人影科普知识

人工增雨（雪）的科学原理

现代人工增雨（雪）的科学原理是基于自然云和降水的形成过程建立的，通过飞机、火箭等运载工具向云中播撒催化剂促进云水向降水的转化过程和提高降水效率，如播撒碘化银催化剂，形成大量的人工冰晶，促进云中过冷水冰晶化而形成降水。通过飞机向云中播撒吸湿性催化剂（氯化钠等盐粒子）促进云滴粒子形成的核化和碰并过程，产生降水粒子。这些事实和原理是通过大量的室内试验、数值模拟试验和外场科学试验检验和验证，具有坚实的科学基础。但人工影响天气仍然是一项发展中的、具有巨大应用潜力的科学技术，同时，也应该认识到，人工影响天气当前仍处于边研究、边应用的阶段，尚有许多科学问题，如效果检验等，仍有待于进一步探索研究和解决。

浅谈人工增雨

地球的主宰者——人类，很早以前就产生了呼风唤雨，控制天气变化的幻想。历史发展到了20世纪40年代，人们开始了唤雨的尝试，五十多年来，人们在这方面取得了一定的进展。在气象学中，把唤雨称为“人工增雨”。

变化莫测的天气，是怎样服从了人的调遣，降下雨来的呢？

首先让我们看看云的降水机制。云是空气垂直运动的结果，随着空气的上升，地面的水汽也被夹带着一起上升，在这个过程中，一部分水汽蒸发掉，一部分则升人云中，会冷却而凝结，成为云中水汽的一部分。高空的云是否下雨，不仅仅取决于云中水汽的含量，同时还决定于云中供水汽凝结的凝结核的多少。即使云中水汽含量特别大，若没有或仅有少量的凝结核，水汽是不会充分凝结的，也不能充分地下降。即使有的小水滴能够下降，也终会因太少太小，而在降落过程中中途蒸发。基于这一点，人们就想出了一个办法，即根据云的情况（性质、高度、厚度、浓度、范围等），分别向云体播撒致冷剂（如干冰、丙烷等）、结晶剂（如碘化银、碘化铅、间苯三酚、’四聚乙醛、硫化亚铁等）、吸湿剂（食盐、尿素、氯化钙）和水雾等，以改变云滴的大小，分布和性质，干扰中气流，改变浮力平衡，加速其生长程，达到降水之目的。

高空的云有暖型云（云内温度在0℃以上）和冷型云（云内温度在0℃以下）。对冷型云的人工增雨，常常是播撒致冷剂和结晶剂，增加云中冰晶浓度，以弥补云中凝结核的不足，达到降雨的目的，对暖型云的人工增雨，则通常是向云中播撒吸湿剂和水雾，加强云中碰并，促使云滴增大。

人工增雨最理想的天气是，作业区上空有水汽含量较丰富的积状云，且云层较厚，云顶高度在6100——12200米之间，地面有小于10公里/小时的微风。

人工增雨的方法多种多样，有高射炮、火箭、气球播撒催化剂法，有飞机播撒催化剂法，还有地面烧烟法。

人工增雨目前还处在试验研究阶段，虽然取得了一些可喜的进展，但是，诸如实施人工影响作业后，雨量的净增量、落区、时效及撒播催化剂的种类、时机、方法等方面，都还需要进一步的研究。要达到按照人们自己的意志——呼风唤雨，仍须作长期努力。

空中水库——让“活水”天上来

远古时候，每当久旱不雨，土地龟裂的时候，人们总盼望着能有呼风唤雨的神灵出现，后来人们在长期的实践中认识到，雨是云的产物，云是空中水库。为把空中那朵云化为雨，人们作了不懈的努力。

