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Materials

人工降雨真的有用吗?

研究者们正在将结冰研究与遥感技术相结合,为人工降雨方法提供坚实的科学依据

by Janet Pelley
May 30, 2016 | APPEARED IN VOLUME 94, ISSUE 22

 

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Credit: Jim Brandenburg/Minden Pictures/Newscom
一架飞机在北达科他州发射炮弹造云。

2012 年 8 月 12 日,正在警戒待命的 Weather Modification 公司的飞行员们,从该公司的气象学家那里收到指令,登上飞机前往亚伯达省卡尔加里市西边的一处正在酝酿中的雷暴区域。他们的任务是:向积雨云中发射装满碘化银的炮弹,来防止形成能够摧毁庄稼、破坏汽车的冰雹。

一部分飞行员的目标是积雨云位于 2000 米高度处的平缓、无雨的底部,此处的上升气流能够将无机的化合物吸进云内部。其他飞行员则飞往 5500 米的高空,穿过云浪的顶部。

到达指定位置后,飞行员们弹出安装在飞机上的炮弹。从理论上讲,发射出的碘化银颗粒能够催化云中的过冷水滴,使它们能够在较高的温度下就能凝固,而且数量也比原来多。飞行员们希望这种方法能够对云中的水蒸气进行重新分配,从而释放出雨和小冰雹,而不是原来预计的像高尔夫球那么大的冰雹。

 

晚些时候,雷达数据显示这场暴雨比预测的严重程度降低了接近 27%,Terry Krauss 说。他是亚伯达恶劣天气管理学会的一位气象学家,该学会是一家由保险公司资助的非营利性机构。他说:“我们的数据显示,这种降雨技术可能避免了 1 亿加元的住宅和车辆损失。”他还补充道,在恶劣的暴风雨天气下,哪怕冰雹的强度只降低 1%,减少的损失也远远超过亚伯达的防雹计划每年 4 百万加元的成本。

多年来,人工降雨除了用于减小雹灾,也用来为水库和地下蓄水增加降雨和降雪。这些小型的项目并不能同那些试图通过改变地球对太阳能的反射作用来改造气候的地球工程方案混为一谈。目前,全世界有 50 多个国家采用人工降雨技术。

人工降雨变得越来越普遍。根据联合国的预测,到 2030 年为止,全世界将有一半的人口生活在水资源紧张的地区。今年,阿联酋向日本、德国和阿联酋的人工增雨研究者提供了 5 百万美元的经费来研究这一问题。

所以,人工降雨这种备受吹捧的技术,其实还没有从统计学上得到有效的证明,这一点看起来有点奇怪。人工降雨在 70 年前第一次进行试验,从那以来对此技术的热情推动人们进行了多次实验,并得出年降雨量增加 10% 甚至更多的结论。但这些研究缺乏统计学上的严谨性。而在人工降雨研究中进行对照实验是一种挑战:只要对一片云进行了处理,就没办法再测量这片云在没有人工降雨的情况下会下多少雨或多少雪。就算是水分子在催化剂上的结晶过程背后的基本原理,我们也尚未弄清。

20 世纪 80 年代以后,由于数百万美元的研究经费投入只得到少得可怜的结果,对于气象改造的研究大大减少。但最近十年以来,遥感和建模领域的进展和结冰的物理过程方面的最新研究,让我们重新看到了为人工降雨寻找更为坚实的科学依据的希望。

冰启始之谜

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Credit: 图片由 Angelos Michaelides 提供
在该模拟图中,水分子(红色和白色粒子)附着到铜表面时形成了五边形晶格。
Credit: 图片由 Angelos Michaelides 提供
在该模拟图中,水分子(红色和白色粒子)附着到铜表面时形成了五边形晶格。

1946 年,现代人工降雨技术诞生于著名的表面科学研究员 Irving Langmuir 在通用电气公司的实验室。他的同事 Vincent Schaefer 和 Bernard Vonnegut(作者 Kurt 的兄弟)发现碘化银能够在 –10 到 –5 °C 的温度下将过冷的水蒸气变成冰晶。在自然条件下,过冷水蒸气在由粉尘甚至细菌形成的颗粒(即冰核)表面发生凝结并凝固后,就会形成云。纯水的水滴要到温度降至 –40 °C 才能形成冰晶。但如果云内含有气溶胶粒子,那么水分子就可以在 –20 到 –5 °C 的较高温度下利用这些“种子”的固体表面来形成晶体。

Schaefer 和 Vonnegut 推断,空气中自然冰核的稀缺必然对降雨量产生限制,因此他们开始进行大气试验,向云中注入人工冰核,由此诞生了一门新的产业。研究者们认为碘化银是一种很好的成核剂,因为它的六角形晶格与冰和雪花中的水分子形成的晶格几乎一模一样,由六个水分子组成的单元与其十分相似。Weather Modification 公司的气象副总裁 Bruce Boe 说,碘化银是冷云造雨的首选催化剂,不过一些公司也会采用氯化钾和干冰。

