人工降雨的科学原理

人工降雨的科学原理 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。 降雨的形成 在云块中，随着空气中水汽的不断补充，过饱和的水汽继续不断地在云滴上凝结和凝华，使云滴继续增大，当增大到一定程度，由于重力作用，云滴开始下落，在下落过程中，大的云滴下降速度快，小的云滴下降速度慢，因此大的云滴会赶上小的云滴，合并成更大的云滴，如此下去，云滴就象滚雪球一样越聚越大，最终落向地面，成为雨滴。 在夏季晴朗的日子里，当某地区存在暖湿时，便会产生对流运动。暖湿气流从地面升起，因绝热达到过饱和而凝结成云。在下降气流控制的地方，空气绝热增温，空气相对温度较小，云无法产生，于是便形成了一朵朵的顶部凸出、底部平坦像馒头一样的淡积云，若对流继续发展，由于上升气流的中部比周围强，于是便形成了象山峦或宝塔那样的浓积云和更加宠大的犹如巍巍高山的积雨云了。 专家解释人工降雨的形成有两个必要条件，一个是当地天空中拥有水汽较丰厚的云层，第二个是大气环流的走向。而这两个条件都需要有精确的实时气象资料。 专家还否认了人工降雨会造成灾害性天气的说法，专家认为，人工降雨的原理是人为地把云层中的水汽迫降成雨，水汽本身就不丰厚，造成暴雨的几率很小。 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。 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雾、消闪电、削弱台风、抑制冰雹等。 人工降雨要在云富含水汽情况下进行。 [编辑本段]人工降雨的条件 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。 [编辑本段]人工降雨对人无害 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。 人工影响云雨是人类控制自然的重要方面。一百多年前，我国就有炮轰雷雨云的防雹尝试。近几十年来，科学技术的进步，国内外人工影响云、雾、降水的方法取得 了很大的进展。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，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。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。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。 参考资料:《气象学与气候学(第三版)》作者:周淑珍 人们利用干冰升华吸热的特点进行人工降雨。将干冰“喷”入冷空气层，干冰会很快升华，在升华过程中将吸收大量的热量，使其周围的冷空气层的温度急剧下降，这时冷空气层中的水蒸气便会变成小冰晶。小冰晶逐渐变大后下落，在下落中遇到暖气流就会熔化而形成雨。