人工降水

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人工降水,根据自然界降水形成的原理,人为补充某些形成降水的必要条件,促进云滴迅速凝结或碰并增大成雨滴,降落到地面。
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,吉林省这年夏季遭受到60年未遇的大旱,人工降雨获得了成功。
1987年在扑灭大兴安岭特大森林火灾中,人工降雨发挥了重要作用。
2015年,武汉市将拨600万元经费用于飞机和地面人工增雨,以减缓或消除雾霾影响。[1]
中文名
人工降水
类 别
降水
应 用
农业、军事

原理 编辑

运用云和降水物理学原理,通过向云中撒播降雨剂(盐粉、干冰碘化银等),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。撒播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。是人工影响天气中进行得最多的一项试验。
人工影响云的微物理过程,可以在一定条件下使本来不能自然降水的云受激发而降水,也可使那些水分供应较多、往往能自然降水的云,提高降水效率而增加降水量。但不能自然降水的云能供应的水分较少,因此人工催化的经济价值有限。

条件 编辑

一般在自然云已经降水或者接近于降水的条件下,人工降水的方法才能发挥作用。由于降水的自然变率很大,人工增加降水量的幅度较小,如何估价人工降水的效果就显得
人工降雨 人工降雨
十分困难。人工催化增加的降水量,是催化后的实际降水量和不经催化的自然可能降水量之差。实际降水量可以测定,但能否正确估价自然可能降水量,就成了效果检验的关键。在对降水的物理规律认识不足的情况下,主要依靠统计学的方法对自然可能降水量作出估价。初期的统计检验方法,多数采用回归统计法,在人工催化目标区附近选择一个不受催化影响的地区作为对比,用历史资料建立目标区和对比区降水量的回归方程。把人工降水试验期间对比区的降水量代入回归方程,求出目标区的自然可能降水量,再与目标区实测降水量对比,就可估价人工降水的效果。采用这种方法对于同一次试验,选用不同的对比区或者不同年限的历史资料作对比,得出的结果,可能出入很大,所以这种方法的可信度不高。一般认为随机试验可以避免主观的偏差得到统计学上的可信估价。随机试验是把适合于人工降水的试验机会(试验单元)按照随机规则(例如抽签)分成两组:一组催化并观测,另一组不催化只观测,作对比。当试验单元足够多时,随机决定的两组试验单元的自然条件应该只有极小的系统性差别,而两组试验实测降水量的系统性差异,就可以归之为人工催化的结果。判断催化效果,存在着成功和失败的可能性,当判断催化有效而实际无效时,常以显著度水平来表示这种可能性。显著度水平越小,判断催化有效的可信度越高。在人工降水试验中,一般要求显著度水平小于5%,即可信度大于95%。
  
人工降雨 人工降雨
 由于水资源对国民经济的重要性,人工降水试验作为开发水资源的一种潜在手段,受到广泛的重视。世界上先后有大约八十个国家和地区开展了这项试验,其中以美国、澳大利亚、中国和前苏联等国的试验规模较大。1958年以后,中国北方各省,曾用飞机向大范围层状云中播撒干冰或碘化银等成冰催化剂,试图增加冬季和春季的降水量;中国南方各省,也曾用飞机或高射炮向积状云内播撒盐粉或碘化银等催化剂,以期增加夏旱时期的降水量。但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,人工降水的效果检验还有很多困难。
  人工降水的效果受云和其他条件所制约。在某种条件下可能有显著的正效果,在另一种条件下可能无效甚至出现负效果。不分条件笼统地进行统计,分析得出的效果往往不显著。把试验单元按照某种指标分成几类分别统计,有时就能得出比较显著的结果。例如在冷云催化试验中按云顶温度分类,统计得出,在一定温度区间里有比较显著的效果。从人工降水研究来说,仅对降水增量作出估价是不够的,必须对整个物理过程的各个环节都有确切的了解。如催化剂在云中指定部位是否达到了一定的浓度,冰晶或大滴的浓度是否明显增加等。观测和统计这些宏观和微观特征量的变化,可从物理过程上分析人工催化的效果。这种观测检验,称为人工降水效果的物理检验。如在冷云试验中观测到催化后冰晶浓度增大,过冷水滴减少,说明人工催化对云的微物理过程已起到作用。一般认为,人工降水的科学试验,必须根据统计学的要求,严格按照预定的设计进行长时间的试验,同时对自然降水过程和人工催化过程,进行细致的野外探测和数值模拟,才能使试验具有比较坚实的物理基础和统计的可信度。

