現(xiàn)代人工影響天氣催化劑在增雨作業(yè)中的應(yīng)用

劉懷遠（長沙市氣象局，湖南 長沙 410205）

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現(xiàn)代人工影響天氣催化劑在增雨作業(yè)中的應(yīng)用

劉懷遠（長沙市氣象局，湖南 長沙 410205）

現(xiàn)代人工影響天氣通常是通過向低于0℃的過冷卻云中加人干冰或碘化銀，使過冷卻云中產(chǎn)生冰晶，從而達到人工激發(fā)降水的目的。在人工影響天氣領(lǐng)域中，人們一直在尋找更有效的增雨、防雹催化劑，或是效果明顯的消云、消霧催化劑。而今采用云的微物理敏感性對自然云系進行較小人為擾動，從而改變云和降水自然演變發(fā)展的過程，實現(xiàn)人工影響天氣。

人工影響天氣；催化劑；增雨

1　前言

人們一直在不停地研究著自然災(zāi)害給人類帶來的危害，與此同時，也在探索著減少危害的辦法。人工影響天氣作為大氣學科很重要的一個分支，是氣候科學對降水和云從原來的被動到主動逐漸發(fā)展的。人工干預(yù)天氣在實驗、理論、模擬、催化、測試等方面有了更大的發(fā)展。因為全球氣候變暖的影響，自然降水率不穩(wěn)定、地區(qū)分布不均衡，許多區(qū)域連年干旱，使我國成了全球水資源頻發(fā)的地區(qū)之一，人為的干預(yù)天氣尤其是自然云降水的復(fù)雜和多變性更加使人們在檢測作業(yè)效果和掌握作業(yè)條件及相應(yīng)的作業(yè)技術(shù)方法等方面面臨著極大地困難。催化劑在人工影響天氣中就顯得極其的重要。

2　人工影響天氣催化劑

吸濕性核、人工冰核和制冷劑三類催化劑是目前人們經(jīng)常采用的天氣催化劑，前一種用于暖云催化，后兩類被用于冷云催化。

2.1制冷劑

制冷劑在云層中會汽化，能夠使其局部超低溫，空氣的濕度完成過飽和，最終使水汽均質(zhì)的凝華形成冰晶，云中的過冷水滴同時也會自發(fā)凍結(jié)核化，并能夠使自然冰核快速的活化成冰。平時實際應(yīng)用中的制冷劑主要有液態(tài)丙烷（LP）、干冰、LN、LC等，大量的實踐結(jié)果和試驗表明，它的核率分別為1011～1013個/g、1012～1013個/g、1011～1012個/g。干冰汽化的潛熱是2.74×105J/kg，通常情況下把它粉碎形成直徑1cm的顆粒，儲藏于冷藏瓶，再用飛機在云層上部噴灑，一般需要云頂?shù)臏囟炔桓哂?7℃，用量通常為102～103g/km。LC的噴灑物為氣、固、液三相共存的混合物，其中固態(tài)粒子、液態(tài)存在時間大約為100～101s，顆粒尺度10-1～102μm，流束中單位體積質(zhì)量可以達到3.6g/m3。LN汽化的潛熱量為9.96×104J/kg，主要被用作飛機作業(yè)，盛裝LN的罐體符合要求的噴孔直徑為0.8mm、容器里的壓差是0.5個大氣壓，此刻LN的成核率是3.2×1012個/g，輸出量是3.6kg/h。1980年初的時候，前蘇聯(lián)最先采用LN做影響過冷霧和冷云的催化劑。LP汽化的潛熱是3.94×105J/kg，0℃以下就能夠起到核化作用，能儲藏于鋼筒中，因為防火隱患，地形云和機場消霧增雨作業(yè)作為其主要應(yīng)用（圖1）。

