形成起決定性作用的是水滴大小不均勻和衝並過程。因此,要人工影響暖雲降水可以引入吸溼性核(如食鹽)。由於其能在低飽和度下凝結增長,故可在短時間內形成數十微米以上的大滴。也可直接引入30—40μm的大水滴,從而拓寬滴譜,加速衝並增長的過程,達到降水的目的。或引入表面活性物質(能顯著減小水滴表面張力又可抑制蒸發的物質),改變水滴的表面張力狀態,以利於形成大水滴並促使其破碎,加速鏈鎖反應,從而形成降水。
中國南方大量的野外試驗中,發現在暖性對流雲頂播撒大顆粒(直徑大於100μm)、大劑量(每千米幾十千克)的鹽粉,效果很顯著。對於發展快、垂直厚度大、含水量豐富而又有上升氣流的暖性對流雲進行反覆催化,可以得到大量降水。但是這種方法消耗食鹽量大,效率低。要求飛機有較大的載量。
在美國、澳洲和中國都曾對暖雲作過播散大水滴的試驗,用飛機從雲頂或雲下部撒水。
發現能使暖雲降水有所發展,並可使薄雲消散。用這種方法要求飛機有較大的載量,其效能也不如播散吸溼性物質。