偶然成功的人造雨

偶然成功的人造雨

　　直到1948年，人们才真正发现了科学的人工降雨方法。这一年，美国通用电气公司的科学家文森特谢福经过长期的探索，在一次实验中偶然地找到了人工降雨的关键，解决了千百年没有解决的课题,成为科学史上的一段佳话。小编带来的偶然成功的人造雨。

　　人造雨的想法早在古代就有了，但是直到1946年前都没有实现。科学的人造雨是从文森特·J谢弗开始实验的。他是美国纽约州通用电器公司实验室的一名科学家，他在一次偶然事件中，取得了成功。

　　长期以来，人们认为雨是这样形成的：由海洋和湖泊中的水，变成空气的一部分，形成了云，从云中降下雨来。而云是怎样形成雨滴的?不少科学家认为，雨滴是凝聚在灰尘或其他极细小的微粒周围才形成的，雨滴的内核相当小，肉眼不能看到它，没有这些内核物质，似乎水满无法形成。于是人造雨的最初尝试是把某种材料作为水滴的内核发射到潮湿的、但没有足够的尘埃或是其他物质微粒的大气中去。

　　科学家们把成千上万磅各种各样的人造内核从飞机上投下来，或是从地面上发射上去。结果是有时下雨，有时不下雨。所以，云变雨滴的过程仍是一个谜。

　　美国通用电器公司的科学家欧文·兰米尔和他年轻的助手谢弗在二战期间，是研究飞机机翼结冰问题的。他们经常去寒风凛冽、大雪纷飞的新罕布什尔去。在那里，兰米尔和谢弗意外地发现云彩周围的温度经常低于冰点，然而却不结冰。这一现象的发现使得兰米尔和谢弗初步相信了当时一些欧洲和挪威科学家对雨的解释：水聚集在内核的周围成为冰的晶体，当落到地面就成了雨。

　　二战结束后，谢弗继续他的寻找雪内核的研究。他试验了所有由气象学家建议的天然材料，包括粉尘、泥土和盐类。为了仿制云雾状的潮湿空气，谢弗将自己呼出的气送入制冷器，然后投入一种特殊的东西。经过了很长时间，他试验了所设想的一切材料和一些几乎是不可想像的东西，但除了制冷器的底部为那种物质所覆盖外，什么都没有发生。将某种物质变为盲的晶体的内核的试验均告失败。

　　7月的一个上午，谢弗将各种材料都向制冷器里投了一小点，并注视着他所期待的失败结果。后来，朋友提醒他去吃午饭，谢弗高兴地同他去了。走时他照例让制冷器的盖子朝上。因为冷空气下沉，不会从盒子里跑掉。

　　午饭后，谢弗又继续开始进行试验。此时他偶然地看了一下制冷器的温度，比要冰的晶体继续保持固态的温度高了一点。温暖的夏季天气的到来，并没有引起他的注意，他更多注意的是试验的前景。

　　这时，有两种选择，他可以盖上盖子，让它自己降至原来的温度;或是投入干冰迅速制止继续升温。干冰是固态的气体，很冷。他在制冷器内投入干冰后，碰巧他呼出了大量的哈气，奇迹便展现在他眼前：在少量射入到制冷器的光线内，他看到了哈气中有某种细小的碎片，他立即明白了它们是冰的晶体。他偶然地实现了自己的愿望，制出了雪的晶体。不是用一些附加的内核掺到潮气中去，而是相当清彻的哈气吹入制冷器，并且加入大量干冰，如此制出了冰的晶体，变成了一些小小的雪花飘落到他的实验室的地板上。

　　据此，谢弗准备了一架能喷洒干冰到云中的飞机以及电动喷洒装置。在1946年11月一个寒冷的日子，谢弗驾着飞机在云层上飞行，在适当的时机，启动机械将干冰洒落到下面的云彩里。在地面上，兰米尔博士激动地看着雪从飞机飞过的云层里落下来。当谢弗返回地面对，兰米尔向他奔跑过去，高喊道：“你创造了历史!”此后，数百次人造雨都是将于冰撒到各类云彩中，或称之为“给云层播种”的方法实现的。此后兰米尔博士又发现干冰的碎片要小到豆粒，才能造成足够的雪以产生大量的雨。

　　谢弗发现如果能使大气足够的冷，就不必要有一个内核，因此他停止了关于内核的研究。然而，有关雨内核的理论是否就是错误的呢?另一个通用电器公司的年轻工人伯纳德·万内格特却仍对这个问题感兴趣。他曾在技校学习过制冷。1945年到通用电器公司当工人。他学习了弗值森的冰晶理论，认为弗亩森的理论是正确的。弗亩森指出，必须使用与雪的微小碎片的内核同样大小的材料。

