人工增雨

目錄

[隱藏顯現(xiàn)]

1 發(fā)展歷程

2 科學(xué)原理

3 人工影響降雨

4 設(shè)備選型

5 實(shí)施條件

6 對(duì)人無(wú)害

7 常見(jiàn)的人工降雨劑

1. 7.1 干冰
2. 7.2 碘化銀

8 費(fèi)用昂貴

首次實(shí)現(xiàn)人工降雨的科學(xué)家是杰出的美國(guó)物理化學(xué)家歐文·朗繆爾。歐文·朗繆爾，1881年1月31日生于美國(guó)紐約市布魯克林。他從小對(duì)自然科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)極感興趣。他年輕時(shí)就有一個(gè)偉大的理想：實(shí)現(xiàn)人工降雨，使人類(lèi)擺脫靠天吃飯的命運(yùn)。朗繆爾經(jīng)過(guò)深入地研究，終于搞清了有云未必就下雨的原因，是因?yàn)樵浦斜恕⒈У臄?shù)目太少了。

當(dāng)時(shí)，在人們中流行著一種觀點(diǎn)：雨點(diǎn)是以塵埃的微粒為“冰晶”，若要下雨，空氣中除有水蒸氣外還必須有塵埃微粒。這種流行觀點(diǎn)嚴(yán)重地束縛著人們對(duì)人工降雨的實(shí)驗(yàn)與研究。朗繆爾通過(guò)實(shí)驗(yàn)告訴人們：塵埃對(duì)降雨并非絕對(duì)必要，干冰具有獨(dú)特的凝聚水汽的作用，即相當(dāng)于云中的冰晶或冰核。溫度降低也是使水蒸氣變?yōu)橛甑闹匾蛩刂弧Ｋ趯?shí)驗(yàn)中不斷調(diào)整加入干冰的量和改變溫度，發(fā)現(xiàn)只要溫度降到零下40℃以下，人工降雨就有成功的可能。朗繆爾發(fā)明的干冰布云法是人工降雨研究中的一個(gè)突破性的發(fā)現(xiàn)，它擺脫了舊觀念的束縛。之后，朗繆爾決心將干冰布云法實(shí)施于人工降雨的實(shí)踐。

1946年，已經(jīng)66歲的朗繆爾像年輕人一樣燃燒著探索自然奧秘的熱情。七月的一天，在朗繆爾的指揮下，一架飛機(jī)騰空而起飛行在云海上空。試驗(yàn)人員將207 千克干冰撒入云海，30分鐘以后，狂風(fēng)驟起，傾盆大雨灑向大地。第一次人工降雨試驗(yàn)獲得成功。朗繆爾開(kāi)創(chuàng)了人工降雨的新時(shí)代。

云是由水汽凝結(jié)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結(jié)核的數(shù)量、云內(nèi)的溫度所決定。一般來(lái)說(shuō)，云中的水汽膠性狀態(tài)比較穩(wěn)定，不易產(chǎn)生降水，而人工增雨就是要破壞這種膠性穩(wěn)定狀態(tài)。

通常的人工降雨就是通過(guò)一定的手段在云霧厚度比較大的中低云系中播散催化劑（碘化銀）從而達(dá)到降雨目的。一是增加云中的凝結(jié)核數(shù)量，有利水汽粒子的碰并增大；二是改變?cè)浦械臏囟龋欣麛_動(dòng)并產(chǎn)生對(duì)流。而云中的擾動(dòng)及對(duì)流的產(chǎn)生，將更加有利于水汽的碰并增大，當(dāng)空氣中的上升氣流承受不住水汽粒子的飄浮時(shí)，便產(chǎn)生了降雨。

世界上許多國(guó)家普遍使用碘化銀做人工降雨的催化劑。中國(guó)采用干冰和碘化銀穿插使用的辦法。干冰是由人工降雨飛機(jī)的艙底“漏斗”灑向云層的。碘化銀做催化劑時(shí)，可用火箭把碘化銀焰彈發(fā)射上去。分析表明，如果向一塊云層中射入碘化銀微粒，并收集隨之產(chǎn)生的降雨，這些雨水如由一人飲用的話，他所吸收的碘量與吃一個(gè)加鹽的雞蛋所吸收的碘量基本相等。若用干冰做催化劑（即固體二氧化碳），那就更不會(huì)影響環(huán)境了，因?yàn)榭諝庵斜緛?lái)就有二氧化碳。

