¿Puede la gente "llamar viento y lluvia"?

Controlar el viento y la lluvia siempre ha sido un sueño de la humanidad, pero para convertirlo en realidad debemos confiar en la ciencia. La ciencia atmosférica es una disciplina que estudia diversos fenómenos y ciclos naturales que ocurren en la atmósfera. También es la base científica para hacer realidad el sueño del ser humano de controlar el viento y la lluvia.

El ser humano siempre ha tenido el sueño de controlar el viento y la lluvia.

El ciclo atmosférico del agua es el proceso de reciclaje de las sustancias del agua en el suelo y en la atmósfera. Es el principal. fuente de agua limpia en el suelo y también impulsa diversas sustancias en la atmósfera. Una de las principales fuentes de energía necesarias para el ejercicio. El ciclo atmosférico del agua no es complicado en su conjunto e incluye el proceso de evaporación, el proceso de formación de nubes y el proceso de formación de lluvia.

Más detalladamente, el agua superficial es líquida o sólida, y se transforma en vapor de agua gaseoso mediante el proceso de evaporación. Este es el proceso de evaporación y es el primer cambio de fase del agua. El vapor de agua se mueve con las corrientes de aire en la atmósfera, pero no puede regresar al suelo antes de otro cambio de fase. Para que el vapor de agua regrese al suelo, debe sufrir otro cambio de fase, como condensación o sublimación, de estado gaseoso a líquido o gotas de nube sólidas. Este es el proceso de formación de nubes. Después del segundo cambio de fase, el vapor de agua tiene las condiciones para regresar al suelo, pero es posible que no pueda regresar al suelo porque las gotas de las nubes son demasiado pequeñas y livianas para flotar en la atmósfera y no pueden caer bajo ciertas condiciones. Se evapora nuevamente y vuelve al estado gaseoso. Para que las gotas de las nubes regresen al suelo, deben crecer hasta cierto tamaño. Este proceso de fusionar muchas gotas de nubes pequeñas en gotas de lluvia grandes es el proceso de formación de la lluvia. Las gotas de las nubes naturales pueden crecer mediante el proceso de condensación o colisión. Cuando crecen hasta un cierto tamaño, pueden convertirse en precipitación y superar la gravedad y caer al suelo. Por ejemplo, las gotas de las nubes con un diámetro superior a 200 micrones pueden crecer. Caer al suelo Cuando se convierta en llovizna, se formarán gotas de lluvia u diversos objetos sólidos de precipitación con un diámetro superior a 500 micras.

La precipitación es parte del proceso del ciclo del agua

Condiciones para la formación de lluvia

De la discusión anterior sobre el proceso del ciclo del agua, debemos prestar atención a dos cuestiones clave: primero, el cambio de fase; el segundo es el requerimiento energético.

Como se mencionó anteriormente, el ciclo del agua atmosférico contiene dos procesos de cambio de fase. Esto se debe a que los estados de fase del agua superficial y del vapor de agua en la atmósfera son diferentes. El proceso del ciclo del agua convierte el agua superficial en agua. primer cambio de fase. Pasa a un estado gaseoso, y luego pasa por un segundo proceso de cambio de fase y pasa a un estado líquido o sólido antes de poder regresar al suelo. Esto es muy importante, porque si el vapor de agua en la atmósfera no tiene la oportunidad de sufrir un segundo proceso de cambio de fase y convertirse en agua líquida o sólida, no podrá regresar al suelo, es decir, aunque esté allí. Si hay mucho vapor de agua, no volverá al suelo. Sin la posibilidad de que se produzcan cambios de fase, no se pueden formar precipitaciones.

Por tanto, sólo el vapor de agua que tenga la oportunidad de sufrir un cambio de fase contribuirá a la precipitación. En este sentido, durante un determinado periodo de tiempo en una determinada zona, la cantidad de vapor de agua por sí sola no determina cuánta precipitación habrá. Lo que determina la cantidad de precipitación es la cantidad de agua que ha sufrido un segundo cambio de fase. Este es el recurso de la precipitación.

El agua de condensación (sublimación) después del segundo cambio de fase constituye la máxima precipitación posible en esta zona durante este período. Esta cantidad es muy importante porque es la base del potencial de aumento artificial de las precipitaciones. Por supuesto, no toda esta precipitación máxima posible puede convertirse en precipitación, porque no todas las partículas de las nubes crecerán suavemente y muchas de ellas permanecerán en el aire o incluso se evaporarán nuevamente. Esto determina la eficiencia del proceso de formación de lluvia, que refleja la relación entre la precipitación real y la precipitación máxima posible en un área determinada durante un período de tiempo determinado.

