书城科普读物科学伴你行—气候解析
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第11章 气象开发(1)

气象是个宝——造福

任何事物都带有两面性。事情过了头,也就走向了反面。气象也是这样,虽然人们对气象灾害深恶痛绝,但是人们又不得不承认:现实生活与气象条件的关系太密切了。不知道你是否相信,气象还可以为人类造福呢!

用不尽的气象资源

随着大气污染的加重,全球二氧化碳排放量的增加,人们对目前使用最普遍、占有比例最大的煤、石油等不可再生资源,丧失了部分信心。在当前还没有解决完全消除污染的技术前题下,一种可再生的、清洁的新资源重新被人们所注意,这就是气象资源。气象资源已经投入运用的有风能、太阳能等,水能、热能也可以包括在里面。此外,还有如雷电的运用也在研究中。

古老而又新颖的风能

风能说它古老,是因为在很久以前人们就已经认识到了它的价值,并对它进行了开发利用;谈它新颖,是说古老的风能到今天又焕发出新的活力,新的运用方式大幅度地开展起来。

风能,从根本上说,它是太阳能转化后的一种形式。全球风能总量大约有3.6×1015瓦,而在大气边界层以下可以利用的风能约有1.3×1015瓦。这就表明,风能一年可以提供1.1×1016度的电力总量。而这个数字却是世界消耗总能量的三千多倍,这可真是一个惊人的数字。

风能利用的历史比较久。我国古代人民很早就利用它来驱动帆船。据《物原》记载:“燧人以瓠济水,伏羲始乘桴,轩辕作舟楫,……夏禹作舵加以篷帆樯。”可以说,有人把夏禹作为帆的创始人,由此推出风能使用有三千多年的历史,是很有见地的。我国劳动人民还制造了水平风车,如明代宋应星的《天工开物》说:“扬郡以风帆数扇,俟风转车,风息则止。”就是例证。明朝的方以智在《物理小识》中描写了风帆灌田的事实:“有风帆六幅,车水灌田,淮扬海填皆为之。”至于用风力加工粮食,有人据《水车行》的记载内容:“零陵水车风作轮,缘江夜响盘空云,轮盘团团经三丈,水声却在风轮上,……”表明水车使用的时间很长,也不为过。

其实,明朝航海家郑和下西洋,他率领的船队就使用了大风帆,这是有目共睹的事实。另外,公元七世纪时,我国还建有一种“走马灯”式风车,它使用垂直轴风轮。此风车不受风向改变的影响,风轮总是朝一个方向转。

有人考证说,在清代中叶周庆著《盐法通志》上就有关于它的笔录。

但这并不表明国外利用风能比我国要逊色。约在几千年前,埃及人就利用风帆来划桨、磨谷、提水;波斯人在公元700年前还用过风车碾米。公元1185年,英国的约克郡制造出西欧第一台风车。此后到14世纪时,荷兰人开始利用风车来排水和灌溉。18世纪,荷兰使用的风车达到近万座。19世纪中期,美国用于提水灌溉的风车约有600万台。用风力发电是本世纪以来的事。1910年丹麦人成功地建造了世界上第一座风力发电站。这样一来,人类利用风力又创下了新的纪录。

风能的使用后来一度沉寂,主要是因为使用煤、石油的蒸汽机、发动机占了很大的优势。但从20世纪70年代开始,由于“能源危机”的爆发和污染问题加重,这使人们把目光重新投向了风能。

现代风能的最大利用是发电。起初国外使用的是卧车风力发电机,发电功率不过100千瓦。美国在1945年3月还建有一个输出功率为1200瓦的大型风力发电机,但运行时间不长。现在美国风力发电的电量只占总发电量的0.1%,在加利福尼亚州有五个风力发电基地为近100万个家庭提供用电;在这之中的一个电厂竟有2400台风力机,总装机容量为24万千瓦。欧洲、美国风力机单机容量以300千瓦以上为多。世界上最大的风力发电机装机容量为7.2兆瓦。

我国的地面风能总量可以利用的约有1.6×1011瓦,主要分布在东南沿海、内蒙古以北,以及西北地区。

我国在20世纪50年代研制过风力提水机和风力发电机。60年代时,一批风力提水机得以生产。80年代时,我国在一些地区推广了500瓦以下各种型号的小型风力发电机,它能够用于照明、各种家用电器的使用。到1985年时,我国从丹麦引进了55千瓦的风力发电机,在山东某地进行了安装,风力发电开始转向生产。此后,从荷兰、美国、德国等地,100千瓦、150千瓦、200千瓦等各种机型也被引进我国。

我国从1992年开始安装自己研制的55千瓦风力发电机。国产最大的200千瓦风力发电机也在1991年并网发电。这些都表明我国的风力发电发展迅速。1994年、1995年我国还承办了几次关于风力发电的国际会议,相信我国风力发电前景是美好的。

需要补充的是,设置风力电厂也属于风力发电的范畴。风力电厂是风力发电的高级形式。在风力资源丰富的原野、荒坡上,安装成片成片的风力发电机,并网运行,由微机统一管理,向电网输送强大的电力,这显然是一种综合风力发电的新举措。