伦敦大学学院的理论化学家 Angelos Michaelides 说道:“Vonnegut 提出碘化银是一种有效的冰核成核剂,因为它能够提供与冰的结构类似的六边形晶体模板。这种观点非常引人注目,也得到了广泛的认可。”但这种理论仍然缺乏事实依据,因为科学家们尚未确定这种凝固过程的真正原理。“对于水在从液态转变到固态的过程中形成的结构,我们仍然所知甚少,尤其是这个过程在碘化银等其他材料表面发生的时候,”他说。

冰核过程很难通过实验来研究,因为目前的成像仪器无法在结冰过程中拍摄清晰的单个分子图像,Michaelides 说道。所以他和同事们设计了纳米级计算机模拟程序,来解读物理图像结果。计算机模拟能够按照量子力学的法则对分子之间的相互作用进行预测。

例如,在 2009 年,Michaelides 和他的团队与利物浦大学的实验者们合作,利用扫描隧道显微镜来观察水在铜表面的结冰过程。通过对实验得到的图像数据进行模拟,他们得到了很强的证据,证明铜表面生成的 1 纳米宽的链条并不是来源于水的六面结构 — 即传统的冰晶格 — 而是来自于五个水分子结合后形成的一组五边形(Nat. Mater. 2009, DOI: 10.1038/nmat2403

这些研究结果表明,关于碘化银这种成核剂为什么这么有效,Schaefer 和 Vonnegut 的假说并不正确。因此,最近,Michaelides 和他的团队用计算的方法设计了一系列假想的表面,这些表面的晶体结构与冰的匹配程度各不相同。科学家们在计算机模拟中让冰在这些表面上成核,结果发现表面与冰结构的相似度同其形成冰核的能力之间并没有简单的相关性(J. Am. Chem.Soc. 2015, DOI: 10.1021/jacs.5b08748

与其类似,最近一项关于冰核细菌的研究同样提出,表面并不一定要与冰晶的结构相匹配才能促使水变成固态。滑雪胜地在造雪机中加入丁香假单胞菌,因为其表面的蛋白质能够在冰熔点 (0 °C) 左右的温度条件下使水凝固。“但没有人知道蛋白质触发结冰作用的分子机制,” Tobias Weidner ,他是普朗克聚合物研究所的一名物理学家。

Weidner 和他的同事们利用和频振动光谱和计算机模拟,证明该细菌外细胞膜上的蛋白质能够制造交替的疏水和亲水点(Sci.Adv. 2016, DOI: 10.1126/sciadv.1501630)。这种简单的排列能够通过将水分子变成高密度和低密度的紧凑形状来促进冰晶的形成。如果我们想创造一种新的云催化剂,可能是一种聚合物颗粒,“那么可能可以在纳米尺度上设计这种疏水和亲水模型,” Weidner 说。

所有这些发现都让科学家们更加接近良好的冰核成核剂的形成方法和原因。“我们希望我们的研究能够得出一个整体的、具有一定预测价值的理论,让我们设计和找到能控制成冰过程的新材料,” Michaelides 说道。

探测云层

人工降雨是如何起作用的
Credit: Yang H. Ku/C&EN/Shutterstock
气象改造公司从飞机或地面向云层发射炮弹,想要增加降水量或是防止雹灾。

去年,一项大型的,持续六年之久的研究终于落下帷幕。这是目前为止对于人工降雨是否真正能够增加降水这个课题所作的最为全面和严谨的研究。该研究叫做怀俄明气象改造试验项目(WWMPP),由来自政府、学术机构和私人企业的研究者团队进行。WWMPP 最终未能给出一个确定的答案。“但研究结果提供了大量证据,显示人工降雨在某些条件下是有用的,”美国国家大气研究中心 (NCAR) 的大气科学家 Roelof Bruintjes 说道。他本人并未参与该研究项目,但他在 NCAR 的同事们在项目中起到了重要作用。

早期的研究将碘化银注入到云中,然后对人工降雨区域内外的降雨量进行比较。但这种研究无法进行复验,而试验次数也不足以证明观测到的降雨量增加并不是偶然造成的。Bruintjes 说,测量气象改造的效果时面临的一大问题是,自然形成的雨雪,其可变性是人工催雨所增加雨量的 10 到 100 倍。

然而,WWMPP 的研究者们仍然认为他们有办法解决过去这些研究的缺陷。他们对这项耗费 1 400万美金的研究项目进行了精心设计,在怀俄明的群山之中工作了六个冬季。他们完成了 150 多次试验,随机选择进行人工降雨的云区和未进行人工降雨云区作为控制组。

