播雲催化劑
播雲催化劑
為改變雲(霧)的微結構和演變過程而往雲(霧)中播撒的物質,又稱人工催化劑。為了人工降水、防雹、消雲、消霧、削弱颱風和抑制雷電等目的,使用播雲催化劑。它們的作用是在過冷雲中製造冰晶以誘發伯傑龍過程,或在暖雲中製造大雲滴以誘發碰並增長(見雲和降水微物理學)。
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播雲催化劑
人工影響天氣過程中,為改變雲(霧)微結構與演變過程,向雲(霧)中播撒的物質,稱播雲(霧)催化劑。選用催化劑必須考慮有效、經濟、不污染環境、容易播撒、安全無毒害等。當今所用催化劑有三類:①吸濕性巨核,包括鹽(NaCl)、氯化鈣、尿素和液水等,它們常用於對曖雲的催化劑。②致冷劑,包括乾冰(固體CO2)、液態丙烷、液氮、液態空氣等,它們常用於對冷雲作催化。投入冷雲后,將使它們周圍空氣急速降冷,產生大量冰晶胚胎,並進一步生成冰晶。以乾冰為例,實驗室結果是:每1克乾冰可產生1萬億個冰晶。③人工冰核,包括碘化銀(AgI)等無機冰核及介乙醛等有機冰核,其中以碘化銀最常用。它們常用於冷雲增雨和防雹試驗中,把它們播入雲層,使雲增加大量冰核,進而生成大量冰晶,造成增雨或消雹的效果。
根據人們的意願,通過人為干預,使某些局地天氣現象朝有利於人們預定目的的方向轉化,以克服或減輕惡劣天氣引發的災害,這種改造自然的科學技術措施稱人工影響天氣。由於天氣過程的能量十分巨大,一個10立方公里的雲體,其含水量的凝結潛熱相當於10萬噸煤燃燒發出的熱量,而一個颱風的水汽每分鐘釋放的潛熱,便相當於20個百萬噸級核彈爆炸所釋放的能量數。因此直接製造和消滅一個天氣過程是不可能的,比較現實的作法是在雲、降水和其他過程中某些關鍵環節,施放一些催化劑,因勢利導,促使天氣過程按預定方向發展,以少量代價換取巨大經濟效益。
中國人從17世紀至今的土炮、火炮消雹,便是人工影響天氣的例子。目前正在各國試驗的人工影響天氣項目有:人工降水、人工消霧、人工防雹、人工削弱颱風、人工消雲、人工防霜凍、人工抑制雷電等。我國從50年代開始,至今已在大多數省(自治區)開展了人工影響天氣試驗。世界上第一次對自然雲作人工催化試驗則是1946年美國V.J. 謝費爾等進行的,從那時起至今,全世界已有80多國家與地區開展過人工影響天氣試驗。
在人工影響冷雲(霧)的試驗中,用以產生冰晶的微粒。應用最廣的是碘化銀 (AgI)微粒。它是B.馮內古特於1946年11月發現的。製造碘化銀微粒的方法主要有三種:①將碘化銀溶於碘化銨(或碘化鉀、碘化鈉)的丙酮溶液中,配製成濃度為1~10%的碘化銀溶液,將其噴入高溫火焰中燃燒,這時碘化銀汽化,在空氣中遇冷而形成微小的晶粒。②將碘酸銀 (AgIO3)和高溫燃燒劑(鋁和鎂)混合,作為煙火劑,製成飛機用的焰彈、火箭焰彈和地面用的煙火筒等,它們在空中燃燒后,可產生大量的碘化銀微粒。③將碘化銀裝入火箭或炮彈頭部,用炸藥爆炸,形成微粒而分散在雲中。此外,為人工影響冷雲,也曾利用碘化鈉和硝酸銀製備碘化銀水溶膠進行噴撒。除碘化銀外,曾選用碘化鉛(PbI2)、硫化銅(CuS)等無機化合物以及四聚乙醛【(CH3T(CHO)4】、乙醯丙酮銅絡合物(Cu【CH·(CO·CH3)2】2)、間苯三酚【C6H6(OH)3】等有機化合物作為人工冰核物質,但它們的效果都不及碘化銀。