La segunda cuestión es la energía, que debemos considerar en nuestros intentos de influir en los procesos naturales. Como puede verse en el análisis anterior, varios procesos del ciclo atmosférico del agua implican grandes necesidades de energía. ¿Debemos considerar si tenemos la capacidad de proporcionar esa energía para cambiar el desarrollo de los procesos naturales? La energía de la naturaleza es enorme y necesitamos hacer algunas estimaciones cuantitativas al respecto. Utilice como regla la cantidad de energía utilizada por los humanos en todo el mundo cada año, y utilícela como una unidad (su valor específico es del orden de 1020 julios) para estimar la energía involucrada en los procesos atmosféricos.

Todos los movimientos de la atmósfera terrestre son impulsados ​​por la energía proporcionada por el sol. Según estimaciones de la ciencia atmosférica, la energía que aporta el sol a la Tierra cada año es de unas 40.000 unidades, de las cuales la energía se utiliza para. La evaporación del suelo es de unas 10.000 unidades, mientras que la energía utilizada para elevar la masa de aire durante la formación de las nubes es de unas 100 unidades. Como los humanos sólo poseen una unidad de energía, obviamente son impotentes ante la enorme energía involucrada en los procesos de evaporación y formación de nubes.

Pero, afortunadamente, la ciencia atmosférica también ha descubierto que el proceso de formación de la lluvia en realidad no implica requisitos de energía. Su eficiencia está relacionada principalmente con la estructura microfísica de la nube, por lo que podemos cambiar adecuadamente su estructura microfísica. ajusta la eficiencia de su proceso de formación de lluvia, logrando así el propósito de aumentar o disminuir la precipitación. Esta es la base de nuestra mejora artificial de las precipitaciones.

Las operaciones de mejora de la lluvia artificial esperan cambiar la estructura microfísica de las nubes mediante la intervención humana, mejorando así la eficiencia del proceso de formación de lluvia y aumentando la precipitación en el suelo. Por esta razón, necesitamos entender cómo se forman las gotas de lluvia en las nubes naturales. Es decir, ¿cómo se produce el proceso de formación de lluvia en condiciones naturales?

La investigación científica atmosférica señala que las nubes se formaron durante la nube. -Proceso de formación Las gotas o cristales de hielo son muy pequeños, con un diámetro de unas 10 micras. Es imposible que este tipo de partículas caigan al suelo en una atmósfera con corrientes ascendentes. Para hacer que las gotas de la nube se conviertan en gotas de lluvia (con un diámetro de al menos 200 micrones, o incluso 1 mm), se requieren dos procesos. Uno es el proceso de crecimiento por condensación, pero dado que la eficiencia de este proceso es cada vez menor. el diámetro de las gotas de las nubes aumenta. Para las gotas de las nubes con un diámetro superior a 10 micrones, es difícil lograr un crecimiento de volumen mediante la condensación; el otro es el proceso de colisión y crecimiento, si los tamaños de las partículas en la nube son diferentes, el La velocidad de caída de las partículas grandes será mayor que la de las partículas pequeñas. Por lo tanto, alcanzará a la partícula pequeña y chocará y se fusionará con ella (lo que se denomina "colisión y fusión"), de modo que las partículas pequeñas a lo largo del camino. El descenso de la partícula grande se fusionará con la partícula grande, por lo que rápidamente se hará más grande, y cuanto más grande sea la partícula, mayor será la colisión y la eficiencia de crecimiento. A través de este proceso se forman principalmente partículas de precipitación natural, ya sean gotas de lluvia líquidas o copos de nieve sólidos, graupel y granizo.

Dado que existe un proceso de formación de partículas de precipitación en la naturaleza, ¿por qué algunas nubes llueve y otras no? La clave aquí radica en la diferencia en la estructura microfísica de las gotas de las nubes, es decir, las diferencias en las partículas. Distribución de tamaño en las nubes. Del modelo anterior sobre la colisión y el crecimiento de las gotas de las nubes, podemos ver que para que ocurra la colisión y el crecimiento en la nube, las gotas de las nubes deben ser de diferentes tamaños, de modo que el fenómeno de las gotas grandes de las nubes alcancen y choquen con las pequeñas. Pueden aparecer gotas de nubes. Si todas las partículas en la nube son del mismo tamaño y todas se mueven a la misma velocidad, ninguna podrá alcanzar a la otra y no habrá una situación en la que las partículas grandes puedan crecer rápidamente. La nube está en un estado coloidalmente estable, ninguna partícula se convertirá en gotas de lluvia y no será posible la precipitación.

