劉懷遠(yuǎn)（長(zhǎng)沙市氣象局，湖南 長(zhǎng)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(yuǎn)（長(zhǎng)沙市氣象局，湖南 長(zhǎng)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(dá)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(duì)自然云系進(jìn)行較小人為擾動(dòng)，從而改變?cè)坪徒邓匀谎葑儼l(fā)展的過程，實(shí)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(shí)，也在探索著減少危害的辦法。人工影響天氣作為大氣學(xué)科很重要的一個(gè)分支，是氣候科學(xué)對(duì)降水和云從原來的被動(dòng)到主動(dòng)逐漸發(fā)展的。人工干預(yù)天氣在實(shí)驗(yàn)、理論、模擬、催化、測(cè)試等方面有了更大的發(fā)展。因?yàn)槿驓夂蜃兣挠绊?，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(guó)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?cè)跈z測(cè)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(huì)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(shí)也會(huì)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(shí)實(shí)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(shí)踐結(jié)果和試驗(yàn)表明，它的核率分別為1011～1013個(gè)/g、1012～1013個(gè)/g、1011～1012個(gè)/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(chǔ)藏于冷藏瓶，再用飛機(jī)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(shí)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(dá)到3.6g/m3。LN汽化的潛熱量為9.96×104J/kg，主要被用作飛機(jī)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(gè)大氣壓，此刻LN的成核率是3.2×1012個(gè)/g，輸出量是3.6kg/h。1980年初的時(shí)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(chǔ)藏于鋼筒中，因?yàn)榉阑痣[患，地形云和機(jī)場(chǎng)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(shí)，主要是通過利用1m3等溫云室對(duì)AgI和Ag（ClI）這種方法，當(dāng)尺度是500A°及以上的氣溶膠粒子在生成冰晶時(shí)，溫度在-20℃甚至溫度更低時(shí)達(dá)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(dāng)堿金屬 （如K、Na、Li、Mg）氯化物的濃度達(dá)到10-3g/L以上時(shí)，這就使得當(dāng)AgI發(fā)生冰核時(shí)，堿金屬碘化物會(huì)在整個(gè)發(fā)生過程中產(chǎn)生負(fù)面影響。AgI丙酮溶液燃燒法主要是大范圍的使用在飛機(jī)作業(yè)以及地面作業(yè)中。因?yàn)锳gI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(guó)科羅拉多州立大學(xué)在進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)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(shí)的成核率高于純AgI與NH4I生成的氣溶膠1個(gè)量級(jí)。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(huì)有Bi2O3以及BiOI的產(chǎn)生，而在燃燒時(shí)產(chǎn)生AgI以及BiI3的復(fù)合氣溶膠，在溫度達(dá)到-10℃時(shí)的成核率為4.4×1014個(gè)/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(jìn)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(yùn)輸可以通過飛機(jī)實(shí)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(shí)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(guó)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(shí)驗(yàn)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(guó)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(dāng)其分解成AgI，此時(shí)剩余的O2會(huì)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(cè)總臺(tái)的試驗(yàn)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(dāng)溫度達(dá)到-7～-15℃時(shí)，AgI的成核率為3×1010～3×1014個(gè)/g，AgI濃度達(dá)到最合適時(shí)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(dāng)溫度達(dá)到-4℃時(shí)成核率能夠?qū)崿F(xiàn)1011個(gè)/g，這實(shí)現(xiàn)了在較高溫度時(shí)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(dāng)溫度達(dá)到-10℃以上時(shí)，成核率可以實(shí)現(xiàn)1015個(gè)/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(dāng)做吸濕性核。印度的人工影響暖云試驗(yàn)（WCME）噴灑滑石粉和細(xì)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(guó)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(jī)試驗(yàn)，派出2架飛機(jī)，其中一架飛機(jī)在云底燃燒焰劑噴灑吸濕性核，另一架飛機(jī)在上一架飛機(jī)50m后面探測(cè)，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(yàn)也得到了相差不大的結(jié)果。泰國(guó)在Bhumibol流域進(jìn)行的暖積云吸濕性催化試驗(yàn)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(guó)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(guó)的氣象科學(xué)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(duì)于暖云催化偏小。法國(guó)的氣象科學(xué)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(xué)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(jìn)一大步。但是，在作業(yè)中人工影響天氣催化劑的實(shí)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(zhǔn)可靠、播撒能力強(qiáng)、方便靈活的運(yùn)載工具是提高作業(yè)裝備性能的關(guān)鍵，在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，需要加強(qiáng)對(duì)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(xué)術(shù)觀念的探討［J］.干旱氣象，2009，27（4）：305～307.

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劉懷遠(yuǎn)（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