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为什么能人工降雨


写这个post的起因,是看了电影《战狼》-2015里的第47分50秒一段关于外军雇佣兵使用石墨粉的描述。

战狼中队长龙小云(女)说:
“他们在火箭弹里添加了大量的石墨粉,这种东西只有千分之一毫米,一旦爆炸,就会进入电子仪器,造成短路,甚至电弧燃烧,短时间内在空气中不会消失,飞机无法进入。”(注:因为石墨粉会使飞机电路板等短路,所有操作失灵)。

当即,红军旅长石青松下令:
“通知相关单位,对丛林实施人工降雨,一个小时内,用大雨把石墨粉通通冲刷干净”。

好了,问题来了,怎么人工降雨呢?为什么能人工降雨呢?


人工降雨

人工增雨(英语:rainmaking或cloud seeding),是指在天上有云的情况下,通过人工手段催化降雨。一般是通过降低云层中的温度,使云中小水滴凝聚形成大水滴从而实现降雨。


Cloud seeding can be done by ground generators, plane, or rocket.png

原理

人造雨的原理,主要是借催化剂改变云滴的性质、大小和分布的状况,制造云滴长大的条件,使其按照自然过程而形成降雨。催化剂是用高射炮把炮弹打到高空爆炸,而这些炮弹的弹头是使用经改装的非金属外壳

在对流层里,大气温度随高度增加而下降,因此形成云所在的高度越高则温度愈低,高度愈低则温度越高。云的温度高于0℃时称为暖云,低于0℃时称为冷云。

暖云里,小水滴经由碰撞与合并过程,变成大水滴,终至克服云内浮力而掉离云底,成为地面上的降雨。

冷云中,小冰晶成长至能克服云内浮力时而掉离云底,在降落过程中经过0℃高度时,融解为水滴,亦成为地面上降雨。

当云内水滴太小或缺乏冰晶而无法降雨时,我们利用人工方法去产生冰晶或使小水滴长大,促使其产生降雨现象,称为人造雨。


Cloud seeding step one by one.jpg
This image explaining cloud seeding shows the chemical either silver iodide or dry ice being dumped onto the cloud, which then becomes a rain shower. The process shown in the upper-right is what is happening in the cloud and the process of condensation to the introduced chemicals.

暖云造雨方法很多,如在云中喷洒水滴、吸湿性药粉与液体(氯化钠)等透过碰撞与合并过程使水滴成长,终至降落成雨。


暖云造雨.jpg

冷云造雨方法亦多,但最常使用干冰或碘化银,此主要乃因为干冰温度为-78℃,在缺乏冰晶的冷云内,撒播干冰使其温度骤降,因而不必借助冰晶核的情况下,将过冷水滴转变成冰晶,透过冰晶成长过程终至成雨。碘化银为非常有效的冰晶核,在冷云内缺乏冰晶的情况下加入碘化银充当冰晶核,可促使-5℃以下的水滴凝固为冰晶,再借由水滴与冰晶共存时的冰晶成长过程而形成降雨。


冷云造雨.jpg


冷云造雨原理示意图.gif

实施方式

人造雨理论基础为在云中撒播人工之云种,使降雨机会及降雨量增加。所以应选择适当之气象条件,撒播人造冰晶核至云中,加强结核效率,促使降雨发生,一般可分为地面造雨与空中造雨两种方法

地面造雨法:

利用地面造雨器燃烧碘化银溶液,使碘化银烟粒随热气飘升达高空以充当冰晶核。当碘化银烟粒上达云内过冷水滴层,可使过冷水滴凝固为冰晶,经由冰晶成长过程,终至掉落成雨。

空中造雨法:

利用飞机在云中撒播碘化银或干冰云种,由于撒播之云种可精确被送达足够低温之云中,故一般造雨效果比地面造雨法更佳。


配置人工降雨装置的Cessna 411 Conquest II飞机.JPG
Cessna 441 Conquest II used to conduct cloud-seeding flights in the Australian state of Tasmania