衡量人工冰核物質優劣的指標:①成冰閾溫,指開始顯著起到冰核作用的溫度上限。成冰閾溫高的物質,表示它可在溫度較高的過冷雲中起成冰作用,這種物質的使用機會較多。②成冰率,指在一定溫度下每克物質能產生的冰晶數目,成冰率高,則成冰催化劑的用量可以節省。此外,選擇人工冰核物質時,還必須綜合考慮其來源、價格、製備方法的難易、有無毒性等因素。
人工冰核具有成冰率隨溫度降低而增大的重要特性。如碘化銀煙粒中,能起成冰作用的粒子數目隨溫度降低而增多,在環境溫度為-10~-20℃的條件下可使1克碘化銀產生約1012~1014個冰晶(見圖)。然而人工冰核的成冰能力還同粒子的大小有關:同一種成冰物質,粒子越小,成冰溫度要求越低。因此,雖然溫度降低時,成冰作用的粒子數目會增多,即單位質量的催化劑形成的粒子數增多,但小到一定程度(例如碘化銀粒子半徑小於0.1微米)之後,粒子的成冰能力因受溫度的影響而迅速降低,因此,人工冰核物質所能達到的成冰率受到一定的限制。人工冰核成冰作用的物理機制,仍在探索之中。碘化銀所以具有這種成冰性能,一般解釋為碘化銀與冰的晶體結構非常相似。碘化銀不溶於水,且與水滴接觸或吸附水分子后仍能維持其晶格結構,這些特性有利於在碘化銀微粒表面上形成冰胚。其他一些物質,特別是一些有機化合物的成冰作用機制,則更為複雜,雖有過一些假說,但都尚無定論。
用局部致冷的方法產生冰晶的冷雲催化劑。應用最廣的是乾冰。乾冰在常壓下的升華溫度為-78.5℃,升華熱為142.5千卡/公斤。把乾冰粒子投入過冷雲時,將使其周圍的空氣急速冷卻,造成水汽達到高度過飽和狀態。在氣溫低於-40℃的最冷區域內產生的大量冰晶胚胎,經過氣溫高於-40℃的次冷過飽和區內時,水汽將進一步在其上凝華,而迅速長成冰晶。室內實驗結果表明,每克乾冰可產生約1012個冰晶,在環境溫度低於-2℃的條件下,此值沒有明顯的變化,且同乾冰粒子的大小無關。而在外場試驗中,乾冰粒子在下落過程中能影響的雲層厚度,同粒子大小有關。試驗結果,直徑為0.4厘米和0.1厘米的乾冰粒子其直接作用的鉛直厚度分別為300米和14.5米。除乾冰外,常用的成冰冷卻劑還有液化丙烷。每克丙烷可產生約1011個冰晶。由於使用時液化丙烷必須從高壓容器中噴出,因此在雲中使用受到了限制,故常用於地面消除過冷霧。
人工影響暖雲(霧)試驗中用以形成大雲(霧)滴的吸濕性微粒,常用食鹽等無機鹽製成。在使用中要求根據吸濕核的凝結增長特性和雲(霧)的條件,將吸濕性物質按設計要求加工成一定大小的顆粒。吸濕核吸濕之後,成為溶液滴。因為鹽溶液的平衡水汽壓低於純水的飽和水汽壓,所以雲中的鹽溶液滴,處於高過飽和狀態,能迅速凝結而長成大雲(霧)滴,再通過重力碰並而產生降水。鹽溶液滴在增長過程中,由於吸收水分而不斷稀釋,當增長至一定大小時,其平衡水汽壓接近於環境水汽壓,使增長過程變得非常緩慢。達到這樣大小的溶液滴的半徑(平衡半徑)γm與吸濕核原來的半徑γo之比,因吸濕物質不同而異,可用來衡量暖雲催化劑的優劣。一般地說,此比值越高,催化劑用量就越節省。其中t為增長到γm所需時間,試驗的環境相對濕度為98%,Rm為出現凝結增長的環境最低濕度。
食鹽的主要特點是吸濕能力強、無毒、來源廣,在相對濕度高於78%的環境條件下開始凝結增長;在飽和的濕空氣中,食鹽粒子能迅速增長至其原來尺度的3倍左右。食鹽的缺點是有腐蝕性,加工和保存比較困難。
除食鹽外,用於人工影響天氣試驗的其他吸濕性物質,還有尿素、氯化鈣,以及硝酸銨和尿素的混合液。此外,能否用某些表面活性物質作為暖雲催化劑的問題,也進行過很多研究,但還很少用於外場試驗。