人类求雨新妙招

“呼风唤雨”一直是人们的美好愿望,南北朝的地理名著《水经注》中有一段“祈雨”的记载:“天旱,燃木崖上,推其灰烬,下移渊中,寻即降雨。”这场祈雨比杀猪宰羊的祭祀靠谱得多,在高高的崖上,通过燃烧木材加热空气,热空气上升,到了高空遇冷凝结成水珠,水珠达到饱和状态,就会降雨。随着科技的进步,人类“呼风唤雨”的梦想正在变成现实,人工降雨便是为此而生。

经典方法:向空中打炮

我们已经知道,降雨必须具备3个条件:充足的水汽、上升的气流及足够的能凝聚水滴的凝结核,这三个条件中我们最容易做到的就是增加凝结核的数量,向空中打炮就是为了增加凝结核。

云是由许多温度在0℃以下的水滴组成的。当云里没有凝结核时,水滴会长期悬浮在空中,不会形成降雨,这时候我们如果向云雾中发射能作为凝结核的炮弹,就可以产生降雨,碘化银是最常用的一种炮弹。研究者发现碘化银的分子结构是六角形的,它与冰和雪花中的水分子的分子结构几乎一模一样,能够在–10℃到–5℃的温度下将水蒸气变成冰晶,积聚更多的水滴,因此它是一种很合适的凝结核。

向空中打炮增加凝结核的方法在我国已经多次使用,目前为止,我国气象局下辖的人工影响天气部门(简称“人影办”)采用的人工降雨的方法就是这个,而最经典的应用实例莫过于2008年北京奥运会开幕式中的人工降雨了。从8月8日的下午16时到23时39分,人影办共在北京21个作业点持续发射了1104枚炮弹,总共在一万平方千米的面积上播撒了15公斤的碘化银。其目的有两个,一是进行人工增雨,让雨提前下完,二是往云层里播撒过量的凝结核,使每个核都无法形成足够大的雨滴,让雨“憋着不下”。

不过,这个经典方法并不是次次见效的,它首先得满足“有云”这个前提条件,在真正干旱的万里无云的地区,碘化银也是“英雄无用武之地”的。而且,就像北京打炮过量可以让雨“憋着不下”一样,可能我们本来是希望打炮以后会下雨的,但是多少炮弹能够让雨落下来而不是“憋着不下”,这个我们并不知道。如果这场雨本身就会下,打了炮弹会不会反而减少降雨量,这些都是很难控制的。

为求雨各出奇招

为了弥补经典“求雨”方法在无云无水汽时无法生效的不足,世界各国科学家都想了不少新方法。

日本科学家设计了一种适用于沙漠地区的“人造山脉”降雨法。用玻璃纤维制成一座长1万米,宽1000米,高600米的“人造山脉”,将这座“山脉”放置在需要降雨的地区,湿润空气遇到“山”的阻挡后会沿坡上升,到一定高度就会受冷凝结成雨水。

英国科学家则称,他们用电力可以实现半径为5000千米的半球区域内的呼风唤雨,成功率达93%以上。他们沿英国西海岸布置了一系列电极,向大气层输入电能,使对流层中的镁原子电离,产生静电。根据大气静电学说,这些静电离子可以作为凝结核吸附云中带电荷的水汽形成水滴,从而降雨,而雨量足够时,关闭电极就可以停雨。

更神奇的是,两位俄罗斯科学家正在研究在晴天无云的情況下也能降雨的方法。一种方法是用功率足够大的喷雾机向空中喷水雾。据测算,每立方米空气只要0.5毫升水就能使空气温度下降1摄氏度,喷洒水雾后,近地面的温度将降低,密度增大,周围的热气会补充过来,将这里的空气推挤上升,上升的气流又把水雾带到更高处,水雾与空气中原有的水汽凝结成细小的水滴,最终达到降雨的目的。实验结果显示,向空中喷1000升水,可获得100万升雨水。

另一位科学家的方法是,利用风力搬运水汽。在降水丰富地区的河流、湖泊旁设置许多风力扬水、发电两用站。当风从有水区域向干旱区域吹时,开启这些风力泵,将水扬到几十米高的空中,让风将这些水汽带到需要降水的地方去。