1946年7月，美国科学家谢弗在冰箱里做实验。那天天气特别热，冰箱的温度降不下来，于是他将一块本身温度为-79℃的干冰（固态二氧化碳）放进去，想降低温度。刹那间，冰箱里出人意料地出现了成千上万的冰晶。谢弗欣喜若狂，他想，只要在低于0℃的云层里人为地使用少量催化剂，就能使云中增加许多冰晶，冰晶相互合并增大，从云中掉出成为雨滴，就能达到降水的目的。1946年11月13日，谢弗进行了人类历史上第一次飞机播撒干冰试验，他从小飞机上向一块-20℃的层状云播撒了1.5千克干冰，5分钟后，云层全部化为雪，飘飘洒洒地下落了600米。这是一次在科学理论指导下的成功试验。

同年，另一位美国科学家冯尼古特发现了碘化银的成冰作用。碘化银只要加热分解就会在空气中形成极多极细（只有头发直径的百分之一到千分之一）的碘化银粒子。催化设备简单，用量很少，费用低廉，可以大面积推广。一时间，许多国家开展了人工增雨作业。 1958年，我国有组织地开始了人工增雨工作。当年夏季，吉林省出现了60年未遇的大旱，7月份降水量仅2毫米，只有常年的1％，气象学家利用干冰进行了20次人工增雨试验，揭开了“呼风唤雨”的序幕。

人工增雨不仅能解除局部旱情，经过科学研究，人们发现，一年中全球大气水量约11.7×106亿吨，而大气中的水汽只有百分之几到十几能成为雨或雪降到地面，如果能使空中水汽多降下1％至2％，就能增加降水量10％至20％。我国黄土高原是淡水资源缺乏的地区，如何将“空中水库”——云水资源转化为淡水资源，在雨季加强人工增雨，留作干季使用，是解决水资源短缺的一条很好的途径。1998年5月至9月，青海省在黄河首次进行了大范围、长时间的人工增雨实验，结果增加了黄河径流，补充了地下水，仅龙羊峡水电站入库水量就增加了4亿立方米，缓解了水电站发电严重缺水的状况，实现了“黄河之水天上来”的梦想。

天空水库的奥秘

为了防御干旱和洪涝，人们拦河筑坝，在辽阔的大地上修建了大大小小、数以万计的水库。然而人们却很少注意或还很不了解另外一种无需人工建筑的、大自然恩赐给人们的“天空水库”，这就是一朵朵大小不同、形状各异、来去匆匆、变幻无穷的积云。

积云中蕴藏着极其丰富的水资源。如以每立方米的积云平均含水2.5克计算，一块半径为5公里的积雨云中，含水总量达130万立方米，相当于一座小型水库的蓄水量。如果把这座“水库”的水全部排放利用，可以生产30万公斤大米，或者发电30万度。但是令人遗憾，这种奇特的“水库”相当吝啬。小型的（淡积云）简直是“一毛不拔”，“滴水不漏”。中型的（浓积云）也只有1/10能“开闸”放水。大型的（积雨云）虽有90％可以“开闸”，但放出的水，能到达地面的仅占蓄水总量的20％，其余的在空中被蒸发而流入大气海洋中了。

“天空水库”是如何“构筑”起来的？又怎样促使“天空水库”开闸放水，使它最大限度地为人类造福？让我们一起遨游这神秘的云雨世界，看看其中的奥妙何在。 ●神奇的上升气流

上面已经谈到，一块半径为5公里的积雨云中含水量达130万吨。如此巨量的水是什么神奇的力量把它举上空中并托住不放呢？如果我们牢牢盯住一块积云，仔细地观察一阵，或者用测雨雷达跟踪观测一块积云，就会发现：原来积云中存在着强大的上升气流！据推算，在成熟的积雨云中，上升气流速度一般可达20—30米/秒，最大可达60米/秒，比十二级台风的风速还要强。而且这种上升气流大多呈螺旋形结构，无论什么样的飞机，一旦误入这种云内，都将被颠得“粉身碎骨”。积云就是依靠这种强大的上升气流，源源不断地把地面空气中的大量水汽输送到空中，并冷却凝结成水滴或直接凝华为冰晶而形成的。没有上升气流和水汽就没有积云。 ●贪梦的水滳吞并