方法 编辑

冷云催化

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在温度低于0°C的冷云降水过程中,冰晶浓度起着重要的作用。根据降水粒子浓度的实测资料和理论估算,只有当冰晶浓度达到1个/升或更高的量级时,才有较高的降水效率。对因冰晶浓度不足、降水效率很低的自然云,若在其过冷却部位播撒成冰催化剂,就可以增加冰晶浓度。每克干冰或碘化银,可产生1012个以上的冰晶,若用几百克,就可以使几十立方公里云体的冰晶浓度达 10个/升。这些人工冰晶通过伯杰龙过程迅速增长,促进冷云降水过程,使降水量增加。一些比较严格试验的统计分析表明,冷云催化可以增加降水量10~20%。如果人工冰晶的浓度很大,则形成的雪晶的平均尺度较小,它们从云中下落到地面的时间较长,在气流的作用下,会落到下风方向更远的地方而改变降水的分布。冷云催化的温度条件:人工降水的效果同云的自然条件有密切关系。就冷云催化而言,云中的温度条件十分重要。就整个云体而言,云顶温度一般最低,常将它作为估计云中自然冰晶浓度的参数。当云顶温度低到一定程度时,云中常会形成大量冰晶,这时用人工方法增加冰晶,效果就不显著。反过来,云顶温度如果太高,碘化银等催化剂的成冰能力就太低,也不利于人工催化。所以对冷云催化法增加降水来说,云顶温度不宜太高或太低。一些地形云和积云的人工降水试验结果的统计分析表明,当云顶温度处于-10~-25°C时,人工降水的效果比较明显。这一最适宜的温度区间,称为播云温度窗。鉴于降水过程的复杂性,采用不同催化技术时,必须研究各类云中最有利的温度条件或其他条件。

暖云催化

在温度高于0°C的暖云里,降水主要在云滴碰并过程中得到发展
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。云滴越大,碰并增长就越快。计算表明,当云滴半径超过0.04毫米时,就可以迅速碰并而长成雨滴。在那种大云滴的浓度不足的自然云中,播撒大量半径大于0.04毫米的水滴,就能够促进降水过程。计算表明,每克水可以形成约几百万个大云滴,要催化10立方公里的云体,则需要几吨水。若往云中播撒一定大小的吸湿性物质颗粒或者溶液滴,它们能在云中吸湿而迅速长成大云滴,这样所需的催化剂量,就用不到水的十分之一。
除了播云以外,法国和苏联有人试验在地面加热,造成人工上升气流的方法,试图在一定气象条件下激发或增加降水。美国有人设想利用沥青或碳黑吸收太阳辐射,提高局地空气的温度,促进云的发展以增加降水。中国有人研究过爆炸对降水的影响。这些人工降水方法的研究,都还处在探索的阶段。

动力催化

通过冷云催化使云中产生大量冰晶,所释放的潜热将改变积云的宏观动力过程而增加降水。它是60年代在人工降水试验方面的一项进展。积云中上升气流的速度,主要决定于云内外温差造成的浮力。在发展旺盛的积云内,存在着大量过冷水滴。在这种云中播撒大量的成冰催化剂时,能使过冷水滴冻结而释放潜热,水汽在冰粒表面凝华时也释放潜热。估计这两种潜热足以使云中局部温度升高0.5°C左右,这将加大浮力而促使某些积云的上升气流速度增大,云体扩展,生命期延长,结果使进入云体的水分总量增大而增加降水量。虽然动力催化同一般冷云催化所用的催化剂一样,但着眼点不同,动力催化所用的催化剂量必须大大增加,才可能收效。积云动力催化在50年代曾作过初步的尝试,但周密设计的积云动力催化试验,直到1963年才开始。J.辛普森在美国佛罗里达州所做的随机试验表明,催化后积云的云顶平均增高1.6公里,平均雨量增加1.7倍。他指出,催化后云顶增高量同大气层结(见大气静力稳定度)有密切的关系。在其他国家和地区,也作过类似试验,但效果不一。有人对整个地区积云群体进行过动力催化的随机试验,初步结果表明有增雨的效果。

