Засів хмар для посилення опадів

Фізика надхолоджених хмар

Вода не завжди замерзає при нульовій температурі. У чистих, відносно безчастинкових хмарах рідкі краплі можуть існувати при температурах від мінус десять до мінус сорока градусів Цельсія перед спонтанним замерзанням. Це пояснюється тим, що утворення льоду, як і більшість фазових переходів, потребує початкової точки, процесу, який називається нуклеацією. Чиста водяна пара не має мікроскопічних поверхонь або домішок, які дозволяють кристалам льоду починати рости, тому вона залишається в метастабільному рідкому стані, відомому як надхолодження. Хмари, що складаються переважно з надхолоджених крапель, є поширеними в зимових штормах, хмарах гірських хвиль та верхніх частинах багатьох конвективних систем. Ці хмари є основною ціллю гліціювання, оскільки вони, у певному сенсі, готові та чекають на тригер. Без достатньої кількості природних кристалів льоду, відомих як ядра конденсації льоду, що дрейфують по хмарі, формування опадів може бути неефективним або затриманим. Атмосфера дійсно містить природні ядра конденсації льоду, мінеральний пил, біологічні частинки та інші аерозолі, але їх концентрація варіюється надзвичайно залежно від місця розташування, сезону та повітряного масу. У чистих морських повітряних масах або певних континентальних умовах брак ефективних ядер конденсації льоду може залишати хмару з великою кількістю рідкої води, яка ніколи не перетворюється на падаючий опад. Розуміння цієї різниці між водою, яку містить хмара, та водою, яку вона фактично вивільняє, є центральним для всієї логіки внесення ядер конденсації льоду. Техніка не створює води з нічого; вона намагається більш ефективно перетворити воду, яка вже присутня в хмарі, на опад, який досягає землі, і лише в хмарах, де ця неефективність дійсно існує.”]} p2: [

Гляциогенетичне посіювання: срібний йодид та сухого льоду

Найбільш усталений метод модифікації погоди – гляциогенетичне посіювання, яке спрямоване на хмари, що містять надхолодне рідке воду. Срібний йодид є основним матеріалом завдяки структурі його кристалічної решітки, яка нагадує звичайний лід, достатньо близьку, щоб утворення льоду могло початися безпосередньо на його поверхні при температурах до -4°C – -6°C, процес, який називається нерівномірним зародженням. Срібні йодидні частинки зазвичай генеруються шляхом горіння розчинів ацетону з срібного йодиду на наземних генераторах або шляхом скидання піротехнічних факелів з літаків, що створює величезну кількість мікроскопічних частинок, які розподіляються по цільовій хмарі. Сухий лід, твердий вуглекислий газ, працює за повністю іншим механізмом. Лід у вигляді кульок надзвичайно холодний, приблизно -78°C, і викликає інтенсивне локальне охолодження при падінні через хмару. Це екстремне охолодження може призвести до того, що краплі безпосередньо навколо нього замерзнуть без потреби в будь-якій зародковій поверхні, процес, який іноді називають гомогенним або майже гомогенним заморожуванням. Після того, як утворення кристалів льоду відбулося будь-яким із методів, бере на себе процес Вегнера-Бергера-Фіндейзена. При заданій температурі нижче нуля насичена парціальна тиск над льодом менший за насичений парціальний тиск над рідкою водою. Це означає, що повітря одночасно трохи перенасичене відносно льоду, а водночас недостатньо насичене навколишніми рідкими краплями. Таким чином, водяний пар дифундує до і відкладається на кристали льоду, а рідкі краплі випаровуються, щоб поповнити цю пару. Кристали льоду ростуть за рахунок крапель, часто досить швидко, поки вони не стануть достатньо важкими, щоб впасти у вигляді снігу або дощу, якщо вони тануть під час падіння.

