冰雹的透明和不透明冰层,反映了冰雹在云中不同的增长环境。在气温较低、过冷水含量较小的云环境中,冰雹捕获的过冷水滴少,释放的潜热少,过冷水滴在冰雹上迅速冻结,水滴中的空气和水滴间的空气来不及逸出,形成包含有大量小气泡的不透明冰层。在气温较高、过冷水含量较大的云环境中,大量过冷水滴碰撞到雹块上,冻结过程释放的潜热来不及传导到空气中去,使雹块表面温度升到0℃,一部分碰撞上去的水不能冻结,附在雹块表面形成一层薄水膜,这层水膜由里向外冻结较慢,水滴中的空气和水滴间的空气来得及逸出,形成透明冰层。前者为干增长过程,后者为湿增长过程。由于冰雹形成过程中在云中几起几落,经历了具有不同温度和含水量的云环境,结果形成了透明冰层和不透明冰层相间的多层结构。
5.3人工增雨防雹
1932年,美国化学家兼物理学家朗缪尔(1881—1957)在获得诺贝尔奖后,开始与化学家谢弗一起研究人工增雨。他的实验室中的人工云,由电冰箱中的水汽冷却形成。他们一边降温,一边往冰箱加入各种各样的尘埃微粒,试图寻找人工增雨催化剂。1946年7月12日,天气异常炎热,实验装置出现故障,冰箱中气温降不下来,谢弗就用干冰(固态二氧化碳)降温。当他不经意地把一块干冰投入冰箱后,他苦苦寻找的奇迹终于出现了:冰箱中人工云中的液态粒子变成了盘旋飞舞的冰粒,人工云已转化为霏霏飘雪。同年11月13日,谢弗乘单翼飞机在山地上空一过冷层云上部播撒干冰,实施人类首次对过冷云的科学催化试验。5分钟后,兰米尔在地面观测到几乎整个云都转化成冰晶云,并形成雪幡,在降落约600米后升华消失。受谢弗发现干冰成冰作用的启示,美国电气公司实验室研究组成员冯内古特开始关注冰的成核作用。当他了解到冰晶可在具有与其类似的晶体结构的物质上核化附生增长之后,曾查阅大量文献,寻找晶体结构与干冰相近又不溶于水的物质。1946年11月14日,几经周折,冯内古特终于发现纯度较高的碘化银(AgI)有作为成冰异质核的突出效应,可在过冷水滴云中产生大量冰晶。之后,冯内古特还在碘化银烟剂发生法研究方面起到了先导作用。谢弗和冯内古特的伟大发现,开创了人工影响天气的新时代。
5.3.1人工增雨
人工增雨,就是人工向未产生降水或降水量较小的云层中引入催化剂,促进云滴向降水粒子的转化过程,形成或增大降水。由于冷云和暖云降水形成的微物理过程不同,因此冷、暖云使用的催化剂也不同,前者使用干冰和碘化银,后者使用吸湿性物质。
冰晶是冷云降水的发动者。一些自然冷云之所以不能降水,是因为云中缺乏冰晶。人工影响冷云的基本方法,就是利用飞机、高炮、火箭和烟炉向云中撒播干冰和碘水银等人工催化剂,使云中产生冰晶,发动降水形成过程,产生降水,达到人工增雨的目的。
干冰是通过致冷作用产生冰晶的。干冰是一种致冷剂,在大气常温常压下可自动升华,由于升华吸热,干冰表面温度可降至-78.5℃。在云中加入干冰后,干冰迅速升华吸热,使周围空气急剧降温,当降至-40℃时,云中过冷水滴将冻结成冰晶。冰晶通过凝华、粘连、碰冻过程,迅速增大为雪花,形成降水。
碘化银微粒晶体和冰的晶体相似,大多是六角形,在-15~-4℃时可充当冰核。将碘化银微粒撒到-4℃以下的冷云中后,云中水汽可直接在碘化银微粒上凝华成冰,云中过冷水滴和碘化银微粒相撞时也可立即冻结,形成冰粒。冰粒子的出现,加快了成雨过程,使未降水或降水量较小的云产生降水或增大降水量。
