现代人工影响天气催化剂在增雨作业中的应用

刘怀远（长沙市气象局，湖南 长沙 410205）



现代人工影响天气催化剂在增雨作业中的应用

刘怀远（长沙市气象局，湖南 长沙 410205）

现代人工影响天气通常是通过向低于0℃的过冷却云中加人干冰或碘化银，使过冷却云中产生冰晶，从而达到人工激发降水的目的。在人工影响天气领域中，人们一直在寻找更有效的增雨、防雹催化剂，或是效果明显的消云、消雾催化剂。而今采用云的微物理敏感性对自然云系进行较小人为扰动，从而改变云和降水自然演变发展的过程，实现人工影响天气。

人工影响天气；催化剂；增雨

1　前言

人们一直在不停地研究着自然灾害给人类带来的危害，与此同时，也在探索着减少危害的办法。人工影响天气作为大气学科很重要的一个分支，是气候科学对降水和云从原来的被动到主动逐渐发展的。人工干预天气在实验、理论、模拟、催化、测试等方面有了更大的发展。因为全球气候变暖的影响，自然降水率不稳定、地区分布不均衡，许多区域连年干旱，使我国成了全球水资源频发的地区之一，人为的干预天气尤其是自然云降水的复杂和多变性更加使人们在检测作业效果和掌握作业条件及相应的作业技术方法等方面面临着极大地困难。催化剂在人工影响天气中就显得极其的重要。

2　人工影响天气催化剂

吸湿性核、人工冰核和制冷剂三类催化剂是目前人们经常采用的天气催化剂，前一种用于暖云催化，后两类被用于冷云催化。

2.1制冷剂

制冷剂在云层中会汽化，能够使其局部超低温，空气的湿度完成过饱和，最终使水汽均质的凝华形成冰晶，云中的过冷水滴同时也会自发冻结核化，并能够使自然冰核快速的活化成冰。平时实际应用中的制冷剂主要有液态丙烷（LP）、干冰、LN、LC等，大量的实践结果和试验表明，它的核率分别为1011～1013个/g、1012～1013个/g、1011～1012个/g。干冰汽化的潜热是2.74×105J/kg，通常情况下把它粉碎形成直径1cm的颗粒，储藏于冷藏瓶，再用飞机在云层上部喷洒，一般需要云顶的温度不高于-7℃，用量通常为102～103g/km。LC的喷洒物为气、固、液三相共存的混合物，其中固态粒子、液态存在时间大约为100～101s，颗粒尺度10-1～102μm，流束中单位体积质量可以达到3.6g/m3。LN汽化的潜热量为9.96×104J/kg，主要被用作飞机作业，盛装LN的罐体符合要求的喷孔直径为0.8mm、容器里的压差是0.5个大气压，此刻LN的成核率是3.2×1012个/g，输出量是3.6kg/h。1980年初的时候，前苏联最先采用LN做影响过冷雾和冷云的催化剂。LP汽化的潜热是3.94×105J/kg，0℃以下就能够起到核化作用，能储藏于钢筒中，因为防火隐患，地形云和机场消雾增雨作业作为其主要应用（图1）。