Por lo general, podemos ver nubes flotando en el cielo y, a veces, las nubes son bastante espesas (se ven más oscuras), pero incluso si no llueve, dichas nubes deben estar en un estado gelificado y estable. Entonces, ¿cómo cambiar esta situación? Podemos agregar artificialmente algunas gotas grandes en la nube para destruir el estado coloidal estable en la nube, de modo que el proceso de colisión y fusión en la nube pueda comenzar y las partículas de precipitación se formen rápidamente. Por supuesto, hay que pensar las cosas desde dos aspectos. Si no hay partículas grandes en la nube y está en un estado coloidalmente estable, no será fácil que se forme precipitación. Pero si hay muchas partículas grandes, ¿será beneficiosa para la formación de precipitación? Este no es necesariamente el caso. Si hay demasiadas partículas grandes, todas competirán por las pequeñas gotas de nubes limitadas y las partículas pequeñas son limitadas. Como resultado, nadie puede crecer y, al final, es posible que no se forme una precipitación efectiva. Por lo tanto, para que el cuerpo de nubes en un estado coloidal estable produzca precipitación lo antes posible, se debe sembrar en él una cantidad adecuada de gotas de nubes grandes. Sin embargo, si hay demasiadas gotas de nubes grandes, se evitará la precipitación. Esto se llama eliminación por lluvia.

Entonces, ¿cómo transmitir grandes gotas de nube a la nube? La idea intuitiva es esparcir directamente gotas de agua de 30 a 50 micras, pero su eficiencia es muy baja. En la actualidad, las operaciones de mejora de la lluvia artificial se basan en las condiciones de las nubes y utilizan cantidades apropiadas de catalizadores de nubes cálidas o catalizadores de nubes frías.

Para las nubes cálidas, es decir, nubes con temperaturas superiores a cero, que están compuestas todas por gotas de agua líquida, elegimos partículas higroscópicas de cierto tamaño (unas pocas micras de diámetro) como catalizadores de nubes cálidas, lo que permite absorber rápidamente el vapor de agua en la nube para formar grandes gotas de nube. En la actualidad, se utilizan más sales inorgánicas como el cloruro de amonio e incluso algunos compuestos orgánicos, siempre que tengan una gran capacidad para absorber vapor de agua y sean fáciles de dispersar en partículas pequeñas, se pueden considerar para prueba.

El otro tipo es una nube mixta, que es relativamente espesa, la temperatura en la parte superior es bajo cero y la temperatura en la parte inferior es superior a cero. Estas nubes suelen contener gotas de agua sobreenfriada por encima de la línea de cero grados. Este es un fenómeno inestable que puede ocurrir en una atmósfera limpia. Si hay una perturbación, estas gotas de agua sobreenfriada se congelarán inmediatamente y se convertirán en hielo. Si el avión entra en un área de nubes de agua sobreenfriada, se producirá formación de hielo en el suelo; si las nubes y la niebla formadas por gotas de agua sobreenfriada encuentran algunos obstáculos, como cables, se congelarán rápidamente en los cables y causarán. los cables se congelen. Estos son fenómenos naturales dañinos, pero también son los que debería aprovechar la mejora artificial de la lluvia. La investigación de las ciencias atmosféricas ha descubierto que en tales nubes con gotas de agua sobreenfriada, si aparecen algunos pequeños cristales de hielo, los pequeños cristales de hielo crecerán rápidamente y esas gotas de agua sobreenfriada se evaporarán rápidamente, concentrando el vapor de agua. Este es el Proceso Bergeron. Por lo tanto, para aquellas nubes con agua sobreenfriada, se pueden sembrar en núcleos de hielo para formar rápidamente un lote de pequeños cristales de hielo. Estos pequeños cristales de hielo crecen rápidamente mediante el proceso de Bergeron y pueden comenzar a formarse mediante el proceso de colisión después de alcanzar decenas de niveles. micrones crecen rápidamente hasta convertirse en gotas de lluvia y se producen precipitaciones. El catalizador de nube fría más utilizado en la actualidad es el yoduro de plata, que también incluye algunos catalizadores compuestos con una estructura reticular similar a la del yoduro de plata.