圖1

2.2人工冰核

AgI的結(jié)構(gòu)是呈六方晶形的，這種結(jié)構(gòu)相似于冰晶的晶格，AgI是使用范圍最廣的人工冰核。用AgI制備人工冰核的方法主要包括：碘化銀丙酮溶液燃燒和炮彈以及固體焰劑、爆炸焰彈等。Finnegan在研究發(fā)現(xiàn)核化時，主要是通過利用1m3等溫云室對AgI和Ag（ClI）這種方法，當尺度是500A°及以上的氣溶膠粒子在生成冰晶時，溫度在-20℃甚至溫度更低時達到最快的冰晶生成速度，1min之內(nèi)生成的95%的冰晶都是在溫度大約-10℃；AgI和Ag（ClI）的核化速率發(fā)生顯著的降低是當堿金屬 （如K、Na、Li、Mg）氯化物的濃度達到10-3g/L以上時，這就使得當AgI發(fā)生冰核時，堿金屬碘化物會在整個發(fā)生過程中產(chǎn)生負面影響。AgI丙酮溶液燃燒法主要是大范圍的使用在飛機作業(yè)以及地面作業(yè)中。因為AgI與丙酮是不能直接相溶的，所以在早期的主要的碘化銀丙酮溶液的增稠劑是碘化銨（NH4I）、碘化鈉（NaI）、KI，AgI氣溶膠的制備途徑主要是通過燃燒這種方式。在研究AgI的成冰活性的提高方法方面，美國科羅拉多州立大學在進行外場試驗時的冷云催化劑主要是由AgI-NH4I-水燃燒系統(tǒng)來提供的。DeMott生成AgI-AgCl復(fù)核的方法主要是通過AgI-NH4I-NH4ClO4-丙酮-水的燃燒系統(tǒng)，尤其是在-12℃時的成核率高于純AgI與NH4I生成的氣溶膠1個量級。Feng與Finnegan在上面方法的基礎(chǔ)上增加了NaClO4，同樣也生成AgI-AgCl-4NaCl復(fù)核，這種新改革就使得既能維持高成核率，又能使核化速率產(chǎn)生大幅度的提高。Scott等則在含有2AgI-NH4I的丙酮溶液中增加了BiI3，這就會有Bi2O3以及BiOI的產(chǎn)生，而在燃燒時產(chǎn)生AgI以及BiI3的復(fù)合氣溶膠，在溫度達到-10℃時的成核率為4.4×1014個/g。Finnegan研制出的新方法能夠產(chǎn)生 AgI0.78-AgCl0.22-0.125NaCl，這就使得NaCl的含量發(fā)生了大幅度的下降，進而就使得燃燒更容易。AgI焰劑（固體燃料發(fā)生器）的主要構(gòu)成材料包括AgI以及其他的粘合劑和氧化劑以及燃燒劑的混合物壓制以及膠注，而產(chǎn)生含大量的AgI氣溶膠顆粒的主要途徑是依靠燃燒，這樣就使得裝載運輸可以通過飛機實現(xiàn)，還可以投放和發(fā)射。Hendenson是最早使用AgI焰劑發(fā)生法的人，Burkardt等在1958年研究出焰劑中的氧化劑可用碘酸銀（A-gIO3），同時還可以生成AgI氣溶膠。最早使用含有高氯酸銨氧化劑的AgI復(fù)合焰劑的國家是前蘇聯(lián)，這使得成核率提高了整整一倍，緊接著發(fā)明了含有節(jié)銀劑的AgI焰彈新方法。Vonnegut、Passarelli等在實驗室研制出 AgI-AgBr、CuI-3AgI等用于碘元素或銀元素的部分元素的替換，這起到了消除AgI晶格參數(shù)和冰之間存在差別的作用以及提高成核率的作用。美國NEI公司發(fā)明LW-83焰劑（用于TB-1型焰彈）的主要目的在于節(jié)約AgI的使用量以及提高成核率，其中AgIO3占78%，含作為氧化劑的AgI，當其分解成AgI，此時剩余的O2會被釋放出來，這就使得AgI分解受到遏制。前蘇聯(lián)在地球物理觀測總臺的試驗中發(fā)現(xiàn)，單位質(zhì)量的成核率主要是受AgI和PbI2溶解濃度的影響，且兩者之間呈反比例關(guān)系。當溫度達到-7～-15℃時，AgI的成核率為3×1010～3×1014個/g，AgI濃度達到最合適時是在0.001～0.01%范圍內(nèi)。而南斯拉夫發(fā)明的VTG-8B焰劑（用于TG-10火箭），AgI的含量只有8%，當溫度達到-4℃時成核率能夠?qū)崿F(xiàn)1011個/g，這實現(xiàn)了在較高溫度時也可以出現(xiàn)較高的成核率。前蘇聯(lián)緊接著發(fā)明了含0.4% AgI的焰彈，當溫度達到-10℃以上時，成核率可以實現(xiàn)1015個/g。