积云中虽然含有许许多多大小不等、数以亿万计的水滴或冰晶，但这些水滴的半径多数只有0.01毫米，而降落到地面的雨滴半径通常在1毫米以上，两者相差一百倍，其体积则相差一百万倍。假设积云中的温度为0℃，相对湿度为101％（过饱和），一颗半径为0.001毫米的小水滴，因凝结作用而增大为2倍，则需要2.1秒；若增大到10倍，需75秒；而增大到200倍，需要花上8个小时。可见如果单纯依靠凝结作用而使云滴变为雨滴是相当困难的。那么又是什么奇妙的方法，能在很短的时间内，促使一百万个云滴迅速转变为一个雨滴的呢？让我们先看看浓积云中的情况。

浓积云全部由水滴组成。水滴虽小，但在重力作用下，仍然具有下落速度。如半径为0.01毫米的云滴，它等速下落时的速度约为0.01米/秒，而半径为0.1毫米的云滴等速下落速度为0.72米/秒。因此云滴在下落过程中，大云滴会迅速赶上小云滴，并把小云滴吞并而成为更大的云滴。长大了的云滴继续下落，并不断吞并比它小的云滴，于是云滴就象“滚雪球”一样，越滚越大。同时由于积云中上升气流很强，它可以带动大大小小的云滴往上冲。在上升的过程中，大云滴上升慢，小云滴上升快，因此小云滴又会迅速追上大云滴，主动送

给大云滴吞并。最后当大云滴长大到上升气流托不住时，便从云中掉落下来而成为较大的雨滴。

●奇妙的冰晶效应

积雨云中既有水滴，又有冰晶，冰水共存，情况特殊，因此云雨转变过程也很特别。先看这样一个实验：在两根细棒上分别悬挂一个水滴和冰晶，同时放人一个温度为一10℃的小盒内，并使两根细棒尽量靠近，但水滴和冰晶互不接触。用显微镜观察水滴和冰晶的变化，这时奇迹出现了：水滴很快变小并迅速消失，而冰晶却很快增大。这种奇特的现象叫做“冰晶效应”。据计算，在相同的温度和湿度条件下，冰晶增长的速度比水滴增长速度要快一百倍。积雨云就是利用这种“冰晶效应”，促使云中水滴迅速凝华到冰晶上，使冰晶很快长大。当长大到上升气流托不住时，便迅速下降。在下降途中又继续捕获水滴或粘连小的冰晶。当下降到0℃层以后，便融化成雨滴而降落到地面。 ●巧夺天工化甘霖

积云尤其是积雨云，是云雨世界中的“骄子”它水多力大，在天空舞台上“狂热”地表现自己。大风、暴雨、冰雹、龙卷等等，都是它的杰出“作品”。因此人们既喜爱它的“富有”，但又不欢迎它的“狂热”。特别是当久晴不雨、人们非常渴望它“开闸”放水的时候，它却常常“守口如瓶”，“滴水不漏”。如浓积云，当云中缺少定数量的半径大于0.02毫米的水滴时，它就不会下雨。积雨云中如果缺乏足够的冰晶，也不会下雨或下雨很少，并很快消散，变得“无影无踪”。能否采用科学的方法，促使它们在人们需要的时候，按照人们的意志及时“开闸”

放水呢？近三十年来，在我国各地迅速开展起来的人工催化增雨试验，就是根据云和降水形成的物理机制，向云中播撒一定数量的催化剂，促进云的发展，从而达到激发和增加降水的目的。

用于“耕云播雨”的催化剂种类很多。目前使用较多的主要是盐粉、干冰和碘化银三种。盐具有很强的吸湿性，用飞机将盐粉撒入云中后，盐粉便迅速吸收云中的水汽而形成较大的水滴，并通过“水滴吞并”很快长大成雨滴降落到地面。干冰又叫固体二氧化碳，它的温度

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