王桂紅

摘要 人工影響天氣催化劑（簡(jiǎn)稱(chēng)催化劑）是指為達(dá)到增加降水、降低雹災(zāi)損失或促進(jìn)霧層消散等目的而有意識(shí)地向云（霧）中引入的物質(zhì)，以此改變?cè)坪徒邓匀谎葑儼l(fā)展的過(guò)程。本文詳細(xì)介紹了人工影響天氣不同類(lèi)型催化劑的催化原理、特點(diǎn)及其催化性能，以期為其推廣應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 人工影響天氣催化劑；催化原理；催化性能；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào) P48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）09-0227-01

人工影響天氣是在觀測(cè)基礎(chǔ)上確定作業(yè)假設(shè)，選擇合適的催化劑，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)以合適劑量投放到作業(yè)對(duì)象指定位置，從而實(shí)現(xiàn)增雨（雪）、防雹、消霧等目的。由于自然云降水的多變性和復(fù)雜性，使作業(yè)條件、作業(yè)技術(shù)方法及作業(yè)效果檢測(cè)等成為人們面臨的重大難題。因此，研究催化劑在人工影響天氣中的作用是非常必要的。

1 催化劑的作用機(jī)理

1.1 冰核及其作用

冰核是冷云作業(yè)的基礎(chǔ)，通常來(lái)說(shuō)，大氣中冰核很少。冰核具體的活化方式是由冰核本身的特性、環(huán)境條件和具體過(guò)程共同決定的。在自然冷云或混合云中某些區(qū)域存在過(guò)冷水，冰晶又不太多，降水效率就不高。如果在這些區(qū)域引入人工冰核，形成冰晶，由于貝吉龍效應(yīng)，冰晶可以很快變大，降落融化后能夠加速水滴的增長(zhǎng)過(guò)程，從而形成降水。另外，對(duì)流云含水量大，容易形成大冰雹，如果增加人工冰核的量，使過(guò)冷水分散到各個(gè)粒子上，往往可以減小冰雹的直徑，從而減輕或杜絕冰雹的危害。

1.2 云凝結(jié)核及其作用

因?yàn)樵谛纬稍旗F過(guò)程中，大氣中水汽過(guò)飽和度比較低，只有少數(shù)半徑較大、吸濕性較強(qiáng)的微粒才能起到凝結(jié)核作用，所以云凝結(jié)核一般是吸濕性大核或巨核。

在暖云中，如果云滴尺寸太小且大小均勻，凝結(jié)增長(zhǎng)的直徑變化緩慢，甚至在云的生命期內(nèi)都不能長(zhǎng)成降水粒子；如果云滴大小不均勻，則可通過(guò)隨機(jī)碰并產(chǎn)生較大的云滴。因此，如果在云中引入適量的吸濕性大核，就有可能加速一些大云滴的形成，激發(fā)碰并增長(zhǎng)過(guò)程，加速云—水轉(zhuǎn)化，利于降水的發(fā)展。此外，一些冰雹胚胎由大云滴凍結(jié)而成，說(shuō)明云凝結(jié)核也能夠影響到冷云過(guò)程。

2 催化劑的分類(lèi)與作用

2.1 吸濕性大核

很多暖云，特別是大陸性暖云，吸濕性巨核極少，作用很小，常因大滴不足而不能形成有效降水。向云中噴入大滴或播撒吸濕性大核以及表面活性物質(zhì)，直接或間接增加大滴數(shù)目，便能夠提高降水效率。常用的暖云催化劑有食鹽（NaCl）、氯化鈣（CaCl2）、硝酸銨（NH4NO3）、尿素（NH2CONH2）等。這些吸濕劑能在相對(duì)濕度低于100%的情況下吸收水汽并凝結(jié)形成液滴，增長(zhǎng)率與液滴中吸濕劑的濃度有關(guān)，濃度越大，增長(zhǎng)越快。其來(lái)源豐富、價(jià)格便宜，其中食鹽和氯化鈣對(duì)金屬材料具有腐蝕性，劑量較大時(shí)對(duì)農(nóng)作物也有損害；而硝酸銨、尿素?zé)o腐蝕性和毒性，還具有一定肥效，可用于催化暖云和暖霧，研究表明，當(dāng)二者與水按質(zhì)量9∶1比例混合（三者質(zhì)量比為5.14∶3.86∶1.00）時(shí)，比二者各自單獨(dú)使用效果要好。

2.2 人工冰核

人工冰核常采用異質(zhì)核化的方法，即選取和冰晶結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)作為冰核，從而達(dá)到提高成冰閾值的目的，主要有碘化銀、碘化鉛、硫化銅等。碘化銀（AgI）的結(jié)構(gòu)為六方晶型，與冰晶的晶格非常相似，具有優(yōu)良的成冰性能以及成冰閾溫低、成核率高等優(yōu)點(diǎn)。因其制品可以工業(yè)化生產(chǎn)，儲(chǔ)存、運(yùn)輸和分散方便而被廣泛應(yīng)用。

