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第15章 气象科技(1)

频繁的自然灾害叫人们谈“灾”色变,心有余悸。但面对各种天气所造成的自然灾害,人类除了监测、预防、防灾,就没有别的办法了吗?当然是有的。尽管人类到目前为止,还没有找到降服各种天气现象的有效办法,但是人类在征服大自然的路途上,一直在迈着坚实的步伐,并且取得了一些成功。人是伟大的,在自然灾害面前畏缩,是不可取的选择;当然蛮干、冲动也是要不得的。关键是要采取理性的态度,运用现代科学技术,继续探索大气各种现象的演变规律,对症下药,在一定程度上降服各种气象灾害。

现代实验方法的应用

有一种现象不知道大家注意到没有:当我们面对一块玻璃或镜子呵热气时,玻璃、镜子表面会变得模糊不清;当我们打开冰箱时,有时会发现冰冻的食物上带有冰屑。这是怎么回事?好多人会迫不及待地解释:这是空气中的水汽凝成了水滴,或者水滴结成了冰。没错,看来,只要有条件,我们自己也可以模拟地制造雨水和冰雪。科学家们也正在沿着这条路日夜兼程。云室,一种对云进行实验模拟研究的主要设备,就是证明。

云室,它是用来模拟自然云的各种现象的。譬如,云滴是如何增长的、冰晶是如何产生和发展的、云中的雷电是怎么回事,等等。云室有大有小,小的只有几十毫升,大的可达上千立方米。它的研究对象很多,涉及到水汽的,有扩散云室和对流云室;涉及到温度的,有冷云室(低于0℃)、暖云室(高于0℃)、等温云室(温度分布均匀)、梯度云室(温度在垂直方向不同);涉及到雾的,有混合云室和膨胀云室。

云室并不能代替真正的云,它只是一种模拟,这种模拟是有限的,但是它可以近似地反映云的各种实际现象,有利于人们弄清它的活动规律。我国在1985年就建有亚洲最大的综合性中性云室,约有96立方米。这个云室的温度、湿度、气压可以进行调节,云室顶部还装有风洞。另外,我国还有一些等温云室和小云室。等温云室可以对人工降雨的催化剂进行研究。

利用云室,科学家们取得了一些科学研究成果。日本科学家曾在一个同心圆柱形的对流云室的实验中发现:雪晶的形状与它们形成时的温度、湿度条件有关。如果温度在-5℃,雪晶会长成针状;在-15℃时,雪晶会长成枝状。

因而,科学家们认为,改变云室的温度、湿度,就可以制造出不同图案的雪晶;反过来,通过雪晶的形状,就可以判断云层的温湿度。

再比如,美国科学家们通过混合云室发现,干冰可以使云冷却冰晶化、碘化银具有很好的成冰性能。正是从此处得到启发,气象工作者的人工降雨催化剂首选就是干冰和碘化银。

当然,建造云室只是人工模拟的一个方面。其实,不要说短期的天气现象可以模拟,信不信由你,气候变化也可以人工模拟呢!

气候模拟与现代大型电子计算机的出现分不开。本世纪第二次世界大战后,由于各个国家工业飞速发展,造成“三废”(废水、废气、废渣)对环境的严重污染,人为因素也在一定程度上造成全球的大气温度升高、气象灾害频繁等气候变化。为了探测未来气候变化的结果,提高人们的防范意识,一些国家的气象学家纷纷求助于大型电子电子计算机,他们把一些人为的因子引入气候模式,然后进行人工模拟。

这种气候模拟应该说比较可信。因为一些因子的反馈作用也被考虑进去了,这就使该模拟处于一种动态的系统中。比方说,由于温室效应作用,全球大气温度上升;大气温度上升,海面蒸发加剧,这样云量增多,削弱了太阳辐射,地面温度也因此相应降低,而大气主要吸取的是地面热量,所以大气温度的剧增也受到牵制。

目前,美国国家研究理事会的平衡气候模式模拟结果引人注目。他们认为未来气候会有以下变化:

1.平流层温度降低(平流层指对流层以上的一个层次)。

2.全球地面平均气温增高。

3.全球平均降雨量增多。

4.海冰减少。

5.极地气候变暖,特别是在冬季。

6.大陆气候变干燥,尤其夏季最为明显。

7.高纬度地区降雨量增多。

8.全球海平面上升。

这些模拟结果,与近些年来全球某些气候变化的趋势相吻合。但是一些气象学家却抱着审慎的态度。他们认为,未来气候变化是否真正如此,还需要实际来检验。

天公可以作美

天公不作美。雷声轰轰,叫人心惊胆战;漫天的大雾,令飞机、火车望而却步,成了“睁眼盲人”;还存在那久晴无雨的日子,干旱把人畜急得到处乱窜……忽然,几声炮响,久旱后的天空下起了小雨;一阵飞机马达声响过,机场上的大雾消散……这是咋回事呢?原来这是在进行人工降雨、人工消雾活动。人工影响天气,驱灾避灾的办法很多,比较成熟的有人工降雨、人工消雾、人工消雹、人工避雷等方面。

1.人工降雨:

人工降雨,就是指根据云和降水形成的机制,通过播撒一定数量的催化剂,从而达到激发和增加降水的目的。

人工降雨的原理很容易理解。我们知道,云是由大量的小水滴构成的;但这些小水滴并不一定凝结成冰晶,即使温度在0℃以下也可能只是枉然。

但如果云中一旦存在冰晶,它就会吸收水滴蒸发的水分而迅速增长,进而形成雪降落下来。雪下降时可能融化,导致降雨。

但是云有暖冷之分,因而对冷云和暖云实施催化降雨的方法是有区别的。例如,在我国北方和冬季的云大多是冷云,它们由过冷却云滴(0℃以下)和冰晶共同组成。此时要使云中产生更多的冰晶,由无雨转向有雨,或使雨量增大,必须使云中冰晶增多。可以向云中撒干冰,使局部温度下降,或者引入碘化银,使水汽分子在此冰核上凝结形成冰晶。至于暖云,则要设法使云中水滴重力变大,破坏云的稳定状态。有三种方法,一是撒吸湿性物质(如食盐,使水滴凝结增大,或者干脆从飞机上直接将水泼入云中,加速降雨的产生;也有利用樟脑等表面活性物质,抑制蒸发作用产生降水的,等等。

根据统计表明,人工催化适宜增雨的云,可以使降水量增大10%—30%。有人因此估算,在一个平均降水量为300毫米的一万平方公里的面积上,可以增加六亿立方米的水,这可是个不小的量。

人工降雨引入催化剂有几种方式,或用飞机在云顶或云中选好合适的位置,直接播撒干冰、盐粉或碘化银焰弹;或者用气球把碘化银与火药红磷混合物带入云中;或者干脆用高射炮和火箭把催化剂射入云中。此外,据说用地面燃烧的办法,也可以把碘化银烟粒送到云中,但条件是这种云必须很低。

当然,人工降雨的问题也不少,关键是要判定是什么云和在云的什么部位引入催化剂的效率最高。

2.人工消雹:

人工消雹在两百多年前就有人开始尝试。消雹其实只起对雹“以大化小,以小化了”的作用。具体地说,就是向云中施放碘化银或碘化铅等催化剂,它们会使云中冰晶数目增多,冰晶形成雹胚时会消耗大量的过冷云滴,结果使所有的雹胚都无法长得太大。雹块下降时有的会融化,这就形成了水滴,或者缩小成小冰雹,于是消雹的目的就达到了。和人工降雨一样,也有使用吸湿性物质消雹的,如食盐,它们会吸收云中的水分,使雹胚不致于膨胀得太大,及时降落到地面。