碘化銀在人工降雨中所起的作用在氣象學(xué)上稱作冷云催化。碘化銀只要受熱后就會(huì)在空氣中形成極多極細(xì)（只有頭發(fā)直徑的百分之一到千分之一）的碘化銀粒子。

1g碘化銀可以形成幾十萬(wàn)億個(gè)微粒。這些微粒會(huì)隨氣流運(yùn)動(dòng)進(jìn)入云中，在冷云中產(chǎn)生幾萬(wàn)億到上百億個(gè)冰晶。因此，用碘化銀催化降雨不需飛機(jī)，設(shè)備簡(jiǎn)單、用量很少，費(fèi)用低廉，可以大面積推廣。除了人工降水（雨、雪）外，碘化銀還可以用于人工消云霧、消閃電、削弱臺(tái)風(fēng)、抑制冰雹等。

人工降雨就是根據(jù)自然界降水形成的原理，人為地補(bǔ)充某些形成降水所必須的條件，促使云滴迅速凝結(jié)或并合增大，形成降水。所采用的方法，因云的性質(zhì)不同，有以下幾種：
（一）人工影響冷云降水

中緯度地區(qū)冬季經(jīng)常出現(xiàn)大范圍的過(guò)冷卻層狀云，但很少降水。夏季也經(jīng)常出現(xiàn)云頂高于0℃層高度的積狀云，其中能產(chǎn)生降水的也為數(shù)不多。根據(jù)貝吉龍學(xué)說(shuō)，這種云之所以沒(méi)有降水，主要是云內(nèi)缺乏冰晶，云滴得不到增長(zhǎng)。影響冷云降水的基本原理是設(shè)法破壞云的物態(tài)結(jié)構(gòu)，也就是在云內(nèi)制造適量的冰晶，使其產(chǎn)生冰晶效應(yīng)，使水滴蒸發(fā)，冰晶增長(zhǎng)。當(dāng)冰晶長(zhǎng)大到一定尺度后，發(fā)生沉降，沿途由于凝華和沖并增長(zhǎng)而變成大的降水質(zhì)點(diǎn)下降，這就是所謂冷云的“靜力催化”。60年代又提出了“動(dòng)力催化”試驗(yàn)，其依據(jù)是：在云體的過(guò)冷卻（-10℃）部分，大量而迅速地引入人工冰核。當(dāng)冰核轉(zhuǎn)化成冰晶時(shí)，要釋放大量潛熱，使云內(nèi)溫度升高，形成或增大上升氣流，促使云體在垂直和水平方向迅速發(fā)展，相應(yīng)延長(zhǎng)云的生命期，加速云內(nèi)降水形成過(guò)程，從而增加降水量。靜力催化與動(dòng)力催化都是從影響云的微物理結(jié)構(gòu)著手，所不同的是靜力催化著眼于云內(nèi)水的相態(tài)不穩(wěn)定性，動(dòng)力催化立足于影響或加強(qiáng)云內(nèi)的熱力不穩(wěn)定。

在云內(nèi)人工產(chǎn)生冰晶的方法有二種，一種是在云中投入冷凍劑，如干冰（即固體二氧化碳），在1013hPa下，其升華溫度為-79℃。將干冰投入過(guò)冷卻云中后，在它的周?chē)觾?nèi)便形成一個(gè)冷區(qū)，在此冷區(qū)內(nèi)，過(guò)飽和度很大，因此水汽分子結(jié)合物能夠存在和長(zhǎng)大。試驗(yàn)表明，當(dāng)溫度低于-40℃時(shí)，即有自生冰晶。因此，在干冰周?chē)纬闪舜罅康谋咛ィ渲休^大的冰晶經(jīng)過(guò)湍流擴(kuò)散到四周空間，以后繼續(xù)成長(zhǎng)為更大的降水質(zhì)點(diǎn)而下落。在不同溫度下，干冰所產(chǎn)生的冰晶數(shù)是不同的。理論計(jì)算指出，一克干冰所產(chǎn)生的冰晶數(shù)是隨氣溫的降低而增加的。溫度從-1℃降至-20℃時(shí)，所產(chǎn)生的冰晶數(shù)從5.55×1011個(gè)增到1.22×1014個(gè)，它比實(shí)驗(yàn)值要大些。按實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，當(dāng)云溫為-2—-15℃時(shí)每克干冰可產(chǎn)生8×1011個(gè)冰晶。