Estas son las ideas básicas de las actuales operaciones de mejora artificial de las precipitaciones. En resumen, la idea básica de la mejora de la lluvia artificial es que para aquellas nubes que se encuentran en un estado coloidalmente estable, debido a que carecen de grandes gotas de nube iniciales, no pueden formar precipitación superficial efectiva a través del proceso de colisión. Distribuiremos algunos catalizadores para promover la formación de un lote de grandes gotas de nubes, mejorando así la eficiencia de las nubes para formar lluvia y aumentando la precipitación en el suelo. De manera similar, para algunos otros cuerpos de nubes, debido al número insuficiente de gotas de nubes grandes, también es posible considerar complementar algunas gotas de nubes grandes, mejorando así la eficiencia de formación de lluvia del cuerpo de nubes y aumentando la cantidad de precipitación en el suelo.

Por supuesto, las cosas también pueden ser al revés, es decir, las grandes gotas de nubes originales en el cuerpo de la nube son adecuadas y la eficiencia de formación de lluvia ya es muy alta. competir por esas pequeñas y limitadas gotas de las nubes pueden en realidad reducir la eficiencia de la precipitación o incluso provocar la eliminación de la lluvia. Dado que este trabajo de cambiar la concentración de grandes gotas de nube en la nube no consume mucha energía, es un método que los humanos pueden considerar.

El camino por delante sigue siendo tortuoso

Entonces, ¿es realmente eficaz este enfoque? Responder a esta pregunta es bastante difícil. Aunque los procesos físicos mencionados anteriormente, como el proceso de colisión, el proceso de Bergeron, etc., son físicamente correctos, podemos utilizar modelos teóricos para simularlos e incluso realizar experimentos y pruebas en el laboratorio, pero debemos entender cuál es la situación. ¿En la nube natural? No importa si es en el extranjero o en el país, hasta ahora no ha habido una buena solución.

Hemos estado utilizando varios métodos de detección de detección directa o remota para estimar la precipitación máxima posible en las nubes. También hemos utilizado aviones para instalar instrumentos de observación de la física de las nubes para su detección, con la esperanza de comprender el tamaño de las nubes. gotas en las nubes, el estado de distribución y estimar aún más la eficiencia de formación de lluvia de las nubes naturales. Sin embargo, los resultados de estas detecciones hasta ahora no son ideales, especialmente las fuertes fluctuaciones de los parámetros de las nubes, que son muy irregulares, lo que dificulta que los resultados de una sola observación sean representativos. Además, desde la perspectiva de la disposición e implementación del plan de operación, es demasiado tarde para comprender las condiciones de las nubes hasta que el avión vuele hacia las nubes para su observación. Tenemos muchas esperanzas de poder comprender la microfísica de las nubes a gran escala de forma remota. La detección en el suelo puede utilizar las características de la estructura para determinar la eficiencia de la precipitación natural actual de las nubes. Esto puede determinar cómo debemos cambiar la estructura microfísica de las nubes y aumentar la precipitación en la superficie. Estas tecnologías deberán desarrollarse vigorosamente en el futuro.

Es debido a nuestra insuficiente comprensión de las condiciones de las nubes que las actuales operaciones de mejora artificial de la lluvia son algo ciegas.

En este caso, solo podemos evaluar el efecto de la operación desde la perspectiva del efecto final. Esto se debe a que esperamos tener datos que puedan demostrar que la precipitación en el área a través del aumento artificial de la lluvia efectivamente ha aumentado, lo que se considera. haber logrado el objetivo. Pero esto es simplemente imposible de lograr, porque cuando decimos cuánta precipitación ha aumentado con esta operación, queremos estimar cuánta precipitación más habrá después de la operación que sin la operación. Pero como la operación ya se realizó, ¿debemos hacerlo? Solo se puede observar la cantidad de precipitación después de la operación, pero se desconoce la cantidad de precipitación de nubes naturales sin operación. El método común actual es utilizar métodos estadísticos, como el análisis estadístico de áreas objetivo y áreas de comparación o análisis estadístico de ensayos aleatorios. Desde la perspectiva de los requisitos estadísticos, sólo los ensayos que cumplen con diseños de ensayos aleatorios tienen significación estadística. Sin embargo, dichos ensayos aleatorios son bastante difíciles en condiciones reales, en la actualidad sólo podemos llevar a cabo ensayos aleatorios estrictos en algunas áreas.