催化剂 编辑

干冰
干冰是二氧化碳的凝结固态。干冰的温度
干冰 干冰
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,所以有白气出现,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)为碘和银的化合物,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。

费用 编辑

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
干涸的土地 干涸的土地
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2000-4000元,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。

发展历程 编辑

古代巫术
人工降雨 人工降雨
早在远古时代,我们的祖先就幻想着掌握呼风唤雨的本类似唐人阁的论坛领。刀耕火种的初民,跪在赤热的阳光下祈求雨水;巫师们为了求雨使尽了花招,有时戴上面具手舞足蹈,有时放开喉咙咿呀歌唱;他们还常常向冥冥中的神灵祭献牛羊牲灵,有时甚至祭献活人。巫师们用苇管向空中吹喷水珠,希望这种象征性的雨滴可以带来丰沛的雨水。美洲的印第安人在篱笆上挂上干瘪的蛇尸求雨,东方人跳龙舞,西方人做祈祷;但无情的干旱却一次次地使他们的希望和田地里的禾苗一起枯萎。
后来,求雨的花样不断翻新。有人鸣枪,有人爆破,还有人燃点化学物质,相信这类化合物的烟雾可能引来雨水。这些求雨者中也有个别幸运儿,偶然的巧合使他们的法术名噪一时。美国历史上曾有一个求雨者,机会赶得巧,颇有几次“灵验”,但弄巧成拙,几乎因此罹祸身亡。当时加利福尼亚州南部降雨达51厘米,大水吞没土地,人畜死伤无数,损失达数百万美元。愚昧的村民怨天尤人,指控这个求雨者施行法术招来大祸。
现代技术
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、前苏联和我国等国的试验规模较大。我国一些经常发生干旱的省、区都积极开展了人工降雨技术的试验研究和推广应用,由于技术趋于成熟,人工降雨已成为抗旱的重要手段。

