人工影響天氣(weathermodification)指用人為手段使天氣現(xiàn)象朝著人們預定的方向轉(zhuǎn)化,如人工增雨、人工防雹、人工消云、人工消霧、人工削弱臺風、人工抑制雷電、人工防霜凍等。人類活動無意識地使天氣發(fā)生變化,如都市對天氣的作用等,不屬于人工影響天氣,而稱為人類對大氣的無意識影響。
人工影響天氣主要是利用云(霧)的微物理不穩(wěn)定性。例如在溫度低于0℃的冷云中往往存在著大量未凍結(jié)的水滴,播撒成冰催化劑可使它們轉(zhuǎn)化為冰晶以促進水滴的形成,釋放的潛熱會改變云的熱力、動力結(jié)構,在不同場合下可以促進降水、減少冰雹、消云(霧)或者減小臺風風力;在暖云(霧)中播撒大小適當?shù)柠}粉可以促進雨滴的生成,在不同場合下可以促進降雨或者消云(霧)。從自然變化中把播云造成的變化區(qū)分開來是很困難的,因此人們對于人工影響天氣試驗的效果存在著不同的看法和估價。
總之,除人工消除過冷霧的技術比較成熟,已在一些重要機場投入使用外,總的說來,人工影響天氣尚處于試驗研究階段。
簡史
從避雷針開始,到往云層里播撒食鹽、干冰和碘化銀,影響天氣的嘗試,幾乎可以說古已有之。
1、從避雷針開始
人類最早影響天氣的科學嘗試,也許應該追溯到避雷針。避雷針一般認為是富蘭克林在1749年發(fā)明。實際上首次有科學根據(jù)的人工影響天氣建議是美國氣象學者伊斯派于1839年提出的,他認為在潮濕的空氣中可用烈火產(chǎn)生上升氣流來造云致雨。
2、不成功的嘗試
使用炮擊消除冰雹的做法到最近30年才普遍使用,但是最早的嘗試是在1896年,一位意大利市長斯汀格使用一個2米高的大炮產(chǎn)生沖擊波來消除冰雹,在實驗的2年之內(nèi)沒有雹災發(fā)生。1918年,法國科學家把裝滿液化氣體的炮彈發(fā)射到空中。1921年和1924年,美國科學家兩次用飛機向云層播撒帶電沙粒,試圖促使云層碰撞而降雨。這些實驗基本上都失敗了。
3、朗繆爾-沙弗爾實驗
歷史上首次成功的人造雨雪發(fā)生在1946年11月13日,由美國通用電氣公司聘請的化學家艾爾文?朗繆爾設計實驗,他的助手文森特?沙弗爾駕駛飛機,在馬薩諸塞州格雷洛克山上空把2.7千克干冰倒在云層中,引發(fā)了一場暴風雪。
4、中國的第一次
中國最早做的人工降雨是在1958年,吉林省這年夏季遭受到60年未遇的大旱。這次作業(yè)用的是食鹽,由空軍二航校的飛行員周正駕駛一架杜-2型轟炸機,在云層播撒了將近200千克。杜-2型轟炸機是當時解放軍的主力機型,這次行動也是一次準軍事行動。
5、引導天雷
最早的人工引雷實驗應該是法國人做的。但紐曼等人利用火箭拖導線技術,于1960年在美國最早實現(xiàn)了真正實用意義上的人工引雷。20世紀70年代,研究者們發(fā)現(xiàn)用紅外或紫外激光也能實現(xiàn)引雷。
6、阻止颶風
20世紀60年代美國軍方秘密啟動了"風暴狂人"項目,試圖在大西洋上使用人工降雨技術來改變颶風的生成規(guī)律。這個計劃只對少數(shù)的颶風進行了測試,因為資料還未解密,至今也不清楚該項目是否成功。
7、被禁止的氣象武器
1967-1972年,美國曾進行過"中間人-愛國者行動",利用飛機播撒干冰的方法人工降雨,延長雨季,用于截斷越南的"胡志明小道"。這一行動先后出動2600架次飛機,造成山洪暴發(fā),殺傷巨大。1978年,一項國際條約禁止將人工影響天氣用于軍事和敵對目的。
8、中國人的應用