风力电厂的建设只有十多年的经验。美国、西欧从20世纪80年代初开始建立风力电厂。美国在阿尔塔蒙特山口风力电厂安装有风力发电机五千多台,总装机容量可达550兆瓦。这么大的功率完全可与核电、水电媲美了。风力电厂投资收效快、效益高、建设周期短、发电成本低,具有很大的经济价值,引起了我国科学家的浓厚兴趣。

我国从1986年就开始风力电厂试验。其中已建成七大风力电厂。其中最大的在新疆达坂城,总装机容量约300千瓦。1991年我国能源部召开风力发电建设规划会议,决定到2000年实现风力装机1000兆瓦的容量。

意想不到的太阳能

太阳能的运用你一定听说过,如人造卫星、宇宙飞船,以及太空空间站都镶有太阳能电池。太阳能和风能比起来,同样具有取之不尽、用之不竭的优点。太阳向外放出无限的光辉,那源源不断的能量一直在等着我们去开发。

太阳能的直接利用不难理解,比如太阳能热水器、太阳灶有人可能见过。

但太阳能用于交通运输上你或许想都没想过,但的确已经取得了成功。1982年12月19日,两个澳大利亚人用玻璃纤维和铝制成了一部“静静的完成者”

太阳能汽车。该车顶部装有能吸收太阳能的装置,能给两个电池充电,电池再给发动机提供电力。两人驾驶着这辆车,从澳大利亚西海岸的佩斯出发,横穿澳大利亚大陆,于1983年1月7日到达东海岸的悉尼,实现了一次伟大的创举。而太阳能飞机“太阳挑战者号”在此前一年就已诞生,该飞机成功地飞越了英吉利海峡,给世界航空史增添了新的色彩。

当然,太阳能飞机、汽车还不能很快地普及,但太阳能热水器、太阳灶却已经在人们的生活舞台上扮演了重要的角色。以日本为例,日本安装有太阳能热水器1700万台,可以供应72%的家庭洗澡,仅此一项,该国就可以每年节约150万吨煤,真是不可小瞧。

太阳能能够为电池充电,理所当然也可以用来发电。1982年11月1日,美国建成了“太阳一号”电站,它座落在美国加利福尼亚州巴斯托。这个电站装有一个旋转塔,旋转塔使上面的反射镜始终对准太阳光,太阳光被集中后会获得高温,再带动蒸汽机来进行发电。其他国家和地区也建有太阳能电站,法国有“席米斯”、欧洲共同体有“欧雷斯利奥斯”、国际能源署有“阿尔梅里亚”,它们分别座落在法国、意大利、西班牙。

别出心裁的是美国费城富兰克林研究中心的研究人员,他们提出了在轻型气球上建立太阳能电站的设想。他们的具体步骤是:把一个直达1600米的气球发放到近三万米的平流层高空;再在气球上装上一个巨大的抛物面反射器,把收集到的太阳辐射能转换成电能并输入微波器件;微波器件再利用天线将微波束聚焦,向地球发送;地面则将这些微波束转换成电能。根据估算,这种装置大约可以把10万千瓦的电功率传送给地面。

建立气球太阳能电站原理简单,可行性大,只是投资比较高,但是它回收比较快,综合看来还是合算的。据说,富兰克林研究中心的人员已经研制出了直径达200米的高空气球,并正在做模拟实验。

太阳能可以用来发电,而电能综合利用,所以围绕太阳能的各种新开发地出现了。太阳能住宅、太阳能动力工厂、太阳能岛应运而生。

德国弗芝恩霍夫太阳能研究所设计了一种先进的太阳能住宅。这种住宅的外壁安有人工隔热材料,外面黑色的石墙可以吸收阳光,经过加热后再把热传导到墙后面的房间内。夏季时,玻璃罩板与隔热层之间还有自动反射卷帘,它可以切断天然加热。建筑屋顶还有三十多平方米的太阳能电池,可直接把阳光转化成电能。电能除了用于照明外,还可以接通电解器,用于分解水分中的氢和氧,为烧饭等提供燃料。

美国华盛顿还建有一个工厂,它的房顶上有三千多张太阳能电池板,可获取200千瓦的电力,足够工厂每天使用。

最出奇的是日本。日本通产省有14家公司,准备在2010年到赤道附近的太平洋上建一个太阳能岛。这个岛的面积约有七平方公里,它的上面有三千多个六角形浮体,此浮体铺有太阳能电池板,能产生巨大的能量。而在太阳岛附近,还有一个平台,平台上的设备能利用太阳能进行分解水以获取氢气。氢气液化后,就可以充作像石油、天然气那样的能源。

对于风能、太阳能的利用要附加一句,即太阳能、风能的互补发电。因为太阳能、风能都有间断、不稳的特点,但是在时间的分配上却有明显的相位差:冬季风大,太阳辐射弱;夏季风小,太阳辐射强。如果两者互补,就可以获得稳定可靠的电力。我国从1991年开始进行太阳能、风能互补发电的研究,并于1993年试验成功,一批成套设备在一些地区已开始安装。