　　万内格特找到了他所要求的一种化合物——碘化银。他相信这是有效的。他搞到了一些材料，提出了点燃它的方法，以使其产生微小的颗粒撒到大气中去造成所期望的雪花。

　　然后，他把这种材料发射到大气中去，等待雨雪的到来。但是什么结果也没发生。他并没有灰心，继续研究各次试验的记录;分析了所选取作为结晶内核的化合物;又请教其他科学家。费了一番。心血，最后他发现自己所使用的碘化银是不纯的。

　　他搞到了很多的材料，不顾每克碘化银的花费多大，再三地进行雪结晶的试验。最终找到一种方法能把碘化银磨成很小的碎片，像烟雾一样。这样的碎片可以散布在很广的范围内，如有足够的云量，很少几克就能造出洒遍一个国家的雨量。

　　这两种人造雨方法都为科学界所公认。以此看来，即是一个科研项目的成功，往往也会有几种和多种方法可采用。所以科学发明发现才会有那么多的偶然性促成形形色色的新成果新创造。一个偶然性事件促成了一个意外的成功，但并不意味这种得来不易的成功是最好的结果;是唯一正确的;会杜绝别的新方法。科学家必须要有坚韧不拔的决心，才能在大量表面上不利事态发生之中，抓住转瞬即失的有利偶然事件，将科研事业导向成功。

　　人工降水

　　人工降水，又称人工增雨，是指根据自然界降水形成的原理，人为补充某些形成降水的必要条件，促进云滴迅速凝结或碰并增大成雨滴，降落到地面的过程。

　　其方法是根据不同云层的物理特性，选择合适时机，用飞机、火箭向云中播撒干冰、碘化银、盐粉等催化剂，使云层降水或增加降水量，以解除或缓解农田干旱、增加水库灌溉水量或供水能力，或增加发电水量等。中国最早的人工降雨试验是在1958年，吉林省这年夏季遭受到60年未遇的大旱，人工降雨获得了成功。

　　定义

　　人工降水，又称人工增雨，是指根据自然界降水形成的原理，人为补充某些形成降水的必要条件，促进云滴迅速凝结或碰并增大成雨滴，降落到地面。其方法是根据不同云层的物理特性，选择合适时机，用飞机、火箭向云中播撒干冰、碘化银、盐粉等催化剂，使云层降水或增加降水量，以解除或缓解农田干旱、增加水库灌溉水量或供水能力，或增加发电水量等。

　　原理

　　根据不同云层的物理特性，选择合适时机，用飞机、火箭弹等向云中播散干冰、碘化银、盐粉等催化剂，促使云层降水或增加降水量。人工增雨分为暖云增雨与冷云增雨。要使暖云（温度高于0℃的云）降水或增雨，要在云中播撒盐粉、尿素等吸湿性粒子，促使大云滴生成导致形成或增加降水。若要冷云（温度低于0℃的云）降水，就要用飞机等播撒干冰、碘化银等催化剂，从而产生大量冰晶，使冷云上部的冰晶密度增大，促成或增加降水。

　　人工影响云的微物理过程，可以在一定条件下使本来不能自然降水的云受激发而降水，也可使那些水分供应较多、往往能自然降水的云，提高降水效率而增加降水量。但不能自然降水的云能供应的水分较少，因此人工催化的经济价值有限。

　　条件

　　人工降雨一般在自然云已经降水或者接近于降水的条件下，人工降水的方法才能发挥作用。由于降水的自然变率很大，人工增加降水量的幅度较小，如何估价人工降水的效果就显得十分困难。人工催化增加的降水量，是催化后的实际降水量和不经催化的自然可能降水量之差。实际降水量可以测定，但能否正确估价自然可能降水量，就成了效果检验的关键。在对降水的物理规律认识不足的情况下，主要依靠统计学的方法对自然可能降水量作出估价。初期的统计检验方法，多数采用回归统计法，在人工催化目标区附近选择一个不受催化影响的地区作为对比，用历史资料建立目标区和对比区降水量的回归方程。把人工降水试验期间对比区的降水量代入回归方程，求出目标区的自然可能降水量，再与目标区实测降水量对比，就可估价人工降水的效果。采用这种方法对于同一次试验，选用不同的对比区或者不同年限的历史资料作对比，得出的结果，可能出入很大，所以这种方法的可信度不高。一般认为随机试验可以避免主观的偏差得到统计学上的可信估价。随机试验是把适合于人工降水的试验机会（试验单元）按照随机规则（例如抽签）分成两组：一组催化并观测，另一组不催化只观测，作对比。当试验单元足够多时，随机决定的两组试验单元的自然条件应该只有极小的系统性差别，而两组试验实测降水量的系统性差异，就可以归之为人工催化的结果。判断催化效果，存在着成功和失败的可能性，当判断催化有效而实际无效时，常以显著度水平来表示这种可能性。显著度水平越小，判断催化有效的可信度越高。在人工降水试验中，一般要求显著度水平小于5%，即可信度大于95%。

