人工影响天气催化剂的应用研究

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摘要 人工影响天气催化剂（简称催化剂）是指为达到增加降水、降低雹灾损失或促进雾层消散等目的而有意识地向云（雾）中引入的物质，以此改变云和降水自然演变发展的过程。本文详细介绍了人工影响天气不同类型催化剂的催化原理、特点及其催化性能，以期为其推广应用提供参考。

关键词 人工影响天气催化剂；催化原理；催化性能；应用

中图分类号 P48 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）09-0227-01

人工影响天气是在观测基础上确定作业假设，选择合适的催化剂，并在适当的时机以合适剂量投放到作业对象指定位置，从而实现增雨（雪）、防雹、消雾等目的。由于自然云降水的多变性和复杂性，使作业条件、作业技术方法及作业效果检测等成为人们面临的重大难题。因此，研究催化剂在人工影响天气中的作用是非常必要的。

1 催化剂的作用机理

1.1 冰核及其作用

冰核是冷云作业的基础，通常来说，大气中冰核很少。冰核具体的活化方式是由冰核本身的特性、环境条件和具体过程共同决定的。在自然冷云或混合云中某些区域存在过冷水，冰晶又不太多，降水效率就不高。如果在这些区域引入人工冰核，形成冰晶，由于贝吉龙效应，冰晶可以很快变大，降落融化后能够加速水滴的增长过程，从而形成降水。另外，对流云含水量大，容易形成大冰雹，如果增加人工冰核的量，使过冷水分散到各个粒子上，往往可以减小冰雹的直径，从而减轻或杜绝冰雹的危害。

1.2 云凝结核及其作用

因为在形成云雾过程中，大气中水汽过饱和度比较低，只有少数半径较大、吸湿性较强的微粒才能起到凝结核作用，所以云凝结核一般是吸湿性大核或巨核。

在暖云中，如果云滴尺寸太小且大小均匀，凝结增长的直径变化缓慢，甚至在云的生命期内都不能长成降水粒子；如果云滴大小不均匀，则可通过随机碰并产生较大的云滴。因此，如果在云中引入适量的吸湿性大核，就有可能加速一些大云滴的形成，激发碰并增长过程，加速云―水转化，利于降水的发展。此外，一些冰雹胚胎由大云滴冻结而成，说明云凝结核也能够影响到冷云过程。

2 催化剂的分类与作用

2.1 吸湿性大核

很多暖云，特别是大陆性暖云，吸湿性巨核极少，作用很小，常因大滴不足而不能形成有效降水。向云中喷入大滴或播撒吸湿性大核以及表面活性物质，直接或间接增加大滴数目，便能够提高降水效率。常用的暖云催化剂有食盐（NaCl）、氯化钙（CaCl2）、硝酸铵（NH4NO3）、尿素（NH2CONH2）等。这些吸湿剂能在相对湿度低于100%的情况下吸收水汽并凝结形成液滴，增长率与液滴中吸湿剂的浓度有关，浓度越大，增长越快。其来源丰富、价格便宜，其中食盐和氯化钙对金属材料具有腐蚀性，剂量较大时对农作物也有损害；而硝酸铵、尿素无腐蚀性和毒性，还具有一定肥效，可用于催化暖云和暖雾，研究表明，当二者与水按质量9∶1比例混合（三者质量比为5.14∶3.86∶1.00）时，比二者各自单独使用效果要好。

2.2 人工冰核

人工冰核常采用异质核化的方法，即选取和冰晶结构相似的物质作为冰核，从而达到提高成冰阈值的目的，主要有碘化银、碘化铅、硫化铜等。碘化银（AgI）的结构为六方晶型，与冰晶的晶格非常相似，具有优良的成冰性能以及成冰阈温低、成核率高等优点。因其制品可以工业化生产，储存、运输和分散方便而被广泛应用。

AgI的制作方法主要有燃烧法、爆炸法2种。其中，燃烧法又分为直接燃烧、溶液燃烧和焰剂燃烧3种。最简单的直接燃烧是将AgI置于坩埚中，用电炉加热至1 000 ℃以上，其蒸气在空气中冷却而凝成AgI微粒。溶液燃烧法是把AgI溶于加入增溶剂的丙酮溶液中，经搅拌完全溶化后，喷射至火焰中燃烧，或喷入以丙烷或汽油为燃料的燃烧炉中一起燃烧（丙酮溶液燃烧温度可达900～1 000 ℃）。该方法燃烧缓慢、单炉发生率小，但成核率最高。焰剂燃烧法主要由AgI或其化合物、氧化剂、燃烧剂和粘合剂的混合物压制或浇注制成，点燃后可产生大量AgI人工冰核气溶胶，成核率居中[1]。

爆炸法是将AgI粉末压制成型，然后填充于炮弹或火箭头部的TNT炸药或红磷、氯酸钾混合物之中，采用引信发射至云内爆炸。爆炸法目前应用在人工增雨、防雹“三七”高炮炮弹上，其爆炸后产生碘化银气溶胶。该方法单位时间内输出率大，但其成核率偏低。

2.3 制冷剂

致冷剂投入空气或过冷云后急速升华，吸收大量潜热，使周围空气迅速冷却，水汽随之达到高度过饱和状态。贴近致冷剂的薄层空气温度可低于-40 ℃，通过自然冰核的活化和同质核化能够形成大量冰晶胚胎，并在过饱和空气里凝华长大成冰晶。致冷剂可以在较高负温区播撒形成冰晶，和成冰阈温较低的人工冰核碘化银相比具有一定优势。

常用的制冷剂有干冰、液氮等，实践与试验表明，其成核率分别为1011～1013个/g和1012～1013个/g。干冰是二氧化碳的固态形式，在常压下只要高于-78.5 ℃会迅速升华为气体，汽化潜热为2.74×105 J/kg。通常情况下，将其粉碎成直径为1 cm的颗粒，储藏于冷藏瓶，再用飞机在云层上部喷洒，一般要求云顶温度≤-7 ℃，用量100～1 000 g/km。液氮是氮气的液态形式，汽化潜热量为9.96×104 J/kg。试验表明，皮肤接触液氮可致冻伤，主要被用作飞机作业，盛装液氮的罐体符合要求的喷孔直径为0.8 mm、容器内压差是0.5×105 Pa。由于液氮播入后气化很快，对较深厚的云（雾）层不能够充分有效地催化。干冰、液氮形成的二氧化碳和氮气是空气的组成部分，对环境和人体都不会产生影响[2-4]。

3 结语

人工影响天气催化剂和催化工具的不断改进，大大提高了人工增雨的作I水平和成效。但是，催化剂的实际作业效果评估、不同天气系统中各种催化剂的最佳播撒位置及最佳用量还有待进一步探究。因此，开发研制新型高效的催化剂、催化作业工具及其优化播撒方法是提高人工影响天气作业成效的关键。

4 参考文献

[1] 张景红，金德镇，江中浩，等.纳米碘化银在人工影响天气的应用研究Ⅲ.表征实验研究[J].气候与环境研究，2012，17（6）：678-682.

[2] 安{文.人工增雨（雪）所用催化剂对环境和人体健康的影响[J].人才资源开发，2014，20（4）：112-114.

[3] 张景红，金德镇，江忠浩，等.人工影响天气纳米碘化银铜复合粉体催化剂结构特征分析[J].高原气象，2011（1）：258-261.

[4] 金德镇，张景红，杨绍忠，等.人工影响天气纳米碘化银催化剂成冰性能研究[C]//第十五届全国云降水与人工影响天气科学会议论文集（Ⅰ）.北京：中国气象学会人工影响天气委员会，2008.