等待开发的雷电

雷电是一种放电现象,它能一次放出达10亿焦耳的电量,足以消灭地球上任何一个小小的生灵。或许正是因为如此,它才受到人们不公平的谩骂和诽谤。

但是雷电给人类带来的好处却数不胜数。雷电曾使地球上最早的有机化合物产生;它净化了大气,并分解电离出氧化氮、一氧化氮,给地面土壤带来了肥料。雷电是自然产生的,人工可否仿照其条件,产生雷电,并为我所用呢?这很难回答。但是雷电的巨大威力可以利用却是真的。日本人就借助雷电进行过矿山的爆破开采。美国一些工程研究人员认为,雷电产生的巨大冲击力可以应用到土木工程上,雷电的高温可以破碎岩石,达到爆破的目的。

可不可以说,日本的爆破试验是一个应用雷电的开头呢?现在还不能下这个结论。但雷电可以利用,这是千真万确的。

现代神话——拿气候作文章气候是天气现象的总和。拿气候有什么文章可做呢?关于气候的文章可多啦!其实,地球上任何东西都离不开特定的环境,而对于人类、各种作物等,就更离不开它特有的气候环境了。地球上气候多种多样,差异极大,有没有相似的呢?有没有可以改造的小气候环境呢?能不能营造一个小气候环境呢?这些饶有趣味问题,科学家们已经用他们的行动作出了坚实的回答。

寻找相似的气候

曾几何时,人们对外来牲畜、农作物优良品种产生了莫大的兴趣,进而来不及细想就开始引进,这种盲动最后造成了极大的损失。我国曾花费巨资从荷兰引进39头牛,可是牛刚到拉萨,就死了37头;我国从日本引进优质稻种青森5号到长江流域,结果是大面积欠收。良种还是良种,那么到底背后有什么怪物在施展魔法,使良种变成“劣种”了呢?

到20世纪70年代,我国的农业气象学家魏淑秋教授开展了“中国与世界农业气候相似性”的研究,终于揭开了这个秘密。她与一些科研人员提出了生物气候相似和分布气候相似的概念,并为此建立了世界范围内的数千个气象数据库,引进了咨询信息系统。从此,生物引种才显示出新的活力。

1964年,我国从阿尔巴尼亚引进一万棵油橄榄失败后,魏淑秋教授指出,在我国云南、湖北、四川等地的11月~5月的气候条件与地中海沿岸5~10月气候条件相似,这些地方可以种植油橄榄。果然立竿见影,一度被大量砍伐的油橄榄在湖北、四川、云南三省安了家,落了户。

又如,江西吉安地区的几百名气象工作者经过努力发现,该地的生态环境与东北的长白山有很大的相似,决定试种西洋参。还真是门当户对,1990年11月,经过三年多的艰苦试验,第一批西洋参培植成功。根据市场价格进行计算,吉安地区井冈山山区的人均收入可达五万元以上,创造了一个奇迹。

再如,我国海南华南热带作物研究院从印度尼西亚引进爪哇白豆蔻,经过多次试种栽培,最后取得成功,亩产可达三、四十公斤,改变了我国过去完全依靠进口的历史。

营造小气候

今天人们的日子比过去要幸福得多。你看,寒冷的冬天还有西瓜、黄瓜、西红柿,这不会是从南方运过来的吧。可是你一尝,还顶新鲜的。其实它们大都是本地产的,功劳要归于塑料大棚。有人称赞塑料大棚说,它为蔬菜生产创造了一个“冬天里的春天”,真是恰如其分。

塑料大棚取材方便,造价低廉,收效快;而且大棚内的蔬菜不仅可以提前1~3个月上市,也可以延长1~2个月的蔬菜生长期。大棚种菜,丰富了菜市场,方便了人民群众的生活,而这一切都应归功于“人工小气候”。

人造气候,还有一个最大的设想,是关于火星的。科学家们预计,大约在2020年前后,人类可能会登上火星。为了向火星移民,为人类创造更好的生存条件,科学家们决定给火星施加人工影响。到时候,火星会出现大气圈,会出现温室效应、绿色植物,还有水。如果这些预想真能实现,那恐怕将是人类建造的最大的气候工程了。

气象信息高速公路

“晴带雨伞,饱带干粮。”这是我国古代流传下来的谚语,也是对出门远行人的忠告。今天我们要出远门,未必需要为可能出现的各种天气现象作过分充足的准备。但是你不会不听天气预报,不会对未来出现的天气变化没有任何顾虑——天气与我们的现实生活联得太紧,更确切地说,现代生活离不开气象。气象信息为我们的生活、生产带来了方便,它为我们展示了更广阔、更美好的前景。

气象对农业的重要意义不言而喻,对林业、牧业、副业、渔业的价值也不可低估。但你对气象与战争、工业、体育、商业的关系可能了解得不多,体会不深。这儿我来讲几个故事,让你了解一下气象的无形价值。

战争,有人下定义说,是政治家们为实现政治目的而导演的一幕幕游戏。