图1

2.2人工冰核

AgI的结构是呈六方晶形的，这种结构相似于冰晶的晶格，AgI是使用范围最广的人工冰核。用AgI制备人工冰核的方法主要包括：碘化银丙酮溶液燃烧和炮弹以及固体焰剂、爆炸焰弹等。Finnegan在研究发现核化时，主要是通过利用1m3等温云室对AgI和Ag（ClI）这种方法，当尺度是500A°及以上的气溶胶粒子在生成冰晶时，温度在-20℃甚至温度更低时达到最快的冰晶生成速度，1min之内生成的95%的冰晶都是在温度大约-10℃；AgI和Ag（ClI）的核化速率发生显著的降低是当碱金属 （如K、Na、Li、Mg）氯化物的浓度达到10-3g/L以上时，这就使得当AgI发生冰核时，碱金属碘化物会在整个发生过程中产生负面影响。AgI丙酮溶液燃烧法主要是大范围的使用在飞机作业以及地面作业中。因为AgI与丙酮是不能直接相溶的，所以在早期的主要的碘化银丙酮溶液的增稠剂是碘化铵（NH4I）、碘化钠（NaI）、KI，AgI气溶胶的制备途径主要是通过燃烧这种方式。在研究AgI的成冰活性的提高方法方面，美国科罗拉多州立大学在进行外场试验时的冷云催化剂主要是由AgI-NH4I-水燃烧系统来提供的。DeMott生成AgI-AgCl复核的方法主要是通过AgI-NH4I-NH4ClO4-丙酮-水的燃烧系统，尤其是在-12℃时的成核率高于纯AgI与NH4I生成的气溶胶1个量级。Feng与Finnegan在上面方法的基础上增加了NaClO4，同样也生成AgI-AgCl-4NaCl复核，这种新改革就使得既能维持高成核率，又能使核化速率产生大幅度的提高。Scott等则在含有2AgI-NH4I的丙酮溶液中增加了BiI3，这就会有Bi2O3以及BiOI的产生，而在燃烧时产生AgI以及BiI3的复合气溶胶，在温度达到-10℃时的成核率为4.4×1014个/g。Finnegan研制出的新方法能够产生 AgI0.78-AgCl0.22-0.125NaCl，这就使得NaCl的含量发生了大幅度的下降，进而就使得燃烧更容易。AgI焰剂（固体燃料发生器）的主要构成材料包括AgI以及其他的粘合剂和氧化剂以及燃烧剂的混合物压制以及胶注，而产生含大量的AgI气溶胶颗粒的主要途径是依靠燃烧，这样就使得装载运输可以通过飞机实现，还可以投放和发射。Hendenson是最早使用AgI焰剂发生法的人，Burkardt等在1958年研究出焰剂中的氧化剂可用碘酸银（A-gIO3），同时还可以生成AgI气溶胶。最早使用含有高氯酸铵氧化剂的AgI复合焰剂的国家是前苏联，这使得成核率提高了整整一倍，紧接着发明了含有节银剂的AgI焰弹新方法。Vonnegut、Passarelli等在实验室研制出 AgI-AgBr、CuI-3AgI等用于碘元素或银元素的部分元素的替换，这起到了消除AgI晶格参数和冰之间存在差别的作用以及提高成核率的作用。美国NEI公司发明LW-83焰剂（用于TB-1型焰弹）的主要目的在于节约AgI的使用量以及提高成核率，其中AgIO3占78%，含作为氧化剂的AgI，当其分解成AgI，此时剩余的O2会被释放出来，这就使得AgI分解受到遏制。前苏联在地球物理观测总台的试验中发现，单位质量的成核率主要是受AgI和PbI2溶解浓度的影响，且两者之间呈反比例关系。当温度达到-7～-15℃时，AgI的成核率为3×1010～3×1014个/g，AgI浓度达到最合适时是在0.001～0.01%范围内。而南斯拉夫发明的VTG-8B焰剂（用于TG-10火箭），AgI的含量只有8%，当温度达到-4℃时成核率能够实现1011个/g，这实现了在较高温度时也可以出现较高的成核率。前苏联紧接着发明了含0.4% AgI的焰弹，当温度达到-10℃以上时，成核率可以实现1015个/g。

2.3吸湿性核

暖云催化通常采用氯化钙 （CaCl2）、食盐 （NaCl）、尿素（NH2CONH2）以及硝酸铵（NH4NO3）等当做吸湿性核。印度的人工影响暖云试验（WCME）喷洒滑石粉和细盐粉按1：10比例混合的催化剂，催化剂的颗粒中值质量是10-9g、直径是10μm。南非采用基于美国海军武器研究中心的方案研究制成了吸湿性催化焰弹，产生了平均尺寸大约0.5μm的小盐颗粒。南非在1991～1996年间做了127次的随机试验，派出2架飞机，其中一架飞机在云底燃烧焰剂喷洒吸湿性核，另一架飞机在上一架飞机50m后面探测，结果为催化后6～10min的云中出现了大水滴，后来墨西哥的多次试验也得到了相差不大的结果。泰国在Bhumibol流域进行的暖积云吸湿性催化试验中发现，CaCl2相较于另外 3种化合物（NH2CONH2、NaCl、NH4NO3）的催化效果更好。我国研制的RC/XW新型消暖雾催化剂，它的成分是淀粉改性物质，能够消除含水量是0.3g/m3的暖雾。

最近的这些年，外国的气象科学家先后研制成功几种吸湿性的烟火催化剂，其中Mather、Eskom和Hindman的配方是最典型的，KCl、NaCl等吸湿性物质是其主要的燃烧产物，平均颗粒半径为0.3μm，相对于暖云催化偏小。法国的气象科学家研制了一种CaCl2作为主要成分的焰剂，平均粒径能够增加到0.5μm。但它们作为暖云催化剂，能提高到1μm粒径或者更高才是最好的。

3　总结

科学优质的人工催化手段结合高效的人工影响天气的方法，使人工影响天气技术向前迈进一大步。但是，在作业中人工影响天气催化剂的实际作业效果如何，以及各催化剂在不同的天气系统中的最佳播撒位置及最佳用量还需要人们一步一步探索。发展精准可靠、播撒能力强、方便灵活的运载工具是提高作业装备性能的关键，在科学技术迅速发展的背景下，需要加强对电子、通信、航天、互联网等传统和新兴技术的集成应用，形成现代化的增雨作业系统。

［1］许焕斌.关于在人工影响天气中更新学术观念的探讨［J］.干旱气象，2009，27（4）：305～307.

［2］张景红，金德镇，江中浩，等.纳米碘化银在人工影响天气的应用研究Ⅲ.表征实验研究［J］.气候与环境研究，2012，17（6）：678～682.

［3］吴琳，曾庆存，洪钟祥.控制论与人工影响天气Ⅱ：工程控制论在人工增雨作业中的应用与建模［J］.气候与环境研究，2012，17（6）：979～985.

刘怀远（1971-），男，工程师，本科，主要从事人工影响天气工作。

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2095-2066（2016）17-0267-02

2016-5-12