Хмарні посів: чому вчені намагаються зробити сніг

Вода є цінним ресурсом, який впливає на всі аспекти життя на Землі. Вона також обмежена, тому люди використовують різні методи, щоб забезпечити задоволення попиту.

Одним з таких методів є посіви хмар - додавання частинок до атмосфери для сприяння утворенню дощу або снігу. Сьогодні багато суб'єктів на Заході - в тому числі державні та місцеві урядові установи, комунальні підприємства та гірськолижні райони - насіння хмари в спробі підвищити зимовий снігопад в горах. Більше снігопаду означає більше весняного та літнього стоку, який живить локальне водопостачання, зрошує посіви, і паливом, які генерують гідроелектростанції.

Засівання в хмарах також було використано в зусиллях по розгону туману в аеропортах, підвищення літніх опадів і скорочення граду. Фактично, посіви хмар проходять в більш ніж 50 країнах світу. Проте, незважаючи на всю цю діяльність, ми досі не знаємо, чи вона працює.

Ми - вчені-атмосфери, і нещодавно провели польове дослідження для оцінки посіву хмар, як засобу підвищення гірського снігопаду від зимових штормів. Наші результати наочно демонструють, що, принаймні, за певних умов, можна змінити еволюцію і зростання частинок хмари, що призведе до снігопаду, який інакше б не стався. Наступне питання полягає в тому, чи може засівання хмари бути ефективним інструментом для водних менеджерів у західних США.

Створення кристалів всередині хмар

Хмари складаються з крапель води, які занадто малі, щоб потрапити в опадів. Ці крапельки часто переохолоджуються до температур значно нижче точки замерзання - до 0 градусів за Фаренгейтом (мінус 18 градусів Цельсія) або холодніше. У багатьох випадках кристали льоду (які можуть швидко рости в присутності переохолодженої рідини) повинні бути присутніми для хмари, щоб виробляти будь-яку значну кількість опадів. Для хмар, які формуються під час підйому повітря над горою, якщо не присутні кристали льоду або занадто мало їх, багато крапель води, що складають хмару, просто випаровуються на поворотній стороні гори.

Зимове засівання хмар засноване на гіпотезі, що коли переохолоджена вода існує в хмарі, вона може бути модифікована шляхом введення частинок, які діють як ядер штучного льоду. Цей процес створює кристали льоду, які використовують переохолоджену воду, щоб рости достатньо великим, щоб вони згодом потрапляли на поверхню як сніг.

Засідання хмари було вперше вченим Бернардом Воннегутом, братом прославленого романіста Курта Воннегута. У 1947 році лабораторія Воннегута показала, що йодид срібла був ефективним ядром льоду, який міг утворити лід при температурах, набагато тепліших, ніж природні ядра льоду.

Протягом наступних 40 років вчені, що вивчали посів на хмарах, робили значні відкриття про майже всі аспекти фізики хмари. Незважаючи на це, у 2003 році Національна дослідницька рада дійшла висновку, що «досі немає переконливих наукових доказів ефективності навмисних зусиль з модифікації погоди». зупинка.

Шлях до SNOWIE

Чому ці програми існують без наукових доказів того, що вони працюють? Відповідь проста: західні держави потребують води, і багато осіб, які приймають рішення, вважають, що посів на хмарах може бути економічно ефективним способом його виробництва.

У 2004 році штат Вайомінг ввів в експлуатацію пілотний проект, який прийшов до такого ж висновку, як і багато попередніх досліджень: посів на хмарах може збільшити кількість опадів, але це збільшення також можна пояснити природною мінливістю в штормових системах. Проте сестра проекту, що фінансується Національним науковим фондом, продемонструвала, що нові інструменти комп'ютерного моделювання та вдосконалені прилади можуть створити деякі нові уявлення.

Між тим, компанія Айдахо Пауер працювала з Національним центром атмосферних досліджень для оцінки поточної операційної програми посіву хмар. З цієї співпраці з'явилася ідея використовувати нові засоби комп'ютерного моделювання та вдосконалені інструменти для оцінки ефективності програми посіву хмари в Айдахо Енергії. Кінцевим результатом було наше проектування, Seeded і Natural orographic Wintertime cloud: експеримент Айдахо, або SNOWIE.

Від срібного йоду до снігу

Взимку 2017 року ми вирушили на озброєння складними радарами, такими як Доплер на колесах (DOWs), який ми розмістили на вершині вершини гори, і радіолокатор Wyoming Cloud (WCR), який ми встановили на дослідницькому літаку. Ці інструменти дозволили нам зазирнути в хмари, щоб визначити, де і коли розвивалися опади.

Після того, як хмари були засіяні частинками йодиду срібла, ми використовували зонди для візуалізації, які підвішувалися з крил дослідницького літака для вивчення дрібних деталей частинок хмари, коли площина проходила і виходила з засіяних областей. Всього за два тижні нашого 10-тижневого проекту на нашому радіолокації наш радар виявив перший незаперечний сигнал опадів, що виникли внаслідок посіву хмар.

Ми бачили ясні і однозначні сигнали, що вивільнення частинок йодиду срібла ініціювало утворення кристалів льоду, і що ці кристали ростуть у сніг і падають на поверхню гори. Всередині ділянок, постраждалих від посіву, концентрації льоду зростають на сотні, що призводить до утворення снігу. На відміну від цього, лише за 1 кілометр у ненаселених облакових хмарах хмара залишилася в основному з дрібних крапель рідини і значною мірою позбавлена ​​льоду.

Як ми можемо сказати, що те, що ми бачили, насправді було пов'язане з посівом хмари? В одному випадку літак проходив туди-сюди по прямій доріжці, яка була перпендикулярна до напрямку вітру, вивільняючи йодид срібла. Йодид срібла почав розходитися по вітру через хмару в зигзагоподібному шлейфі - малюнку, який був створений за допомогою моделі польоту літака і не відбувався б природним шляхом. Ми побачили, що радіолокаційні ехо-сигнали формуються в зигзагоподібному вигляді, що відповідає нашому прогнозу, заснованому на тому, коли і де йодид срібла був випущений в хмарах.

Чи може хмара посів зробити різницю?

Тепер, коли ми знаємо, що посів на хмарах може призвести до снігопаду, ми хочемо побачити, чи може він змінити баланс води по всьому гірському хребту. Дані SNOWIE будуть використовуватися в комп'ютерних моделях для перевірки наших уявлень про те, як посіви хмар можуть впливати на сезонні снігопади і кількісно оцінювати його вплив. Зрештою, керівники водного господарства та державні службовці хочуть знати, скільки додаткових опадів може бути отримано через посіву хмар, і чи є це економічно ефективним способом збільшення кількості опадів у місцевих вододілах.

Роберт М. Раубер з Університету штату Іллінойс, Катя Фрідріх з Колорадського університету, Барт Гертс з Університету Вайомінгу, Рой Расмуссен і Люлін Сюе з Національного центру атмосферних досліджень, а також Мел Кункель і Дерек Блеструд з компанії «Айдахо» взяв участь у дослідженні SNOWIE, розглянутому в цій статті.

Ця стаття спочатку була опублікована на бесіді Джефрі Французської та Сари Тессендорф. Читайте оригінальну статтю тут.