另一種方法是引入人工冰核（凝華核或凍結(jié)核）。人們認(rèn)為碘化銀是一種非常有效的冷云催化劑。碘化銀具有三種結(jié)晶形狀，其中六方晶形與冰晶的結(jié)構(gòu)相似，能起冰核作用，適用于-4—-15℃的冷云催化。每克碘化銀所能產(chǎn)生的冰晶數(shù)視溫度而定，溫度低，有效冰核數(shù)目多，產(chǎn)生的冰晶數(shù)也多。例如當(dāng)溫度t=-10℃時(shí)，一克碘化銀能產(chǎn)生1010—1012個(gè)冰核，當(dāng)t=-20℃時(shí)則能產(chǎn)生1016個(gè)冰核。

對(duì)碘化銀成冰作用的機(jī)制，多年來(lái)爭(zhēng)論很大，有人認(rèn)為水汽分子直接在AgI質(zhì)點(diǎn)上凝華形成冰晶，碘化銀起凝華核的作用。也有人認(rèn)為碘化銀起凍結(jié)核作用，一開(kāi)始碘化銀質(zhì)點(diǎn)作為凝結(jié)核形成水滴，然后再凍結(jié)產(chǎn)生冰晶。另外也有人認(rèn)為碘化銀起接觸核的作用，也就是碘化銀質(zhì)點(diǎn)與過(guò)冷水滴互相碰撞后凍結(jié)而形成冰晶。有的云霧工作者又提出這樣的看法：自然界中的水汽過(guò)飽和度一般是小于1％的，當(dāng)溫度低于-12℃時(shí)，碘化銀質(zhì)點(diǎn)的成冰機(jī)制主要是凝華作用。當(dāng)溫度在-12—-5℃時(shí)，主要是起先凝結(jié)后凍結(jié)的作用。當(dāng)溫度等于-5℃時(shí)，起接觸核的作用比較明顯。

（二）人工影響曖云降水
整個(gè)云體溫度高于0℃的云稱為暖云。中國(guó)南方夏季的濃積云、層積云多屬于這種云。在暖云中，膠性穩(wěn)定狀態(tài)的維持往往是由于云中缺乏大水滴，滴譜較窄，沖并作用不易進(jìn)行之故。暖云內(nèi)不可能有冰晶效應(yīng)，促使降水形成起決定性作用的是水滴大小不均勻和沖并過(guò)程。因此，要人工影響暖云降水可以引入吸濕性核（如食鹽）。由于其能在低飽和度下凝結(jié)增長(zhǎng)，故可在短時(shí)間內(nèi)形成數(shù)十微米以上的大滴。也可直接引入30—40μm的大水滴，從而拓寬滴譜，加速?zèng)_并增長(zhǎng)的過(guò)程，達(dá)到降水的目的。或引入表面活性物質(zhì)（能顯著減小水滴表面張力又可抑制蒸發(fā)的物質(zhì)），改變水滴的表面張力狀態(tài)，以利于形成大水滴并促使其破碎，加速鏈鎖反應(yīng)，從而形成降水。

中國(guó)南方大量的野外試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在暖性對(duì)流云頂播撒大顆粒（直徑大于100μm）、大劑量（每千米幾十千克）的鹽粉，效果很顯著。對(duì)于發(fā)展快、垂直厚度大、含水量豐富而又有上升氣流的暖性對(duì)流云進(jìn)行反復(fù)催化，可以得到大量降水。但是這種方法消耗食鹽量大，效率低。要求飛機(jī)有較大的載量。