1987年5月,大興安嶺特大火災中發(fā)射了降雨彈4700發(fā),據(jù)說在一定程度上減小了火勢。20世紀90年代,國外對人工影響天氣的興趣開始減小。2009年2月,中國北方地區(qū)發(fā)生了38年罕見的干旱,很多地方使用碘化銀炮彈促使增加降水,使人工增雨在中國成為新話題。
方法
人工影響天氣最主要的方法是播云,即用飛機、火箭或地面發(fā)生器等手段向云中播撒碘化銀等催化劑,改變云的微結(jié)構,使云、霧、降水等天氣現(xiàn)象發(fā)生改變。
按對象的性質(zhì)不同,播云所用的催化劑也不同,其催化過程可分為兩類:
①冷云催化。溫度為0~-30°C的云中,往往存在過冷卻水滴,若在這種云中播撒碘化銀或固體二氧化碳(又稱干冰)等成冰催化劑,可以生成大量的人工冰晶。這類催化劑的成冰效率很高,1克催化劑就可生成數(shù)量級為1萬億個的冰晶,使1立方公里云體內(nèi)產(chǎn)生濃度為1個/升的冰晶。在某些云中,人工冰晶通過伯杰龍過程可形成降水,從而達到人工降水的目的。在強對流云中,人工冰晶能長大成冰雹胚胎,同自然冰雹爭奪水分,使各個冰雹都不能長成危害嚴重的大雹塊,這樣可達到防雹的目的。在過冷云(霧)中,人工冰晶使云(霧)滴蒸發(fā)而自身長大下落,又可達到消云(霧)的目的。在冷云催化過程中釋放的巨大潛熱會改變云的熱力、動力過程,著力于這種動力效應的催化稱為動力催化。動力催化可使某些對流云的云體發(fā)展而增加降水。在臺風云系某些部位的動力催化,可能改變臺風的環(huán)流結(jié)構而削弱其最大風力,從而減輕臺風造成的災害。
②暖云催化。在云中播撒直徑略大于0.04毫米的水滴,使它們同云滴碰并,長成雨滴而降落到地面。此法效率很低,每克水大約只能形成幾百萬個雨滴胚胎。如果播撒大小適當?shù)奈鼭裥喳}粒,也能促成雨滴的生成,且效率比播撒水滴高,每克食鹽大約能形成幾千萬個雨滴胚胎,再通過碰并過程形成雨滴,此法可促使暖云增加降水。在暖霧或某些暖云中播撒鹽粒使霧滴或云滴蒸發(fā),鹽粒吸濕長大下落,也可達到消霧或消云的目的。
播云的手段有三種:
①地面播撒,通過空氣運動,帶入云中。此法雖然簡易,但催化劑從何處入云,能有多少入云,都很難掌握。
②將催化劑裝入火箭彈頭或高射炮彈內(nèi),發(fā)射到云中的預定部位。此法雖迅速和直接,但是載量有限。
③用飛機將催化劑直接播入云內(nèi)。此法機動性強,載量也大,但有時受飛行安全的限制。
除播云方法外,用加熱空氣的方法消霧或防霜凍,也有一定效果。但此法耗費很大,只能用于很小的范,如機場跑道的消霧和果園的防霜凍。此外,用向上噴射的高溫氣流以促使空中或云中的局部空氣產(chǎn)生對流運動,增加局地的水汽凝結(jié)和降水;改變地面狀態(tài)或在空氣中播撒碳黑微粒以吸收更多的太陽輻射,改變局地空氣的熱力結(jié)構。這些方法還處于探索階段。
人工影響天氣涉及多種學科和技術。它的理論基礎是大氣科學,特別是云和降水物理學。它在試驗設計和效果檢驗中,廣泛應用數(shù)理統(tǒng)計的成果。在播云催化劑的研究過程中,要用到結(jié)晶學和表面化學等學科的知識。催化劑在空中和云中的擴散,涉及了大氣湍流和小尺度運動。在觀測技術方面,涉及氣象要素和云中微粒的測量技術、氣象雷達(包括多普勒雷達、雙波長雷達)技術、微波探測技術、氣象衛(wèi)星測量以及示蹤劑測量、超微量化學分析等。在播云技術方面,涉及火箭、炮彈和煙火劑等的設計和制作問題。在數(shù)值模擬的進展方面,則依賴于電子計算機的發(fā)展狀況。從另一方面說,人工影響天氣的開展,也促進了大氣科學及有關領域的發(fā)展。