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。