big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Проблема воздействия на атмосферные процессы

Стремление человека предугадать погоду всегда дополнялось желанием подправить ее в интересах своей производственной деятельности и быта. Еще в 1814 г. русский метеоролог В. Н. Каразин писал: «Достигнет ли когда-нибудь человек до возможности располагать по крайней мере на некотором пространстве состоянием атмосферы, производить дождь и вёдро по своему произволу? Пределов наук, особливо же естествознания, никак невозможно определить. Разум человеческий беспрерывно двигается вперед».

О возможностях воспроизведения некоторых атмосферных явлений высказывались и такие выдающиеся русские ученые, как Д. И. Менделеев, А. И. Воейков, А. В. Клоссовский. В истории науки известны и практические попытки отдельных ученых и изобретателей воздействовать на атмосферу в целях регулирования погоды, главным образом — осадков — дождя, снега, града и туманов. К сожалению, большинство этих попыток в прошлом, при слабой научной и технической базе, не давало надежных результатов.

После Октябрьской революции в нашей стране были развернуты исследования по экспериментальной метеорологии. Еще в 1921 г. при Наркомземе был организован научно-мелиоративный институт, в круг задач которого входила и разработка проблем искусственного дождя. Особенно широкое развитие эти проблемы получили после Всесоюзной конференции по борьбе с засухой, состоявшейся в 1931 г., когда к исследованиям по проблеме физики облаков и осадков и искусственного регулирования погоды был привлечен ряд институтов, в том числе вновь организованный в Москве институт Экспериментальной гидрометеорологии.

Из его трех филиалов — в Ашхабаде, Одессе и Ленинграде — последний вскоре был преобразован в Ленинградский институт экспериментальной метеорологии (ЛИЭМ).

Успехи советской физики атмосферы и климата создали новое направление метеорологии — изучение методов активных воздействий на погодные процессы и климатические условия. В настоящее время воздействие на погоду, или, точнее, на облака, осадки и туманы, исследуются и теоретически и экспериментально. Исследования же воздействия на климатические условия ведутся пока лишь в теоретическом плане.

В установлении основ этого направления в метеорологии очень большую роль сыграли исследования Ленинградского института экспериментальной метеорологии (1931—1941 гг.), где под руководством В. Н. Оболенского были широко развернуты работы по физике и микрофизике облаков и туманов с применением самолетов-лабораторий и другой современной техники и начата научная разработка проблемы активного воздействия на облака и туманы. При этом в полевых условиях были опробованы электрические методы воздействия и методы с применением гигроскопических веществ и электризованного и неэлектризованного песка, а в лабораторных условиях поставлены исследования целесообразности применения хладореагентов. Немаловажную роль в создании научных предпосылок активного воздействия на облака и осадки сыграли работы аэрологов Главной геофизической обсерватории, где в 1931 г. П. А. Молчанов создал первый в мире радиозонд для наблюдений за состоянием свободной атмосферы и заложил теоретические и экспериментальные основы аэрологии. Существенное значение для науки о преобразовании погодных и климатических условий приобрели и капитальные работы Обсерватории по динамической метеорологии и по теории климата.

Все это, а также достижения смежных наук — физической химии, кристаллографии и других дисциплин — позволили более глубоко исследовать реальные цели и пути воздействия на облака, осадки и туманы. Выяснилось, что принципиальной основой таких воздействий могут явиться методы искусственного регулирования фазовых и микро структурных преобразований облаков и туманов средствами местного применения. При этом имеется в виду, что результат воздействия такого рода, при относительно малых затратах энергии, должен явиться началом общего изменения состояния термодинамически и коллоидально неустойчивых облаков и туманов, что в свою очередь должно обеспечить практически значимые масштабы получаемого эффекта в пространстве и времени.