　　人工降雨由于水资源对国民经济的重要性，人工降水试验作为开发水资源的一种潜在手段，受到广泛的重视。世界上先后有大约八十个国家和地区开展了这项试验，其中以美国、澳大利亚、中国和前苏联等国的试验规模较大。1958年以后，中国北方各省，曾用飞机向大范围层状云中播撒干冰或碘化银等成冰催化剂，试图增加冬季和春季的降水量；中国南方各省，也曾用飞机或向积状云内播撒盐粉或碘化银等催化剂，以期增加夏旱时期的降水量。但自然降水过程和人工催化过程中的很多基本问题，仍不很清楚，人工降水的效果检验还有很多困难。

　　人工降水的效果受云和其他条件所制约。在某种条件下可能有显著的正效果，在另一种条件下可能无效甚至出现负效果。不分条件笼统地进行统计，分析得出的效果往往不显著。把试验单元按照某种指标分成几类分别统计，有时就能得出比较显著的结果。例如在冷云催化试验中按云顶温度分类，统计得出，在一定温度区间里有比较显著的效果。从人工降水研究来说，仅对降水增量作出估价是不够的，必须对整个物理过程的各个环节都有确切的了解。如催化剂在云中指定部位是否达到了一定的浓度，冰晶或大滴的浓度是否明显增加等。观测和统计这些宏观和微观特征量的变化，可从物理过程上分析人工催化的效果。这种观测检验，称为人工降水效果的物理检验。如在冷云试验中观测到催化后冰晶浓度增大，过冷水滴减少，说明人工催化对云的微物理过程已起到作用。一般认为，人工降水的科学试验，必须根据统计学的要求，严格按照预定的设计进行长时间的试验，同时对自然降水过程和人工催化过程，进行细致的野外探测和数值模拟，才能使试验具有比较坚实的物理基础和统计的可信度。

　　方法

　　人工降雨

　　在自然云内冰晶浓度有时不足，这时需要引进人工冰核，使云中微观结构发生变化，促进冷云降水过程而增加降水量。这种作用过程叫冷云催化。在冷云降水过程中，冰晶的浓度起着重要作用。据有关资料介绍，冰晶浓度达到1～100个/L量级时降水效率较高。在冷云催化中，云的温度条件十分重要。一般来说，当云顶温度很低时，冰核自然活化的浓度很高，云中自然冰晶浓度较高，自然降水过程进行得比较充分，增雨潜力比较小。反之，冰晶和水的饱和水汽压差异较小，冰晶的增长速率比较低，人工冰核物质的成冰能力也大大降低，人工催化很难达到要求的冰晶浓度。因此，有资料显示，当云顶温度在-4～-10℃范围时进行催化，效果比较好，这个温度范围被称之为“催化温度窗”。同时，冷云催化还会影响降雪的分布。这是由于对冷云进行催化以后，云中冰雪晶数量增加，过冷水滴减少，使得下降的雪晶不但个体较小，而且很少带有冻滴，它们的落速就比自然降雪小得多，在气流作用下，它们就会落到下风方更远的地方，使降雪的分布发生改变。

　　暖云催

　　人工降雨在温度高于0°C的暖云里，降水主要在云滴碰并过程中得到发展。云滴越大，碰并增长就越快。计算表明，当云滴半径超过0.04毫米时，就可以迅速碰并而长成雨滴。在那种大云滴的浓度不足的自然云中，播撒大量半径大于0.04毫米的水滴，就能够促进降水过程。计算表明，每克水可以形成约几百万个大云滴，要催化10立方公里的云体，则需要几吨水。若往云中播撒一定大小的吸湿性物质颗粒或者溶液滴，它们能在云中吸湿而迅速长成大云滴，这样所需的催化剂量，就用不到水的十分之一。

　　除了播云以外，法国和苏联有人试验在地面加热，造成人工上升气流的方法，试图在一定气象条件下激发或增加降水。美国有人设想利用沥青或碳黑吸收太阳辐射，提高局地空气的温度，促进云的发展以增加降水。中国有人研究过爆炸对降水的影响。这些人工降水方法的研究，都还处在探索的阶段。

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