AgI的制作方法主要有燃燒法、爆炸法2種。其中，燃燒法又分為直接燃燒、溶液燃燒和焰劑燃燒3種。最簡(jiǎn)單的直接燃燒是將AgI置于坩堝中，用電爐加熱至1 000 ℃以上，其蒸氣在空氣中冷卻而凝成AgI微粒。溶液燃燒法是把AgI溶于加入增溶劑的丙酮溶液中，經(jīng)攪拌完全溶化后，噴射至火焰中燃燒，或噴入以丙烷或汽油為燃料的燃燒爐中一起燃燒（丙酮溶液燃燒溫度可達(dá)900～1 000 ℃）。該方法燃燒緩慢、單爐發(fā)生率小，但成核率最高。焰劑燃燒法主要由AgI或其化合物、氧化劑、燃燒劑和粘合劑的混合物壓制或澆注制成，點(diǎn)燃后可產(chǎn)生大量AgI人工冰核氣溶膠，成核率居中[1]。

爆炸法是將AgI粉末壓制成型，然后填充于炮彈或火箭頭部的TNT炸藥或紅磷、氯酸鉀混合物之中，采用引信發(fā)射至云內(nèi)爆炸。爆炸法目前應(yīng)用在人工增雨、防雹“三七”高炮炮彈上，其爆炸后產(chǎn)生碘化銀氣溶膠。該方法單位時(shí)間內(nèi)輸出率大，但其成核率偏低。

2.3 制冷劑

致冷劑投入空氣或過(guò)冷云后急速升華，吸收大量潛熱，使周?chē)諝庋杆倮鋮s，水汽隨之達(dá)到高度過(guò)飽和狀態(tài)。貼近致冷劑的薄層空氣溫度可低于-40 ℃，通過(guò)自然冰核的活化和同質(zhì)核化能夠形成大量冰晶胚胎，并在過(guò)飽和空氣里凝華長(zhǎng)大成冰晶。致冷劑可以在較高負(fù)溫區(qū)播撒形成冰晶，和成冰閾溫較低的人工冰核碘化銀相比具有一定優(yōu)勢(shì)。

常用的制冷劑有干冰、液氮等，實(shí)踐與試驗(yàn)表明，其成核率分別為1011～1013個(gè)/g和1012～1013個(gè)/g。干冰是二氧化碳的固態(tài)形式，在常壓下只要高于-78.5 ℃會(huì)迅速升華為氣體，汽化潛熱為2.74×105 J/kg。通常情況下，將其粉碎成直徑為1 cm的顆粒，儲(chǔ)藏于冷藏瓶，再用飛機(jī)在云層上部噴灑，一般要求云頂溫度≤-7 ℃，用量100～1 000 g/km。液氮是氮?dú)獾囊簯B(tài)形式，汽化潛熱量為9.96×104 J/kg。試驗(yàn)表明，皮膚接觸液氮可致凍傷，主要被用作飛機(jī)作業(yè)，盛裝液氮的罐體符合要求的噴孔直徑為0.8 mm、容器內(nèi)壓差是0.5×105 Pa。由于液氮播入后氣化很快，對(duì)較深厚的云（霧）層不能夠充分有效地催化。干冰、液氮形成的二氧化碳和氮?dú)馐强諝獾慕M成部分，對(duì)環(huán)境和人體都不會(huì)產(chǎn)生影響[2-4]。

3 結(jié)語(yǔ)

人工影響天氣催化劑和催化工具的不斷改進(jìn)，大大提高了人工增雨的作業(yè)水平和成效。但是，催化劑的實(shí)際作業(yè)效果評(píng)估、不同天氣系統(tǒng)中各種催化劑的最佳播撒位置及最佳用量還有待進(jìn)一步探究。因此，開(kāi)發(fā)研制新型高效的催化劑、催化作業(yè)工具及其優(yōu)化播撒方法是提高人工影響天氣作業(yè)成效的關(guān)鍵。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 張景紅，金德鎮(zhèn)，江中浩，等.納米碘化銀在人工影響天氣的應(yīng)用研究Ⅲ.表征實(shí)驗(yàn)研究[J].氣候與環(huán)境研究，2012，17（6）：678-682.

[2] 安恵文.人工增雨（雪）所用催化劑對(duì)環(huán)境和人體健康的影響[J].人才資源開(kāi)發(fā)，2014，20（4）：112-114.

[3] 張景紅，金德鎮(zhèn)，江忠浩，等.人工影響天氣納米碘化銀銅復(fù)合粉體催化劑結(jié)構(gòu)特征分析[J].高原氣象，2011（1）：258-261.

[4] 金德鎮(zhèn)，張景紅，楊紹忠，等.人工影響天氣納米碘化銀催化劑成冰性能研究[C]//第十五屆全國(guó)云降水與人工影響天氣科學(xué)會(huì)議論文集（Ⅰ）.北京：中國(guó)氣象學(xué)會(huì)人工影響天氣委員會(huì)，2008.