Систематическое исследование активного воздействия на погодные процессы в СССР начато в 1946 г. в Главной геофизической обсерватории и Центральной аэрологической обсерватории. На этом этапе после некоторых поисковых разработок начались испытания в природе методов воздействия на переохлажденные капельно-жидкие облака и туманы с целью вызывания осадков из облаков, предотвращения опасных градобитий и рассеяния туманов и облаков. Физической основой воздействия на капельно-жидкие облака при отрицательных температурах является искусственное образование в них ледяных кристаллов посредством введения хладореагентов или мелкодисперсных твердых частиц. Появление кристаллов льда среди переохлажденных капель резко усиливает неустойчивость состояния облака.

Основным хладореагентом, используемым для воздействий на облака, является твердая углекислота (СО2). Поверхность испаряющихся частиц СО2 имеет температуру —79° С. Вблизи таких частиц в облаке возникает зона значительного переохлаждения и пересыщения водяного пара. В этих условиях за время порядка 10-5 сек образуются ледяные частицы размером около 10-6 см, которые могут далее расти в окружающей среде жидких переохлажденных капель за счет перегонки на них водяного пара. Свою льдообразующую активность СО2 проявляет при температуре —3°С, —4° С и ниже. При испарении одного грамма твердой углекислоты в облаке может возникнуть до 1014—1016 ледяных кристалликов.

Реагенты, мельчайшие частицы которых могут служить ядрами кристаллизации при попадании в среду переохлажденных капель, способствуют их переходу в твердое состояние. При этом они являются или ядрами сублимации (осаждения) водяного пара, или ядрами замерзания переохлажденных капель в процессе контактов с ними, К таким ядрам кристаллизации относятся частицы йодистого серебра (AgJ) и свинца (PbJ2). Температурный порог льдообразующей активности AgJ — порядка — 6° С, a PbJ2 — порядка — 8° С. Такие льдообразующие реагенты, как AgJ и PbJ2, применяются путем тепловой возгонки в различных наземных и самолетных дымогенераторах и при горении пиротехнических составов, содержащих эти реагенты в ракетах, пиропатронах, дымовых шашках и т. п. В соответствующих условиях при возгонке грамма этих веществ получают до 1011—1013 частиц — ядер кристаллизации.

В общем, процессы в переохлажденном облаке, подвергавшемся искусственному воздействию, развиваются в следующей последовательности. Вначале образуются ледяные зародыши у холодной поверхности твердой СО2 непосредственно из водяного пара или на частицах других веществ, играющих роль подставок — ядер кристаллизации. Далее происходит диффузное распространение в облаке ледяных зародышей и их рост до размеров, когда гравитационная составляющая становится больше составляющей диффузного распространения. При этом ход процесса перегонки водяного пара с капель на кристаллы зависит от соотношения концентраций. Если в некотором объеме облака число кристаллов мало по сравнению с числом капель, то кристаллы быстро вырастают до размеров, вызывающих их выпадение. Напротив, при обратном соотношении концентраций жидкие капельки быстро испаряются, но размеры кристаллов остаются при этом малыми и в конце процесса перегонки. Произойдет кристаллизация облака без необходимого укрупнения частиц для начала процесса осадкообразования.

При падении через переохлажденную капельно-жидкую часть облака ледяные кристаллики укрупняются как вследствие перегонки на них воды с капель, так и в результате намораживания на них воды при столкновении с каплями. При падении ниже нулевой изотермы происходит их таяние. Если нулевая изотерма лежит внутри облака, то капли, образовавшиеся вследствие таяния льдинок и имеющие необходимые размеры для гравитационной коагуляции, могут сливаться с каплями, составляющими теплую часть облака, и из него выпадать.

Для решения проблемы предотвращения опасных градобитий сельскохозяйственных культур в последние годы в научных учреждениях Гидрометеослужбы и Академии наук СССР проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований градоопасных облаков. Предполагается, что в мощных конвективных облаках, на уровне максимальных вертикальных потоков, происходит накопление влаги в жидком переохлажденном состоянии. Ледяные зародыши, образующиеся на уровне естественной кристаллизации, при падении через эту часть облака быстро растут, превращаясь в градины.