地面上的高分辨率雪量计的测量数据显示,人工降雨使得降雪量增加了 5-15%。但这些结果不包括碘化银飘到控制组云层的情况或没有释放足够的种云材料的情况,研究者们排除了这些情况下的试验结果,所以最终结果并不具有统计学上的意义。“尽管如此,所有这些结果证明趋势是乐观的,” Bruintjes 说道。

科学家们还利用遥感技术和大气建模领域的最新成果来考察其中一部分催化云内部的动态。

云雷达是一种基于激光的雷达,又称为光学雷达。该团队利用光学雷达和其他技术,对催雨过程中的系列步骤进行了研究,包括从催化材料的分布,到过冷液态水转变成冰的过程,最后到降雪的堆积。利用光学雷达的反射信号,研究者们能够实时监控对过冷液态水在碘化银颗粒表面凝结的同时发生的下落情况。云雷达对雪颗粒数量的增加进行了跟踪。

遥感观测结果非常重要,因为雷达比雪量计能够更直观地描述云团内的雪量增长情况。 Bart Geerts 是怀俄明大学的一名大气科学家,参与了 WWMPP 项目。他说:“相对于测量地面雪量的随机统计学实验,云层动态的详细遥感测量成本更低,而且更有可行性”。

结合遥感设备和建模技术,他们证实了人工催化后云层内部的雪颗粒大小和数量都有增加。“根据该模型,在碘化银烟云的中心,我们可以看到降雪率增加了一倍或者更多,” Geerts 说道。但最终研究者们没能在足够长的时间内获得足够的遥感数据,对他们认为自己观察到的影响进行量化。

另外一项气候建模实验在 WWMPP 的研究区域持续了八个冬季,得出的估计是,该区域冬季 30% 的降雨来自于可以催化的云团。但并不是所有的山区云团都适合人工降雨, 美国国家海洋和大气管理局的气象学家 Jaclyn Ritzman 说道。温度、风速和方向都必须刚刚好。基于人工降雨增加了 10% 的降雨量这一假设,Ritzman 和她的团队提出,人工降雨最多能够将整个冬季的积雪增加 3%。

但并不是所有人都相信人工降雨的益处。Rob Jackson 说, WWMPP 报导的结果同十多年前美国国家科学院 (NAS) 关于人工改造天气的一篇报告并无二致。NAS 报告的结论是,很难清楚地证明人工降雨具有很显著的效果。“我认为,你可以在某些条件下在某些区域增加一点点降雪或是降雨,但哪个项目要是说能够可靠地增加降水量,就是另一回事了,”他说。

担忧依然存在

即使人工降雨能够成功地增加降水,环保卫士们也对于其影响忧心忡忡。针对这些担忧,一位科学家给出了回应。Shawn Benner 是来自博伊西州立大学的一位地球化学家,他说:“人工降雨后,在积雪层中几乎不可能探测到碘化银信号,这证明人工降雨的环境风险很低。”

雪中碘化银的自然本底水平是兆分之 1 到 2,而人工降雨后,研究者们测量到的水平是 4 到 20 ppt。尽管大剂量的银对水生生物有毒性,但降雨后地表水中发现的银离子水平远远低于 50000 ppt 的毒性阈值,Benner 说道。“不过,如果人工降雨的做法大规模普及,银离子毒性和其他环境问题可能会令人担忧”,Jackson 说。

除了银的毒性问题,一些人工降雨的批评者还对打破自然界的平衡提出质疑。大气中的含水量是由蒸发和降水之间的平衡来决定的。如果大规模实施人工降雨,那么可能增加人工降雨区域外的蒸发作用,Jackson 说道。“很明显,在一个地方下的雨本来应该下在别的地方。但更大的问题是,这雨本来应该为谁下,还有这种做法会不会对别的东西有影响?”他补充道。

对于这种担忧,Weather Modification 公司的 Boe 的回答是,根据大气分配理论,人工降雨不会从下风区域抽走水分。他认为,因为云只是大气中水分的一小部分,即便人工降雨达到 15% 的效果,也只会从人工降雨区域抽掉水蒸气总量的 1% 到 2%。

随着干旱长期笼罩美国大平原地区和西部区域,州和地方水资源管理部门似乎并不担心人工降雨的不确定性问题,其中一部分原因是,同潜在效益相比,成本显得非常小。德州农工生态农业推广服务机构的一项新的研究显示,如果人工降雨使年降雨量增加一英寸,那么每投入一美元进行气象改造,庄稼的丰收和灌溉的减少就会产生 19 美元的回报。

“但目前人工降雨更像一种艺术,而不是一种科学”,Jackson 说。他认为,随着各国不断向气象改造投入亿万美元的资金,我们需要进行更多的研究,以理解这种方法是否有效,以及其对环境、社会、和管理的影响。

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