这些方法听上去是不是都有些异想天开呢?我们暂且无法验证这些方法是不是有效,毕竟每一个想法都需要消耗大量金钱去实施。不过有许多科学家都发现了这样一个“趣闻”,细菌也能呼风唤雨!未来用细菌作为凝结核,可能比碘化银更高效。

细菌求雨更给力

我们知道,水的凝固点是0℃,也许你会认为只要提供0℃以下的温度,水就会结冰。其实不是这样,科学家曾做过实验,无杂质的高纯水在-40℃的温度下仍然保持液态。那么为什么普通水在0℃以下就可以结冰呢?这是因为水中含有可以作为冰核的杂质。

过去我们认为这些冰核主要是没有生命的无机物质,其实加速结冰的是细菌。

加拿大的一位叫做瓦力的博士生收集了许多以粉尘为冰核的雨雪样本,发现这些样本结冰温度都在-5℃以下,这显然与水0℃结冰的结论有些差距。瓦利开始很不理解,后来他随意在雪地里抓了一把泥泞的雪并且未做灭菌处理,再去观察这些雪水的结冰情况,发现它可以在-2℃时就结冰。前后两个样本的唯一区别就是是否有细菌。

难道是细菌使水的凝固点提高了?

为了进一步证实瓦利的观点,研究人员取来了原本在-6℃以上温度就可以结冰的雪水,当他们把雪水中的细菌杀死后,发现在同样的温度条件下,高达85%的水不再结冰了,情况与粉尘为冰核的样本水相似,这说明活的细菌确实有促使水冻结的能力。

美国植物病理学家戴维·桑兹找到了细菌在较高温度下使水结冰的原因,这其实是细菌的一种生存策略。他发现一种叫做丁香假单胞菌的叶栖细菌,它在低温的条件下会生产一种特殊的蛋白质,能“控制”水分子在它的表面有序排列,加速水结冰,接着它就可以用这些小而尖锐的冰晶撕开植物的叶片,吸取养分。这本来只是细菌的“捕食”方式,但当风将这种细菌带到云中,它就可以使小液滴凝结成冰粒,成为降水的“帮凶”,加速降雨过程。

什么样的细菌可以作为成冰细菌呢?20世纪80年代,美国威斯康星大学的博士生林多分离出了丁香假单胞菌的成冰基因。此后,研究人员相继发现了其他四种能够在较高温度下形成冰核的细菌,它们也都拥有成冰基因。

但是云中确实存在这些成冰细菌吗?研究人员常常乘坐飞机和热气球从高空中采样,并在数十万的样本中寻找含碳、氮和磷的结构与细菌相似的生命体。功夫不负有心人,美国乔治亚理工学院的一个研究小组在1万米高空的台风云层中发现了314种细菌,而且发现这些细菌能够忍受高纬度的紫外线辐射,并利用简单的碳化合物作为自己的能量来源,这表明它们已经适应了在云朵中的生活。而其他科学家小组通过对高空的云层冰晶进行采样,发现大约40%的冰晶中的成冰冰核都是生物微粒。

现在我们可以得出结论,细菌确实可以帮助降雨。美国科学家做了一个试验:从海洋里收集各种附着细菌的海藻,粉碎后,放入充满水蒸气雾的密室中,最终密室的雾凝结成了水滴,下起了暴雨。由此看来,用细菌粉末代替碘化银来进行人工降雨是具有可行性的,而且细菌还具有独特的优势,比起碘化银在温度最高为-5℃时才能结冰核,细菌在0℃以上也能结冰。

人工造雪已经先一步用上了细菌。1980年美国就研发了由灭活细菌制成的Snomax生物冰核剂,它能在温度为1.1℃时进行人工生物造雪,使用270克冰核剂便能使近40万升水形成人造雪。生物冰核剂不仅在全球多个滑雪场中得到广泛应用,更是在冬奥会中大放异彩。继1985年加拿大冬奥会和1994年挪威冬奥会使用生物冰核剂后,我国中科院微生物研究所也在研究用微生物冰核蛋白进行人工造雪的课题,旨在为2022年北京冬奥会人工造雪的成功保驾护航。

人工生物造雪已经实现,人工生物降雨还会晚吗?对降雨的多种原因的深入研究,将使我们更高效地“呼风唤雨”。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年11月1日 上午8:11。
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