在美國(guó)、澳大利亞和中國(guó)都曾對(duì)暖云作過(guò)播散大水滴的試驗(yàn)，用飛機(jī)從云頂或云下部撒水。發(fā)現(xiàn)能使暖云降水有所發(fā)展，并可使薄云消散。用這種方法要求飛機(jī)有較大的載量，其效能也不如播散吸濕性物質(zhì)。

在試驗(yàn)中應(yīng)用的人工降雨裝置有側(cè)噴式、下噴式、擺動(dòng)式等。這些裝置一般只有100m2左右的降雨面積。實(shí)體模型的水平面積將在10000m2以上。對(duì)于在大范圍進(jìn)行人工降雨試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)選用何種降雨裝置，也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，它涉及未來(lái)試驗(yàn)研究的開(kāi)展。

根據(jù)實(shí)體模型建設(shè)和試驗(yàn)研究的需要，人工降雨裝置必須符合以下要求：
1、裝置的降雨均勻性好，能夠滿足試驗(yàn)；
2、裝置可以模擬降雨強(qiáng)度的空間和時(shí)間變化，并可模擬黃土高原的高強(qiáng)度降雨過(guò)程；
3、裝置的可擴(kuò)展性好（易組合，易移動(dòng)）；
4、裝置便于自動(dòng)化控制；
5、裝置的可靠性高，便于維護(hù)；
6、造價(jià)較低；
7、便于與正在建設(shè)的比尺模型降雨裝置協(xié)調(diào)和協(xié)同試驗(yàn)，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)有可比性。

通過(guò)分析比較，選擇下噴式人工降雨裝置，該裝置可以同時(shí)滿足以上7項(xiàng)要求。
1、該裝置的降雨均勻性系數(shù)大于85%，具有較高的降雨穩(wěn)定性，可重復(fù)性好。生成的雨滴特性與天然降雨雨滴特性具有較高的相似性。
2、可生成的降雨強(qiáng)度范圍為30mm-240mm/h。可以模擬實(shí)現(xiàn)天然降雨條件下的連續(xù)變雨強(qiáng)降雨過(guò)程。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)刻，裝置的雨滴生成速度快，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻，噴頭噴水迅速停止，基本不存在噴頭滴水現(xiàn)象；雨強(qiáng)轉(zhuǎn)換速度快。
3、該裝置由孔徑大小不同的，獨(dú)立的噴頭組成，每個(gè)模擬降雨單元裝置由16個(gè)噴頭組成，可以根據(jù)需要任意擴(kuò)展。經(jīng)過(guò)裝置的輕量化改進(jìn)后，可以從一個(gè)地點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)地點(diǎn)。
4、該裝置的噴頭采用電磁閥，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，操作系統(tǒng)采用WINDOWS2000。
5、該裝置在運(yùn)行過(guò)程中，只要供電正常，水質(zhì)清潔，可以保證試驗(yàn)研究的持續(xù)進(jìn)行，具有較高的可靠性。日常維護(hù)主要是清潔水池、防止噴頭堵塞。
6、該裝置造價(jià)較低，安裝的裝置（含自動(dòng)控制系統(tǒng)），平均每m2降雨面積造價(jià)3300元，隨著降雨面積（規(guī)模）的擴(kuò)大，單位降雨面積造價(jià)將大幅度降低。考察擺動(dòng)式降雨裝置，每m2降雨面積造價(jià)高達(dá)7000多元。
7、模型黃土高原比尺模型建設(shè)的降雨裝置也采用該類(lèi)型裝置，系統(tǒng)相同，可以在今后的試驗(yàn)研究中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同試驗(yàn)。