2.3吸濕性核

暖云催化通常采用氯化鈣 （CaCl2）、食鹽 （NaCl）、尿素（NH2CONH2）以及硝酸銨（NH4NO3）等當做吸濕性核。印度的人工影響暖云試驗（WCME）噴灑滑石粉和細鹽粉按1：10比例混合的催化劑，催化劑的顆粒中值質(zhì)量是10-9g、直徑是10μm。南非采用基于美國海軍武器研究中心的方案研究制成了吸濕性催化焰彈，產(chǎn)生了平均尺寸大約0.5μm的小鹽顆粒。南非在1991～1996年間做了127次的隨機試驗，派出2架飛機，其中一架飛機在云底燃燒焰劑噴灑吸濕性核，另一架飛機在上一架飛機50m后面探測，結(jié)果為催化后6～10min的云中出現(xiàn)了大水滴，后來墨西哥的多次試驗也得到了相差不大的結(jié)果。泰國在Bhumibol流域進行的暖積云吸濕性催化試驗中發(fā)現(xiàn)，CaCl2相較于另外 3種化合物（NH2CONH2、NaCl、NH4NO3）的催化效果更好。我國研制的RC/XW新型消暖霧催化劑，它的成分是淀粉改性物質(zhì)，能夠消除含水量是0.3g/m3的暖霧。

最近的這些年，外國的氣象科學家先后研制成功幾種吸濕性的煙火催化劑，其中Mather、Eskom和Hindman的配方是最典型的，KCl、NaCl等吸濕性物質(zhì)是其主要的燃燒產(chǎn)物，平均顆粒半徑為0.3μm，相對于暖云催化偏小。法國的氣象科學家研制了一種CaCl2作為主要成分的焰劑，平均粒徑能夠增加到0.5μm。但它們作為暖云催化劑，能提高到1μm粒徑或者更高才是最好的。

3　總結(jié)

科學優(yōu)質(zhì)的人工催化手段結(jié)合高效的人工影響天氣的方法，使人工影響天氣技術(shù)向前邁進一大步。但是，在作業(yè)中人工影響天氣催化劑的實際作業(yè)效果如何，以及各催化劑在不同的天氣系統(tǒng)中的最佳播撒位置及最佳用量還需要人們一步一步探索。發(fā)展精準可靠、播撒能力強、方便靈活的運載工具是提高作業(yè)裝備性能的關(guān)鍵，在科學技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，需要加強對電子、通信、航天、互聯(lián)網(wǎng)等傳統(tǒng)和新興技術(shù)的集成應(yīng)用，形成現(xiàn)代化的增雨作業(yè)系統(tǒng)。

［1］許煥斌.關(guān)于在人工影響天氣中更新學術(shù)觀念的探討［J］.干旱氣象，2009，27（4）：305～307.

［2］張景紅，金德鎮(zhèn)，江中浩，等.納米碘化銀在人工影響天氣的應(yīng)用研究Ⅲ.表征實驗研究［J］.氣候與環(huán)境研究，2012，17（6）：678～682.

［3］吳琳，曾慶存，洪鐘祥.控制論與人工影響天氣Ⅱ：工程控制論在人工增雨作業(yè)中的應(yīng)用與建模［J］.氣候與環(huán)境研究，2012，17（6）：979～985.

劉懷遠（1971-），男，工程師，本科，主要從事人工影響天氣工作。

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2095-2066（2016）17-0267-02

2016-5-12