消雹可以利用飞机、高射炮、火箭等。在雷达的监测下,利用高射炮、火箭发射人工成冰剂,在我国与前苏联(现在以俄罗斯为主)比较常见。俄罗斯有专用消雹火箭和专用雷达。此雷达能在300公里以内确定是否有冰雹,并能确定雹区面积、移动速度、降雹强度,甚至可以算出冰雹的平均直径来。我国也在1980年研制成了JFJ—I型降雨防雹火箭。

需要澄清的一点是,人工消雹也可以采用空中爆炸作业的方法。爆炸发生后,由于冲击波的作用,大冰雹会粉碎,过冷却云却会直接冻结下降,于是消雹的目的也就达到了。

3.人工消雾:

雾给交通带来的损失是巨大的。飞机怕雾,有雾飞机无法起飞和降落;在飞行中,无法看清目标,会发生撞山等可怕的事故。1948年圣诞节,从武汉到上海的飞机,因大面积降雾一天就出现了三次事故。轮船怕雾,海上浓雾会使船只触礁失事;汽车怕雾,高速公路上汽车追尾事件的罪魁祸首常常就是雾。机场上一有雾,飞机无法起飞,其直接损失是以每分钟多少万元来计算的。1993年11月中旬有两天,北京首都机场因雾取消航班183个,直接损失300万元。有雾就要消雾,所以今天有了人工消雾的新鲜事。

和云一样,雾也有冷暖之分。在0℃以下的冷雾,目前科学家已经有较为成功的办法进行消除;而对于0℃以上的暖雾,对付它的有效办法还没有找到。

消冷雾的原理是瑞典气象学家1933年提出来的。他认为,在云雾中必须有冰核存在,水汽才能以它为中心,结成冰晶降落下来。但是如果雾中没有冰晶,可否用人工方法将冰晶引入雾中使之消散呢?当然可以办到,这就是人工消冷雾。

实际上,第一次人工降雪的道理正好与此类似。那是1946年11月,美国科学家谢弗乘一架小飞机,在层云上沿一条4.8公里的航线撒下了1.36公斤的干冰,使整个云层变成了白雪。干冰是二氧化碳在-78.5℃时凝结成的固体,把它洒在云雾中,可使云雾的水汽温度降低到-40℃以下,并凝结成小冰晶,最后形成雪花掉下来。雪花掉下来,等于说消雾工作获得了成功。

消冷雾的关键问题是要产生冰晶,但产生冰晶必须使温度达到-40℃以下。1克干冰大约可以产生1万亿个小冰晶,另外如丙烷、液氮可以使云雾气温下降到-70℃、-196℃,所以它们的消雾效果也不错。俄罗斯、我国消雾工作就曾用过液氮。与此同时,让空气对流速度达到1.5—2.0马赫(声音传播速度)时,据说温度也可以降到形成冰晶的程度。

人工消雾也有直接采用降雨方法的,如使用碘化银为代表的冰核就是这样。碘化银的晶体和冰晶相似,这可以使水汽凝结在其上面。有一种方法是燃烧,即用高温把碘化银烧成小的烟粒,使它在饱和的低空雾中长成小冰晶,最后形成雨。我国气象科学研究院研制出高效的碘化银烟剂,每克碘化银可以产生1015个冰核,是干冰的14倍。

实际上消雾时常常要在地面设置多个催化剂撒播点,在地面上数米高度上施放催化剂,但这关系到风向和风速问题。国外的一些国家常布置多个撒播点,根据具体情况自动调整位置。

至于消暖雾,科学家们还在努力探索。国外曾有机场采用加热焚烧的办法驱雾,如巴黎奥利机场有一大群燃烧炉,在消雾时能自动点火,可耗油量很大,而且效果不明显,所以并不十分可取。法国戴高乐机场还把喷气式飞机派上了用场,在有大雾时,工作值班人员开动喷气发动机,利用高温喷气来驱赶浓雾。另外,还有利用声磁波消雾的方法,但没有达到实用的程度。

4.人工防雷:

防雷这种提法是否准确,有待于探讨。但人工防雷已有几百上千年的历史了。

有人曾经指出,在我国古代建筑的各种楼阁上存在着避雷装置,这并非不可信。可是避雷并不等于消雷;严格地说,它还没有达到满足人们真正防雷的要求。

1749年,美国科学家富兰克林用风筝做实验,揭示出了雷电的秘密。后来,他把一个尖铁棒架在高物上,铁棒下面还接有一根接地的铁丝,从而形成了世界上第一个“避雷针”。

“避雷针”实际上是在引雷和招雷,因为它在雷雨放电时,会使周围的物体带电产生破坏作用。为此有人认为,1926年美国彼卡订尼军火库的火灾、1967年埃尔赛贡多储油库的火灾,就是避雷针“引火烧身”产生的破坏结果。

后来,人们发现了“避雷针”的症结所在,即单根避雷针不能容纳巨大电荷的通过,要想有效地避雷,必须设置更多的通道。为此20世纪中期,美国的“消雷公司”研究出了新型“消雷器”。此消雷器把避雷针的针尖数量增多,并进行了合理排列,下面再用导线接上触地装置。在雷雨发生时,地面电荷和雷雨云的电荷因异性相吸,开始相互流动。在此过程中,雷电中的电场强度会受到削弱,雷击事件因此减少。

我国在20世纪70年代开始消雷技术研究,并且在云南、贵州、湖南、浙江、福建、河北等地进行了一些试验,并取得了很大的成功。例如,昆明气象站在太华山已建有一座25米高的“避雷针”建筑物,由于此地雷雨经常发生,且能量很大,几乎每年都有雷击伤人的事件,1967年到1979年就发生了五起事故。1979年后,自从该地安装了一座6.5米高的消雷器后,就再也没有发生过雷击事故。我国在20世纪80年代末已研制出新型消雷器。

5.人工防暴雨

前面说过,人工能降雨、消雹,能否在多雨季节人工减少降雨呢!这的确是个有意义的话题。应该说,这并非不可能。其实,不要说人工减少降雨,连人工削弱台风、人工改变台风路线都可能实现呢!现在一些科学家们正在努力进行各种尝试,争取把这些美好的愿望变成现实。

但是,人工消除暴雨还只是一个梦想,还没有哪个国家在这方面真正做过成功的试验。可另一方面,人工却可以减少暴雨的直接冲刷力,进行人工蓄水,变暴雨为资源,这却是的的确确能够做到的事。

对付暴雨,主要在于就地蓄水。据推算,1万平方公里的暴雨约有10亿立方米的雨水汇集到河流中,以洪水日行100公里进行估计,必须存在容纳每秒超过一万立方米的流量才不致洪水泛滥。但实际情况是,我们根本达不到这样的条件。如1977年7月5日—6日,黄河中游经历的一次大暴雨,在延水甘谷驿以上5981平方公里的流域上,最大洪峰达每秒905万立方米,一天洪水量达1.38亿立方米,而且每立方米含泥量达800公斤。如此大的洪水冲刷,造成飞机场被毁,纪念馆文物被冲走,人员失踪,就不足为怪了。

我们进行人工蓄水是有科学根据的。一般的,每一米厚的土层可以蓄积100毫米的水量;我国黄土高原的蓄水量更大。鱼鳞坑、水平沟、水平梯田是蓄水的小型工程,采用植被结合,效果会更好。10平方米的汇流面积内有一个或多个容量近一立方米的鱼鳞坑,能够拦住100毫米的大暴雨。鱼鳞坑挖掘简单,规模很小,它也有利于各种植物的成活。

挡住暴雨是一回事,还要建立各种山间水库和塘坎,以便于贮水。有人统计,每10平方公里汇流区修一个山间水库,使总库容量达100万立方米,便可以蓄住100毫米的雨水。如果有条件,还可以建立更大的流域性水库,贮积更多的雨水。这些雨水干旱时可以抽取利用,平时也可以开库放水,甚至发电,一举两得,何乐而不为呢。

新技术带来的希冀

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