成效

根据气象研究人员多年来各种人造雨试验累积经验评估显示,经由长期规划实施地面燃烧碘化银溶液之人造雨方式,平均约可增加10%降雨;若使用空中造雨方式,于适当的对流性雷雨胞内撒播碘化银,平均约可增加20%降雨。然而人造雨之成效,仍受各地区气象条件、执行技术及行政配合等综合因素影响,而呈现某些不确定性。

常见的人工增雨剂

干冰(通过冷却云层中的小冰晶,使其形成大冰晶降落,在经过0℃地面高度时融化成雨水,最终降落)


干冰.jpg

干冰,是二氧化碳(CO2)的固体形式。在正常气压下,二氧化碳的凝固点是-78.5℃,在保持物体维持冷冻或低温状态下非常有用。其无色、无味、不易燃、略带酸性。干冰的密度各不相同,但通常约为1.4至1.6 g/cm3。干冰能够急速的冷冻物体和降低温度并且可以用隔离手套来做配置。现在干冰已经广泛的使用在许多层面,干冰在增温时是由固态直接升华为气态,直接转化为气体而省略转为液态的程序,因此其相变并不会产生液体,也因此称做“干冰”。要将二氧化碳变成液态,就必须将气压增强至5.1大气压才会出现液态二氧化碳。

碘化银、碘化亚铜(成核剂,原理同干冰,但效果没有干冰好)


碘化银.PNG

碘化银(AgI),

为碘和银的化合物,黄色粉末(~558 °C分解),见光分解,并大量吸热,先变灰后变黑,不溶于水和氨水,用于照相术和人工降雨的晶核。

亮黄色无臭微晶形粉末,有α和β两种类型,β型为立方晶系,密度6.010g/cm3,熔点558℃,沸点1506℃。α型为六方晶系,密度5.683g/cm3,加热到146℃即转为β型。不溶于稀酸.水,微溶于氨水,易溶解于碘化钾、氰化钾、硫代硫酸钠和甲胺,无论碘化银的固体或液体,均具有感光特性,可感受从紫外线到约480 mm波长之间的光线。 光作用下分解成极小颗粒的“银核”,而逐渐变为绿色带灰黑色。 如与氨水一起加热,由于形成碘化银-氨络合物结晶体,即转为白色。

常用于感光工业制造感光乳剂。化学反应中用作催化剂。人工降雨中,用作冰核形成剂。电池工业可用作热电电他的原料。分析化学中用作微量氯、铯的分析试剂。另外,还用于医药工业

碘化亚铜(化学式:CuI),

白色或无色反磁性粉末,不纯时常为棕色。室温下为闪锌矿结构,应用很广。难溶于水和酸,因形成配合物而易溶于氨水、碘化钾和氰化钾溶液中。自然界中以碘铜矿形式存在。

盐水(通过吸附云层中的小水滴,使其通过碰撞与合并过程长成较大的水滴,终至降落成雨)

盐水,是加入食盐(氯化钠,NaCl)的水

用途

扑灭火灾,缓解旱情,增加水库储水量,等

References

人工降雨之原理: http://www.cwb.gov.tw/V7/knowledge/encyclopedia/me035.htm

人工降雨实施方式: http://www.cwb.gov.tw/V7/knowledge/encyclopedia/me036.htm

人工降雨成效如何: http://www.cwb.gov.tw/V7/knowledge/encyclopedia/me037.htm

“人工降雨”中文维基百科: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%BA%E5%B7%A5%E9%99%8D%E9%9B%A8

“Cloud seeding” Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_seeding

暖かい雨と冷たい雨: http://weather.geo.kyushu-u.ac.jp/lesson_topics/rain.html

冷たい雨を降らせる仕組み: http://www.tdk.co.jp/techmag/knowledge/200809u/index2.htm


`看完上面的介绍,了解了为什么能人工降雨了吧?大概总结如下:

因为通过向云层投加了催化剂(冷云催化剂:干冰,碘化银等;或暖云催化剂:盐水等),把云层原本很小的颗粒物(小冰晶或小水滴)通过催化作用变成足够大的体积后克服云层浮力而脱离云层,最终降落成雨!`

以上。



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