发明故事 编辑

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直到1948年,人们才真正发现了科学的人工降雨方法。这一年,美国通用电气公司的科学家文森特谢福经过长期的探索,在一次实验中偶然地找到了人工降雨的关键,解决了千百年没有解决的课题,成为科学史上的一段佳话。
随着科学技术的进步,人们逐渐了解了下雨的来龙去脉。水汽从海洋和湖泊的水面上升腾成为空气的一部分,然后形成云朵,雨水或雪片就从云中降下来。但是,水汽究竟怎样凝聚成雨滴,长期以来始终不甚了然。后来,约翰爱特金证明,水汽是积聚在灰尘等细小微粒周围形成水滴或冰晶的。这些微尘十分细小,肉眼根本无法觉察,但如果没有这些微尘,尽管空气中有足够的水汽,却不可能形成一滴雨水。
第二次世界大战期间,通用电气公司聘请爱尔文兰格缪尔博士研究飞机机翼在穿过云层时结冰的课题。年青的谢福正是兰格缪尔博士的助手。他们接受任务后,就动身到美国东北部的新罕布什尔州去,那里的山峰终年积雪,雪暴频繁,寒风凛冽。
谢福和兰格缪尔整日在山间的严寒空气中工作。他们逐渐发现了一个奇怪的现象:虽然气温常常在零摄氏度以下,但在他们周围和脚下缭绕的云朵之中,却并没有形成一粒冰晶。这个奇异的现象,深深留在谢福的脑海里。大战结束后,谢福制造了一台小机器,它能产生寒冷的类似唐人阁的论坛湿空气。和新罕布什尔州山区云层中的空气十分相象。
谢福推测冷空气中不能形成冰晶可能是因为缺少如爱特金提到过的结晶中心。谢福往他的小机器里呼一大口气,然后开始冷却,再往冷空气中投放一点点粉末,比如面粉、糖粉等等。谢福耐心地做了几个月实验,往机器里扔进去各种他能够想得出来的各种各样的粉末,但是竟然没有一种物质可以形成雪花或雨珠凝结的中心。
1948年7月里的一个上午,炎日当空。谢福继续耐心地往冷空气里一次次地扔进各种粉末,仍然没有结果。这时,谢福的一个朋友邀清他去吃饭。谢福筋疲力尽,很乐意借此休息一下。临走,他把制冷器盖好,口朝上,使较重的冷空气沉到底部.不致逃逸出来。
谢福匆匆吃完午饭,心里还惦记着机器中的冷空气。他回到制冷机旁,一看温度计,已经上升到冰点以上了,不禁有些懊恼。几个月来,他专心致志地做实验,竟没有注意到盛夏已经不知不觉快要到了。谢福心想,大热天做冷冻实验,以后可得多留神些。今天的实验怎么办呢类似唐人阁的论坛?他把盖子盖紧,耐心地等着制冷机重新使空气降温。谢福注视着缓缓下降的水银柱,心里着急,他转身找到一点干冰,想用来加快空气降温的过程。
谢福打开制冷机的盖子,把冒着白汽的干冰扔进去。这时,他又往制冷器里长长吐了一口气。突然感到眼前一片银色的光芒在闪烁,在射进制冷机的一束金色阳光里,他看见了无数晶莹的银色晶体在滚动。谢福立刻明白了,这正是他梦寐以求的冰晶。经过无数次失败,他竟然在偶然的一挥手之间成功了。谢福连忙叫来助手,他往制冷器里长长地吐了一口气,同时又扔进一大把干冰。这时立刻出现了一片银光灿烂的小冰晶,缓缓地落下去,仿佛一层美丽的白色绒毛——人造雪的实验成功了。
谢福想,既然能在实验室中制造雪花,为什么不在田野上的云朵中去试试呢?他决定在飞机上装一架喷撒干冰的装置,飞上天试试看。
11月里寒冷的一天,谢福和兰格缪尔看见天边出现了一片云。谢福立刻登上飞机。他知道很可能要飞许久才能找到适于播撒干冰的云层。这是一种体积硕大的灰色云朵,里面饱含着水汽。谢福选好时机,开动了机器,干冰像一条拖曳的飘带落在云朵中。喷撒了一半,干冰使周围气温降低,竟使飞机的发动机也熄了火。谢福急中生智,把剩下的干冰立刻从机舱窗口统统扔到下面的云层中。
在地面上等待的兰格缪尔博士仰望着从云端飘然而下的洁白的雪花,万分激动,谢福从飞机上走下来时,浑身冻得发青,兰格缪尔欢呼着跑过去迎接他,欣喜地喊道:“你创造了历史上的奇迹!”谢福的实验确实在人类影响天气的历史上揭开了新的一页。从此,牧场、田野和山区的上空,时常飞翔着科学家的飞机,他们在云层中倾撒干冰,让晶亮的雨滴滋润干渴的植物的根须。
谢福发现了用冷冻的方法可以形成人造雨之后,就不再去苦心寻求可以形成水滴中心的物质了。但是,通用电气公司的另一位青年科学家伯纳德冯尼古特却不满足谢福的结论。正象当初年青的谢福有志于探索未知事物一样。他相信爱特金关于雨滴中心有微细颗粒的结论是有根据的。他查阅了大量资料,希望找到一种体积和形状都适于形成水珠或冰晶中心的化学物质。冯尼古特最终选定了碘化银。他采用燃烧后得到的极细的粉末,希望撒播在云层中后形成雪花。
发射 发射
冯尼古特采用地面发射装置把碘化银发射到云层中,耐心地等待着。不料却毫无动静。冯尼古特百思不得其解,前去请教一位化学家。他们很快发现了原因,原来冯尼古特使用的碘化银不够纯净。他很快换了新的碘化银,射入云层之后,果然纷纷扬扬飘下了洁白的雪花。
碘化银催雨剂一经使用,很快获得了比干冰更为广泛的应用;因为碘化银很容易从地面上用简单的装置发射到云层中,不象使用干冰那样麻烦。使用干冰有时还有些危险。有几次巨大的干冰块直坠屋顶,凿成大洞,引起一片恐慌。
在成功的事实面前,最保守的人也承认,现代的人工降雨是控制天气的一大进展。今天,耕云播雨已经不是神话。谢福和冯尼古特的发明,给苦于干旱的人们带来了福音。他们勤于观察、勤于思索、锲而不舍的探索精神,
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参考资料
词条标签:
科技 农业 军事