人類求雨新妙招

辛魚

“呼風喚雨”一直是人們的美好愿望，南北朝的地理名著《水經(jīng)注》中有一段“祈雨”的記載：“天旱，燃木崖上，推其灰燼，下移淵中，尋即降雨?！边@場祈雨比殺豬宰羊的祭祀靠譜得多，在高高的崖上，通過燃燒木材加熱空氣，熱空氣上升，到了高空遇冷凝結(jié)成水珠，水珠達到飽和狀態(tài)，就會降雨。隨著科技的進步，人類“呼風喚雨”的夢想正在變成現(xiàn)實，人工降雨便是為此而生。

經(jīng)典方法：向空中打炮

我們已經(jīng)知道，降雨必須具備3個條件：充足的水汽、上升的氣流及足夠的能凝聚水滴的凝結(jié)核，這三個條件中我們最容易做到的就是增加凝結(jié)核的數(shù)量，向空中打炮就是為了增加凝結(jié)核。

云是由許多溫度在0℃以下的水滴組成的。當云里沒有凝結(jié)核時，水滴會長期懸浮在空中，不會形成降雨，這時候我們?nèi)绻蛟旗F中發(fā)射能作為凝結(jié)核的炮彈，就可以產(chǎn)生降雨，碘化銀是最常用的一種炮彈。研究者發(fā)現(xiàn)碘化銀的分子結(jié)構是六角形的，它與冰和雪花中的水分子的分子結(jié)構幾乎一模一樣，能夠在–10℃到–5℃的溫度下將水蒸氣變成冰晶，積聚更多的水滴，因此它是一種很合適的凝結(jié)核。

向空中打炮增加凝結(jié)核的方法在我國已經(jīng)多次使用，目前為止，我國氣象局下轄的人工影響天氣部門（簡稱“人影辦”）采用的人工降雨的方法就是這個，而最經(jīng)典的應用實例莫過于2008年北京奧運會開幕式中的人工降雨了。從8月8日的下午16時到23時39分，人影辦共在北京21個作業(yè)點持續(xù)發(fā)射了1104枚炮彈，總共在一萬平方千米的面積上播撒了15公斤的碘化銀。其目的有兩個，一是進行人工增雨，讓雨提前下完，二是往云層里播撒過量的凝結(jié)核，使每個核都無法形成足夠大的雨滴，讓雨“憋著不下”。

不過，這個經(jīng)典方法并不是次次見效的，它首先得滿足“有云”這個前提條件，在真正干旱的萬里無云的地區(qū)，碘化銀也是“英雄無用武之地”的。而且，就像北京打炮過量可以讓雨“憋著不下”一樣，可能我們本來是希望打炮以后會下雨的，但是多少炮彈能夠讓雨落下來而不是“憋著不下”，這個我們并不知道。如果這場雨本身就會下，打了炮彈會不會反而減少降雨量，這些都是很難控制的。

為求雨各出奇招

為了彌補經(jīng)典“求雨”方法在無云無水汽時無法生效的不足，世界各國科學家都想了不少新方法。

日本科學家設計了一種適用于沙漠地區(qū)的“人造山脈”降雨法。用玻璃纖維制成一座長1萬米，寬1000米，高600米的“人造山脈”，將這座“山脈”放置在需要降雨的地區(qū)，濕潤空氣遇到“山”的阻擋后會沿坡上升，到一定高度就會受冷凝結(jié)成雨水。

英國科學家則稱，他們用電力可以實現(xiàn)半徑為5000千米的半球區(qū)域內(nèi)的呼風喚雨，成功率達93%以上。他們沿英國西海岸布置了一系列電極，向大氣層輸入電能，使對流層中的鎂原子電離，產(chǎn)生靜電。根據(jù)大氣靜電學說，這些靜電離子可以作為凝結(jié)核吸附云中帶電荷的水汽形成水滴，從而降雨，而雨量足夠時，關閉電極就可以停雨。

更神奇的是，兩位俄羅斯科學家正在研究在晴天無云的情況下也能降雨的方法。一種方法是用功率足夠大的噴霧機向空中噴水霧。據(jù)測算，每立方米空氣只要0.5毫升水就能使空氣溫度下降1攝氏度，噴灑水霧后，近地面的溫度將降低，密度增大，周圍的熱氣會補充過來，將這里的空氣推擠上升，上升的氣流又把水霧帶到更高處，水霧與空氣中原有的水汽凝結(jié)成細小的水滴，最終達到降雨的目的。實驗結(jié)果顯示，向空中噴1000升水，可獲得100萬升雨水。

另一位科學家的方法是，利用風力搬運水汽。在降水豐富地區(qū)的河流、湖泊旁設置許多風力揚水、發(fā)電兩用站。當風從有水區(qū)域向干旱區(qū)域吹時，開啟這些風力泵，將水揚到幾十米高的空中，讓風將這些水汽帶到需要降水的地方去。