暖云降水是大云滴发动的。一些自然暖云之所以不降水,是因为云中缺乏大云滴。在暖云中撒播盐粉、吸湿性凝结核、草木灰等,有利于吸收云中水汽后迅速成长为大水滴,经过不断并合形成降水。
5.3.2人工防雹
17世纪末,中国清代的《广阳杂记》就载有:“夏五、六月间,常有暴风起,黄云自山来,必有冰雹,土人见黄云起,则鸣金鼓,以枪炮向之施放,即散去。”这是中国古代用土炮防雹的生动描述,也是中国劳动人民在实践中积累的防雹经验,尽管当时并不明白冰雹形成机制及炮击消雹原因。
20世纪以来,随着降水理论的完善,人工防雹的思路更明确。由于云中过冷水是产生冰雹的重要条件,碰冻过程是冰雹胚胎长成冰雹的主要过程,因此切断或减少冰雹胚胎赖以成长的过冷水源,让处于饥饿状态的冰雹胚胎因食不果腹而难以长大成雹。
人工防雹的具体方法,就是用高炮或火箭将装有碘化银的弹头发射到冰雹云的适当部位,以喷焰或爆炸的方式播撒足量的碘化银,在云中过冷水层产生大量冰核,与自然云中冰雹胚胎争食过冷水滴,抑制冰雹胚胎长大,避免冰雹形成。
此外,用高射炮、土炮或火箭向雹云的中、下部轰击,可避免雹云降雹,但在下风方可降小雹或雨,这可能与《广阳杂记》所述“以枪炮向之施放,即散去”有异曲同工之妙。这种称“爆炸法”的防雹方法,防雹机制尚不清楚,可能是炮弹在云中爆炸后产生的冲击波,削弱了云中上升气流,使小冰雹因失去强上升气流的托举而从云中跌落。若小冰雹直达地面仍不融化,称为小雹;若在0℃层以下融化为水滴落至地面,称为雨。
雨,造福人类。春雨给大地带来生机,在中国北方,称“春雨贵如油”;久旱时的雨,被百姓称为“甘霖”。曾几《苏秀道中,自七月二十五日夜大雨三日,秋苗以苏,喜而有作》一诗中表现的久旱遇雨时,连衣服、床铺湿了也顾不得的欣喜若狂之情,正是百姓真实感情的写照:“一夕骄阳转作霖,梦回凉冷润衣襟。不愁屋漏床床湿,且喜溪流岸岸深。千里稻花应秀色,五更桐叶最佳音。无田似我犹欣舞,何况田间望岁心。”然而,肆虐的暴雨造成的洪水泛滥,也危及人类生命。
雪,虽然有时会酿成一定灾害,造成“千山鸟飞绝,万径人踪灭”的肃杀景象,但更多时候却是“白衣天使”。雪是一道亮丽的风景:“忽如一夜春风来,千树万树梨花开”“雪似梅花,梅花似雪,似和不似都奇艳”“六出飞花入户时,坐看青竹变琼枝”“战退玉龙三百万,败鳞残甲满天飞”。雪同样可造福人类。“瑞雪兆丰年”的农谚,在中国流传已久;“冬天麦盖三层被,来年枕着馒头睡”的农谚,是中国老百姓多年观测实践的概括。由于雪层中空气较多,导热率小,因此冬雪覆盖农作物后,就像给农作物盖上一层“绝热被”,既阻挡地面热量外流,又阻挡冷空气入侵,可保护农作物免受冻害,安全越冬。积雪融化的水渗入土壤,还可为作物冬后生长储蓄水分。
冰雹,常砸坏庄稼,威胁人畜安全,是一种严重的气象灾害。甲骨文中就有占卜天会不会降冰雹的骨片,说明商代已经知道降冰雹会损害农作物,会给人们的生产和生活带来灾害。《诗经·终风》所描写的风很暴烈,天色阴沉沉,隐隐传来了雷声,这是降冰雹的天气预兆。
大气降水理论的不断完善,为人工影响天气奠定了理论基础。在合适的云层中人工撒播适量的催化剂,可促进降水形成的微物理过程,在云中产生或增加降水;在冰雹云过冷水累积带人工撒播过量催化剂,或炮击云体,可拟制冰雹形成。
随着大气探测技术的发展,大气降水理论将进一步完善,人工影响天气也将更加科学。