Гігроскопічне посіювання: Працюємо з теплими хмарами

Не всі хмари, що виробляють дощ, достатньо холодні, щоб містити перехолоджені краплі. Багато тропічних і сезонних теплих хмар утворюють опади лише за допомогою ліквідного процесу – механізму зіткнення-злиття, коли краплі різних розмірів стикаються та зливаються, рухаючись крізь хмару, поступово збільшуючи свій розмір до тих пір, поки вони не стануть достатньо великими, щоб впасти на землю у вигляді дощу. Гігроскопічне посіювання спрямоване на ці тепли хмари шляхом введення сольових частинок, зазвичай калію хлориду, натрію хлориду або гідроксиду кальцію, які часто випускаються у вигляді спалахів з літаків, що пролітають через нижні шари підйому хмар. Ці солі гігроскопічні, тобто вони швидко приваблюють і поглинають водяну пару з оточуючого середовища. Розподіляючись у хмарі, сольові частинки швидко ростуть до надзвичайно великих крапель порівняно з природним населенням крапель у хмарі. Оскільки ефективність зіткнення-злиття значною мірою залежить від наявності діапазону розмірів крапель, ці переросли сольові частинки, посіяні, діють як ефективні збирачі, збираючи менші краплі, коли вони падають, і прискорюючи зростання крапель дощу, які в іншому випадку зайняли б більше часу для утворення або взагалі не утворилися б, перш ніж хмара розсіюється. Цей підхід особливо актуальний для регіонів, таких як частини Африки, Південної Америки та Південно-Східної Азії, де домінують теплі конвективні хмари, і методи, засновані на льоді, просто не застосовуються, оскільки температури ніколи не падають нижче, щоб підтримувати льодовий процес. Дослідження гігроскопічного посіювання мають коротшу та, в певних аспектах, менш послідовну історію, ніж роботи з срібного йодиду, і залишаються питання щодо оптимального розподілу розміру частинок і часу випуску, необхідних для надійної підтримки злиття без створення занадто великих або занадто малих крапель, щоб мати значний ефект.

Історичні програми та оперативна практика

Зміни погоди проводилися з кінця 1940-х років, коли Вінцент Саєфер і Бернард фон Невґут у General Electric вперше продемонстрували, що сухий лід та пізніше срібний йодид можуть викликати утворення льоду в суперхолодневих хмарах. З того часу програми з розпорошення кристалів льоду діють у десятках країн, спрямовані на збільшення снігового покриття в гірських масивах для підвищення водозабезпечення, спроби збільшити опади над сільськогосподарськими регіонами та, в деяких випадках, придушення ураження врожаю граду. У західних штатах США, включаючи Колорадо, Юту, Айдахо та Вайомінг, діють зимові орографічні програми розпорошення, що використовують срібний йодид з наземних генераторів, розташованих противітряно від гірських хребтів, щоб збільшити снігове покриття, яке пізніше живить водосховища. Китай оперує однією з найбільших програм зміни погоди у світі вже десятиліттями, використовуючи літаки, наземні генератори та ракети, подібні до противітряних, для розпорошення кристалів льоду перед великими подіями та під час посухи. Багато інших країн, включаючи Об’єдначених Арабських Еміратів, Таїланд та Австралію, проводили або продовжують проводити операційні програми. Ці програми зазвичай обґрунтовуються комбінацією фізичних міркувань, сприятливими атмосферними умовами для розпорошення та статистичного порівняння періодів, коли проводилося розпороження, з історичними нерозпилованими періодами. Оперативні програми, як правило, не мають суворих контролів, властивих науковим експериментам, оскільки для цього потрібно було б відмовитися від потенційно корисної інтервенції в районах, де відчувається нестача води, лише заради чистого контрольного групи, компроміс, який оператори та спонсори часто не готові прийняти, хоча це обмежує те, що можна вивести з результатів.

Постійна невизначеність у вимірюванні ефективності

Незважаючи на приблизно вісімдесят років досліджень, центральне наукове питання – скільки додаткового опадів виробляє посів хмар – залишається справді нерозв’язаним для більшості операційних контекстів. Основна складність полягає в тому, що це проблемна задача з протиставленням: неможливо точно знати, скільки опадів створила б конкретна посівна хмара, якби її не обробляли. Дослідження, які використовують випадкове призначення хмар для обробки або без обробки та статистичне порівняння результатів, дали деякі з найбільш переконливих позитивних результатів. Програми штату Вайомінг із модифікації погоди та дослідження в долині Пейтте (Ідахо) часто цитуються як виробляють відносно сильних фізичних доказів вимірюваного ефекту посіву в певних абографічних зимових штормових умовах, зазвичай оцінених у діапазоні від кількох відсотків до приблизно п’ятнадцяти відсотків додаткового опадів у сприятливих випадках. Однак багато інших експериментів, включаючи велику кількість старих експериментів середини XX століття, дали невідповідні, непослідовні або статистично незначущі результати, а деякі добре спроєктовані випадкові дослідження не виявили жодного вимірюваного ефекту. Організації, такі як Світова метеорологічна організація та Національні академії наук, неодноразово заявляли, що хоча основні фізичні механізми є обґрунтованими і можуть бути безпосередньо спостережені в ідеальних умовах, їх переклад на надійне, кількісне збільшення опадів у різноманітних хмарах, рельєфах та типах штормів, що зустрічаються в повсякденних операційних програмах, залишається науково нерозв’язаним. Існує безліч збурюючих факторів: природна варіабельність опадів величезна, відповідні цільові хмари не завжди правильно ідентифікуються заздалегідь, матеріал для посіву не завжди досягає призначеної частини хмари та статистичне розрізнення сигналу посіву від природного шуму вимагає значно більшої кількості повторних експериментів, ніж проводять більшість програм.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Cloud Seeding for Precipitation Enhancement і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.