這些方法聽上去是不是都有些異想天開呢？我們暫且無法驗證這些方法是不是有效，畢竟每一個想法都需要消耗大量金錢去實施。不過有許多科學家都發(fā)現(xiàn)了這樣一個“趣聞”，細菌也能呼風喚雨！未來用細菌作為凝結(jié)核，可能比碘化銀更高效。

細菌求雨更給力

我們知道，水的凝固點是0℃，也許你會認為只要提供0℃以下的溫度，水就會結(jié)冰。其實不是這樣，科學家曾做過實驗，無雜質(zhì)的高純水在-40℃的溫度下仍然保持液態(tài)。那么為什么普通水在0℃以下就可以結(jié)冰呢？這是因為水中含有可以作為冰核的雜質(zhì)。

過去我們認為這些冰核主要是沒有生命的無機物質(zhì)，其實加速結(jié)冰的是細菌。

加拿大的一位叫做瓦力的博士生收集了許多以粉塵為冰核的雨雪樣本，發(fā)現(xiàn)這些樣本結(jié)冰溫度都在-5℃以下，這顯然與水0℃結(jié)冰的結(jié)論有些差距。瓦利開始很不理解，后來他隨意在雪地里抓了一把泥濘的雪并且未做滅菌處理，再去觀察這些雪水的結(jié)冰情況，發(fā)現(xiàn)它可以在-2℃時就結(jié)冰。前后兩個樣本的唯一區(qū)別就是是否有細菌。

難道是細菌使水的凝固點提高了？

為了進一步證實瓦利的觀點，研究人員取來了原本在-6℃以上溫度就可以結(jié)冰的雪水，當他們把雪水中的細菌殺死后，發(fā)現(xiàn)在同樣的溫度條件下，高達85%的水不再結(jié)冰了，情況與粉塵為冰核的樣本水相似，這說明活的細菌確實有促使水凍結(jié)的能力。

美國植物病理學家戴維·桑茲找到了細菌在較高溫度下使水結(jié)冰的原因，這其實是細菌的一種生存策略。他發(fā)現(xiàn)一種叫做丁香假單胞菌的葉棲細菌，它在低溫的條件下會生產(chǎn)一種特殊的蛋白質(zhì)，能“控制”水分子在它的表面有序排列，加速水結(jié)冰，接著它就可以用這些小而尖銳的冰晶撕開植物的葉片，吸取養(yǎng)分。這本來只是細菌的“捕食”方式，但當風將這種細菌帶到云中，它就可以使小液滴凝結(jié)成冰粒，成為降水的“幫兇”，加速降雨過程。

什么樣的細菌可以作為成冰細菌呢？20世紀80年代，美國威斯康星大學的博士生林多分離出了丁香假單胞菌的成冰基因。此后，研究人員相繼發(fā)現(xiàn)了其他四種能夠在較高溫度下形成冰核的細菌，它們也都擁有成冰基因。

但是云中確實存在這些成冰細菌嗎？研究人員常常乘坐飛機和熱氣球從高空中采樣，并在數(shù)十萬的樣本中尋找含碳、氮和磷的結(jié)構與細菌相似的生命體。功夫不負有心人，美國喬治亞理工學院的一個研究小組在1萬米高空的臺風云層中發(fā)現(xiàn)了314種細菌，而且發(fā)現(xiàn)這些細菌能夠忍受高緯度的紫外線輻射，并利用簡單的碳化合物作為自己的能量來源，這表明它們已經(jīng)適應了在云朵中的生活。而其他科學家小組通過對高空的云層冰晶進行采樣，發(fā)現(xiàn)大約40%的冰晶中的成冰冰核都是生物微粒。

現(xiàn)在我們可以得出結(jié)論，細菌確實可以幫助降雨。美國科學家做了一個試驗：從海洋里收集各種附著細菌的海藻，粉碎后，放入充滿水蒸氣霧的密室中，最終密室的霧凝結(jié)成了水滴，下起了暴雨。由此看來，用細菌粉末代替碘化銀來進行人工降雨是具有可行性的，而且細菌還具有獨特的優(yōu)勢，比起碘化銀在溫度最高為-5℃時才能結(jié)冰核，細菌在0℃以上也能結(jié)冰。

人工造雪已經(jīng)先一步用上了細菌。1980年美國就研發(fā)了由滅活細菌制成的Snomax生物冰核劑，它能在溫度為1.1℃時進行人工生物造雪，使用270克冰核劑便能使近40萬升水形成人造雪。生物冰核劑不僅在全球多個滑雪場中得到廣泛應用，更是在冬奧會中大放異彩。繼1985年加拿大冬奧會和1994年挪威冬奧會使用生物冰核劑后，我國中科院微生物研究所也在研究用微生物冰核蛋白進行人工造雪的課題，旨在為2022年北京冬奧會人工造雪的成功保駕護航。

人工生物造雪已經(jīng)實現(xiàn)，人工生物降雨還會晚嗎？對降雨的多種原因的深入研究，將使我們更高效地“呼風喚雨”。