在小流域?qū)嵤┤斯そ涤辏枰M(jìn)一步對(duì)降雨裝置進(jìn)行深化研制。初步考慮有三種備選方案：一是地面鋪設(shè)式。即將采用的下噴式人工降雨裝置在距離地面10m的高度內(nèi)鋪設(shè)。相當(dāng)于裝置的機(jī)械擴(kuò)展。該方案優(yōu)點(diǎn)是裝置在技術(shù)上較成熟，不需要再進(jìn)行率定；缺點(diǎn)是小流域地面高低不平，架設(shè)存在一定難度，同時(shí)裝置對(duì)地面干擾較大，影響試驗(yàn)觀測(cè)。二是高空懸掛式。在小流域兩側(cè)的山梁上架設(shè)鋼索，將降雨噴頭懸掛其上。該裝置的最小高度要滿足兩側(cè)山梁頂部的降雨要求。該方案的優(yōu)點(diǎn)是將已有裝置機(jī)械高移，可以直接建設(shè)，裝置對(duì)地面沒(méi)有干擾，缺點(diǎn)是架設(shè)難度較大，且高空水分蒸發(fā)損失較大，需要重新率定。三是高空噴射式。在兩側(cè)山梁上架設(shè)不同口徑、不同壓力的高壓噴頭，相對(duì)均勻噴灑，實(shí)現(xiàn)降雨要求。該方案的優(yōu)點(diǎn)是架設(shè)相對(duì)簡(jiǎn)單，但裝置沒(méi)有先例，需要從頭研制，且高空噴灑水分蒸發(fā)量大。

人工降雨是要有充分的條件的。一般自然降水的產(chǎn)生，不僅需要一定的宏觀天氣條件，還需要滿足云中的微物理?xiàng)l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，沒(méi)有這個(gè)條件，天氣形勢(shì)再好，云層條件再好，也不會(huì)下雨。

然而，在自然的情況下，這種微物理?xiàng)l件有時(shí)就不具備；有時(shí)雖然具備但又不夠充分。前者根本不會(huì)產(chǎn)生降水；后者則降雨很少。此時(shí)，如果人工向云中播撒人工冰核，使云中產(chǎn)生凝結(jié)或凝華的冰水轉(zhuǎn)化過(guò)程，再借助水滴的自然碰并過(guò)程，就能使降雨產(chǎn)生或使雨量加大。催化劑在云中起的作用，打個(gè)不太確切的比方說(shuō)，就好像是鹽鹵點(diǎn)豆腐，使本來(lái)不會(huì)產(chǎn)生的降水得以產(chǎn)生，已經(jīng)產(chǎn)生的降水強(qiáng)度增大。

人工降雨的原理是讓積雨云中的水滴體積變大掉落下來(lái)，高炮人工降雨就是將含有碘化銀的炮彈打入有大量積雨云的4000至5000米高空，碘化銀在高空擴(kuò)散，成為云中水滴的凝聚核，水滴在其周?chē)杆倌圻_(dá)到一定體積后降落。碘化銀由炮彈輸送到高空，就會(huì)擴(kuò)散為肉眼都難以分辨的小顆粒。

和巨量的水滴相比，升上高空的碘化銀只是滄海一粟，太多了不僅不會(huì)增雨反而會(huì)把積雨云“嚇跑”，所以，在如此懸殊的情況下，人們絕不會(huì)感覺(jué)到碘化銀的存在。

此外，炮彈彈片在高空爆炸后會(huì)化成不足30克，甚至只有兩三克的碎屑降落地面，其所落區(qū)域都是在此之前實(shí)驗(yàn)和測(cè)算好了的無(wú)人區(qū)，不會(huì)對(duì)人體造成傷害，同時(shí)，人工降雨已有一段歷史，技術(shù)較為成熟，所以對(duì)人工降雨人們不必心存疑慮。

運(yùn)用云和降水物理學(xué)原理，通過(guò)向云中撒播催化劑（鹽粉、干冰或碘化銀等），使云滴或冰晶增大到一定程度，降落到地面，形成降水。又稱人工增加降水。其原理是通過(guò)撒播催化劑，影響云的微物理過(guò)程，使在一定條件下本來(lái)不能自然降水的云，受激發(fā)而產(chǎn)生降水；也可使本來(lái)能自然降水的云，提高降水效率，增加降水量。撒播催化劑的方法有飛機(jī)在云中撒播、高射炮或火箭將碘化銀炮彈射入云中爆炸和地面燃燒碘化銀焰劑等。