Радиолокационные исследования показали, что рост градин в облаке, в такой относительной локализованной зоне, происходит в течение 5— 10 мин.

В основу современных методов борьбы с опасными градобитиями и положен принцип ослабления лавинного процесса образования крупных градин на сравнительно редких естественных их зародышах. Это делается в зоне большей водности облака и в условиях значительного переохлаждения капельно-жидкой воды, путем введения значительного количества искусственных ядер кристаллизации. Последние обеспечивают рассредоточение запаса переохлажденной влаги на большее число ледяных зародышей, в результате чего и уменьшается возможность образования крупных градин.

Практически задача сводится к тому, чтобы, имея надежный прогноз и текущий диагноз (с помощью радиолокаторов) состояния облачности, обеспечить точную и оперативную доставку необходимого количества кристаллизующих веществ в ту часть облака, которая по своему состоянию потенциально благоприятна для лавинного образования и роста градин. С этой целью используются ракеты или реактивные снаряды, на заданном участке траектории полета которых при горении их пиротехнического состава возгоняется и вводится в облако реагент. В работах по предотвращению градобитий в настоящее время в качестве реагентов применяется в большинстве случаев AgJ и PbJ2.

С 1961 г. в Алазанской долине Грузинской ССР была начата опытно-производственная защита сельскохозяйственных культур от градобитий. В последующие годы площадь территории, защищаемой от градобития, расширялась, такие же работы проводились уже не только в Грузии, но и в Кабардино-Балкарии, Армении, Молдавии, Таджикистане и Узбекистане. За эти годы Институтом прикладной геофизики Академии наук Грузинской ССР, Высокогорным геофизическим институтом, Центральной аэрологической обсерваторией и другими научными организациями Советского Союза выполнены тысячи опытов, которые в большинстве случаев были положительными. Однако имелись случаи неудач. Это указывает на необходимость дальнейшего исследования градоопасных облаков и средств воздействия на них.

Исследования методов искусственного вызывания осадков из облаков, при всей научной и технической сложности проблемы, актуальны в практическом отношении. Такие воздействия могут производиться, например, на летние конвективные облака. Так, опыты, проведенные в конвективной облачности в различных районах страны, показали, что при тех ситуациях, когда переохлажденные вершины облаков при своем развитии не достигают уровня температур ниже —7°, —10° С, т. е. когда обычно не наблюдается естественных осадков, они могут быть вызваны искусственно и при соответствующих условиях достигать земной поверхности. Кроме того, в областях интенсивной конвекции в часы ее максимального развития значительная часть мощных кучевых облаков, сравнимых по своей вертикальной мощности с дождящими облаками, часто не достигает стадии оледенения и не дает осадков. Имеется возможность искусственного стимулирования осадков и из таких облаков.

Вызывание осадков возможно и из зимней слоистой и слоисто-кучевой облачности. При этом очень существенным является накопление дополнительных осадков зимой для увеличения влагозапасов в почве к периоду вегетации сельскохозяйственных растений, а также для создания дополнительных запасов снега в горах для увеличения стока рек, например, в хлопководческих районах. Осенью, в сухие холодные облачные, но безосадочные дни искусственное осаждение снега на поля даже в малых количествах может быть использовано для предохранения озимых от вымерзания, а в районах отгонного животноводства — для питьевого потребления скотом вместе с травой. Дополнительные осадки, вызванные искусственным путем в бассейнах водосбора рек, на которых имеются гидроэнергетические сооружения, окажутся полезными для обеспечения их запасами воды.

Следует, однако, иметь в виду, что исходное искусственное изменение микроструктуры облака может быть эффективным для вызывания существенных осадков только при наличии достаточных водных запасов в облаках и при благоприятном вертикальном влагообороте. Эти и другие физико-географические факторы в большой мере определяют количественную сторону результатов воздействия на облака. Соответственно по территории Советского Союза ведется направленное изучение климатических ресурсов, в частности водных атмосферных ресурсов.

