人工影響天氣催化劑的應用研究

王桂紅

摘要 人工影響天氣催化劑（簡稱催化劑）是指為達到增加降水、降低雹災損失或促進霧層消散等目的而有意識地向云（霧）中引入的物質，以此改變云和降水自然演變發展的過程。本文詳細介紹了人工影響天氣不同類型催化劑的催化原理、特點及其催化性能，以期為其推廣應用提供參考。

關鍵詞 人工影響天氣催化劑；催化原理；催化性能；應用

中圖分類號 P48 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）09-0227-01

人工影響天氣是在觀測基礎上確定作業假設，選擇合適的催化劑，并在適當的時機以合適劑量投放到作業對象指定位置，從而實現增雨（雪）、防雹、消霧等目的。由于自然云降水的多變性和復雜性，使作業條件、作業技術方法及作業效果檢測等成為人們面臨的重大難題。因此，研究催化劑在人工影響天氣中的作用是非常必要的。

1 催化劑的作用機理

1.1 冰核及其作用

冰核是冷云作業的基礎，通常來說，大氣中冰核很少。冰核具體的活化方式是由冰核本身的特性、環境條件和具體過程共同決定的。在自然冷云或混合云中某些區域存在過冷水，冰晶又不太多，降水效率就不高。如果在這些區域引入人工冰核，形成冰晶，由于貝吉龍效應，冰晶可以很快變大，降落融化后能夠加速水滴的增長過程，從而形成降水。另外，對流云含水量大，容易形成大冰雹，如果增加人工冰核的量，使過冷水分散到各個粒子上，往往可以減小冰雹的直徑，從而減輕或杜絕冰雹的危害。

1.2 云凝結核及其作用

因為在形成云霧過程中，大氣中水汽過飽和度比較低，只有少數半徑較大、吸濕性較強的微粒才能起到凝結核作用，所以云凝結核一般是吸濕性大核或巨核。

在暖云中，如果云滴尺寸太小且大小均勻，凝結增長的直徑變化緩慢，甚至在云的生命期內都不能長成降水粒子；如果云滴大小不均勻，則可通過隨機碰并產生較大的云滴。因此，如果在云中引入適量的吸濕性大核，就有可能加速一些大云滴的形成，激發碰并增長過程，加速云—水轉化，利于降水的發展。此外，一些冰雹胚胎由大云滴凍結而成，說明云凝結核也能夠影響到冷云過程。

2 催化劑的分類與作用

2.1 吸濕性大核

很多暖云，特別是大陸性暖云，吸濕性巨核極少，作用很小，常因大滴不足而不能形成有效降水。向云中噴入大滴或播撒吸濕性大核以及表面活性物質，直接或間接增加大滴數目，便能夠提高降水效率。常用的暖云催化劑有食鹽（NaCl）、氯化鈣（CaCl2）、硝酸銨（NH4NO3）、尿素（NH2CONH2）等。這些吸濕劑能在相對濕度低于100%的情況下吸收水汽并凝結形成液滴，增長率與液滴中吸濕劑的濃度有關，濃度越大，增長越快。其來源豐富、價格便宜，其中食鹽和氯化鈣對金屬材料具有腐蝕性，劑量較大時對農作物也有損害；而硝酸銨、尿素無腐蝕性和毒性，還具有一定肥效，可用于催化暖云和暖霧，研究表明，當二者與水按質量9∶1比例混合（三者質量比為5.14∶3.86∶1.00）時，比二者各自單獨使用效果要好。

2.2 人工冰核

人工冰核常采用異質核化的方法，即選取和冰晶結構相似的物質作為冰核，從而達到提高成冰閾值的目的，主要有碘化銀、碘化鉛、硫化銅等。碘化銀（AgI）的結構為六方晶型，與冰晶的晶格非常相似，具有優良的成冰性能以及成冰閾溫低、成核率高等優點。因其制品可以工業化生產，儲存、運輸和分散方便而被廣泛應用。