干冰

干冰是二氧化碳的凝結(jié)固態(tài)。干冰的溫度是攝氏的負(fù)78.5度，因此在保持物體維持冷凍或低溫狀態(tài)下非常有用.干冰能夠急速的冷凍物體和降低溫度并且可以用隔離手套來(lái)做配置。干冰已經(jīng)被廣泛的使用在許多層面了，干冰在增溫時(shí)是由固態(tài)直接升華為氣態(tài)，直接轉(zhuǎn)化為氣體而省略掉轉(zhuǎn)為液態(tài)的程序，因此其相變并不會(huì)產(chǎn)生液體，也因此稱它做“干冰”。要將二氧化碳變成液態(tài)，就必須加大壓強(qiáng)至5.1大氣壓才會(huì)出現(xiàn)液態(tài)二氧化碳。

制造人造雨：利用飛機(jī)將干冰灑在云上，云中的小水滴就會(huì)被凍結(jié)成許多小冰晶，促使更多的水蒸氣凝結(jié)在上面，化為雨滴，降落到地面。
制造云霧：由于干冰的溫度很低，升華后低溫的二氧化碳?xì)怏w碰到空氣后，可以使空氣中的水蒸氣凝結(jié)成小水滴，所以有白煙出現(xiàn)，所以舞臺(tái)表演上，常使用干冰來(lái)制造云霧般的特殊效果。
冷凍劑：由于二氧化碳比空氣重，干冰升華后仍可包覆在冷凍的物品上，能夠維持較好的冷凍效果，尤其是在空運(yùn)需要特別冷凍的物品，往往都使用它。

碘化銀

碘化銀（AgI）為碘和銀的化合物，黃色粉末（558度~），見(jiàn)光分解，并大量吸熱，先變灰后變黑，不溶于水和氨水，用于照相術(shù)和人工降雨的晶核。

目前人工增雨主要有兩種方法。一種是用飛機(jī)把干冰等冷卻劑撒播到云中，使云內(nèi)溫度顯著下降，細(xì)小的水滴冰晶迅速增多加大，迫使它下降形成降水。而另一種是利用火箭、炮彈把化學(xué)藥劑打向高空，轟擊云層產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，使云滴與云滴發(fā)生碰撞，合并增大成雨滴降落下來(lái)。

兩種增雨方式成本不一樣，選擇火箭炮轟擊主要從節(jié)約成本出發(fā)，因?yàn)橐淮物w機(jī)播撒成本高達(dá)幾百萬(wàn)元。

上海首次施行人工增雨的初步預(yù)算中寫(xiě)道，實(shí)施一次人工增雨需要470萬(wàn)元，其中僅僅直接作用于云層的催化劑一次就需要40萬(wàn)元。當(dāng)然這份等待批準(zhǔn)的預(yù)算中不僅有飛機(jī)租用費(fèi)、播撒設(shè)備等硬件費(fèi)用，還包括地面監(jiān)測(cè)費(fèi)用、人力資源費(fèi)用等幾十項(xiàng)。

人工增雨所用的火箭彈一枚的價(jià)值在4000元左右，用于使用的人工增雨火箭發(fā)射架價(jià)值在20萬(wàn)元左右。火箭彈屬于軍火，從運(yùn)輸費(fèi)、押送費(fèi)、保管費(fèi)、發(fā)射費(fèi)等都是一筆不小的開(kāi)支。還有那么多工作人員背后默默地付出不能不算，每次都要發(fā)射探空氣球，而且還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，這些間接投入不好算，也算不清。

另?yè)?jù)江蘇省一份《人工影響天氣作業(yè)表》顯示，2000年到2004年，全省共發(fā)射增雨火箭872枚，增雨17.5億立方米。其中2004年已發(fā)射106枚，增雨1.1億立方米。而人工增雨還需要GPS定位系統(tǒng)等多種設(shè)備及其他費(fèi)用，所以成本比較昂貴，但投入產(chǎn)出比還是比較劃算的 。

根據(jù)世界公認(rèn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，人工增雨投入產(chǎn)出比普遍都在1∶5以上，比較高的地區(qū)能達(dá)到1∶30。

而且無(wú)論是緩解電荒，或是除旱減災(zāi)，人工增雨對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益是顯而易見(jiàn)的。