Систематические полевые опыты по засеву облаков твердой СО2 осуществляются в СССР с 1957 г. Украинским научно-исследовательским гидрометеорологическим институтом над территорией экспериментального метеорологического полигона. Аналогичные работы выполняются и в Главной геофизической обсерватории с применением других реагентов. В итоге возможность искусственного увеличения осадков в пределах 10—15% с помощью современных методов воздействия на переохлажденные облака на относительно небольшой территории, например на площади до нескольких тысяч квадратных километров, считается установленной. Исследования упомянутого института для района полигона показали, что добавка осадков в 10% за вегетационный период может иметь народнохозяйственное значение в зонах недостаточного увлажнения в годы со средним количеством осадков, но не дает заметного эффекта в резко засушливые годы.

Методы искусственного рассеяния облаков и туманов над ограниченными территориями актуальны для ряда практических задач, в особенности для деятельности авиации и морского транспорта. Здесь преследуется цель искусственного изменения оптической плотности тумана или низкого облака в районе аэродрома, порта и т. п.

К настоящему времени в Центральной аэрологической обсерватории разработаны самолетные и наземные средства, обеспечивающие раскрытие небольших территорий от низких переохлажденных капельно-жид-ких облаков или туманов с помощью кристаллизующих реагентов — твердой углекислоты и некоторых йодидов.

Искусственная кристаллизация переохлажденного тумана или облака обычно сопровождается его рассеянием вследствие укрупнения и выпадения частиц. Образование просвета с созданием видимости Земли через туман происходит вначале в виде небольших зон, с последующим расширением их до полных просветов шириной, достигающей иногда 4—5 км. Время их образования — несколько десятков минут. Время сохранения просветов в облаках может достигать полутора часов. Опытным путем установлено, что толщина переохлажденного тумана или облака, в котором рассеяние будет эффективным, может иметь вертикальную протяженность до 700—800 м. Что касается применения методов искусственного рассеяния туманов и облаков над большими площадями, то такие воздействия на атмосферные процессы могут оказаться существенными для целей изменения радиационного баланса отдельных территорий. Эксперименты такого рода проделаны Институтом прикладной геофизики АН СССР.

Применяемые в настоящее время методы рассеяния низких облаков и туманов пригодны только при температурах ниже 0° С. Между тем для практики не менее важно рассеяние их при положительных температурах воздуха. Разработка эффективных методов активных воздействий на «теплые» облака с целью вызывания осадков также актуальна.

Изучение облачности над украинским экспериментальным полигоном и в других районах показывает, что в осеннее и зимнее время нередко облака имеют температуру выше 0° С или отрицательную, но близкую к нулю, когда применение льдообразующих реагентов нецелесообразно. Так, например, в районе этого полигона в течение одной зимы у верхней границы облаков температура —4° С и выше встречалась в 45 случаях. По расчетам Украинского гидрометеоинститута, из этих облаков, если будет разработана методика воздействия на них при положительных температурах, может быть дополнительно вызвано 10—11 мм осадков.

В связи с этим перед наукой стоит неотложная задача выполнения широкого комплекса исследований с целью изыскания средств и методов активного воздействия на облака и туманы при положительных температурах. Для этой цели в данное время исследуются «тепловые» методы рассеяния туманов, а также методы с применением гидроскопических и некоторых других веществ. Обсуждается вопрос о возобновлении исследования электрических методов воздействия.

Исследование возможностей и путей активного воздействия на климатические условия в настоящее время ведется в плане теоретических разработок. Однако при этом учитывается опыт мелиоративных, оросительных и других мероприятий такого рода, широко развернутых в практике народного хозяйства. В первом приближении в Главной геофизической обсерватории разработаны вопросы возможных изменений климата при воздействиях на подстилающую поверхность, в частности на снежный и ледовый покров, вопросы изменения влагооборота под влиянием мелиоративных мероприятий. Здесь же проведено некоторое методическое изучение устойчивых и неустойчивых атмосферных движений с целью оценки возможности влиять на них, а также учета роли трансформации воздушных масс при воздействии на климатические условия.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.