AgI的制作方法主要有燃燒法、爆炸法2種。其中，燃燒法又分為直接燃燒、溶液燃燒和焰劑燃燒3種。最簡單的直接燃燒是將AgI置于坩堝中，用電爐加熱至1 000 ℃以上，其蒸氣在空氣中冷卻而凝成AgI微粒。溶液燃燒法是把AgI溶于加入增溶劑的丙酮溶液中，經攪拌完全溶化后，噴射至火焰中燃燒，或噴入以丙烷或汽油為燃料的燃燒爐中一起燃燒（丙酮溶液燃燒溫度可達900～1 000 ℃）。該方法燃燒緩慢、單爐發生率小，但成核率最高。焰劑燃燒法主要由AgI或其化合物、氧化劑、燃燒劑和粘合劑的混合物壓制或澆注制成，點燃后可產生大量AgI人工冰核氣溶膠，成核率居中[1]。

爆炸法是將AgI粉末壓制成型，然后填充于炮彈或火箭頭部的TNT炸藥或紅磷、氯酸鉀混合物之中，采用引信發射至云內爆炸。爆炸法目前應用在人工增雨、防雹“三七”高炮炮彈上，其爆炸后產生碘化銀氣溶膠。該方法單位時間內輸出率大，但其成核率偏低。

2.3 制冷劑

致冷劑投入空氣或過冷云后急速升華，吸收大量潛熱，使周圍空氣迅速冷卻，水汽隨之達到高度過飽和狀態。貼近致冷劑的薄層空氣溫度可低于-40 ℃，通過自然冰核的活化和同質核化能夠形成大量冰晶胚胎，并在過飽和空氣里凝華長大成冰晶。致冷劑可以在較高負溫區播撒形成冰晶，和成冰閾溫較低的人工冰核碘化銀相比具有一定優勢。

常用的制冷劑有干冰、液氮等，實踐與試驗表明，其成核率分別為1011～1013個/g和1012～1013個/g。干冰是二氧化碳的固態形式，在常壓下只要高于-78.5 ℃會迅速升華為氣體，汽化潛熱為2.74×105 J/kg。通常情況下，將其粉碎成直徑為1 cm的顆粒，儲藏于冷藏瓶，再用飛機在云層上部噴灑，一般要求云頂溫度≤-7 ℃，用量100～1 000 g/km。液氮是氮氣的液態形式，汽化潛熱量為9.96×104 J/kg。試驗表明，皮膚接觸液氮可致凍傷，主要被用作飛機作業，盛裝液氮的罐體符合要求的噴孔直徑為0.8 mm、容器內壓差是0.5×105 Pa。由于液氮播入后氣化很快，對較深厚的云（霧）層不能夠充分有效地催化。干冰、液氮形成的二氧化碳和氮氣是空氣的組成部分，對環境和人體都不會產生影響[2-4]。

3 結語

人工影響天氣催化劑和催化工具的不斷改進，大大提高了人工增雨的作業水平和成效。但是，催化劑的實際作業效果評估、不同天氣系統中各種催化劑的最佳播撒位置及最佳用量還有待進一步探究。因此，開發研制新型高效的催化劑、催化作業工具及其優化播撒方法是提高人工影響天氣作業成效的關鍵。

4 參考文獻

[1] 張景紅，金德鎮，江中浩，等.納米碘化銀在人工影響天氣的應用研究Ⅲ.表征實驗研究[J].氣候與環境研究，2012，17（6）：678-682.

[2] 安恵文.人工增雨（雪）所用催化劑對環境和人體健康的影響[J].人才資源開發，2014，20（4）：112-114.

[3] 張景紅，金德鎮，江忠浩，等.人工影響天氣納米碘化銀銅復合粉體催化劑結構特征分析[J].高原氣象，2011（1）：258-261.

[4] 金德鎮，張景紅，楊紹忠，等.人工影響天氣納米碘化銀催化劑成冰性能研究[C]//第十五屆全國云降水與人工影響天氣科學會議論文集（Ⅰ）.北京：中國氣象學會人工影響天氣委員會，2008.