激光人工增雨技術研究

摘" 要：為提高人工影響天氣科技水平，并研究激光人工增雨新技術在實際外場作業中的業務化效果。對激光人工增雨的發展史、激光人工增雨的基本原理進行介紹與探討，結合業務實際分析業務化應用中可能出現的問題。研究表明，飛秒激光可從光化學反應、氣溶膠等方面產生人工增雨效果。實際業務化應用中一方面需要提高作業精度，明確目標云的選取;另一方面需要改良飛秒激光器，提高功率并縮小體積。

關鍵詞：人工影響天氣；人工增雨；飛秒激光；光化學反應；氣溶膠

中圖分類號：P48" " " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0193-04

Abstract： In order to improve the scientific and technological level of weather modification and to study the operational effect of the new technology of laser artificial rain enhancement in the actual outfield operation， the development history of laser artificial rain enhancement and the basic principle of laser artificial rain enhancement are introduced and discussed， and the problems that may occur in operational application are analyzed. The results show that femtosecond laser can produce artificial rain enhancement effect from photochemical reaction， aerosol and so on. In the practical business application， on the one hand， we need to improve the operation accuracy and make clear the selection of the target cloud; on the other hand， we need to improve the femtosecond laser to increase the power and reduce the volume.

Keywords： weather modification; artificial precipitation enhancement; femtosecond laser; photochemical reaction; aerosol

1946年，最早的諾貝爾化學獎得主美國化學家、物理學家歐文·朗繆爾（Irving Langmuir，1881年1月31日—1957年8月16日）帶領其研究團隊，經過試驗發現碘化銀（AgI）和干冰（固態CO2）可以促使冰晶的形成，此為現代人工影響天氣起源[1]。我國自1958年開展人工影響天氣試驗工作以來，基于對防災減災、生態保護等方面的迫切需求，經過60多年的發展，我國的人工影響天氣相關技術、管理體系和裝備科技水平迅速提高，在基本氣象業務體系基礎上建立起人工影響天氣作業條件監測、預報體系，目前已經成為世界人工影響天氣大國，作業規模居世界第一[2-4]。

人工影響天氣技術至今已發展了70多年，國際上人工影響天氣科學試驗結果普遍表明，目前的人工影響天氣技術即在云中增加凝結核和冰核的播撒技術，播撒窗區窄、適用條件苛刻，常規的數值模式或氣象觀測難以準確獲取作業條件?；诂F代科技的發展，隨著人工影響天氣技術、裝備現代化水平提高，科研能力也逐漸提高，更多人工影響天氣的新技術得以探索和研究。其中激光應用于人工影響天氣的新技術就在世界各國開展了理論和實驗探索，中國[5]、瑞士[6]（圖1）、英國[7]、美國[8]、德國和法國[9]等都在激光人工影響天氣領域取得了研究進展。研究表明，激光人工增雨相較于在云中大量播撒AgI等催化劑，影響過程較持續，針對性更強，能做到“靶向影響”，且不會對水資源本身造成污染?？梢娂す馊斯ぴ鲇昙夹g有重要的科學意義和應用前景，但距離投入業務化還面臨很多問題需要探討和解決。

1" 飛秒激光

自1960年紅寶石激光器成功研制以來，激光器領域迅速發展，先后出現了主動鎖模（APM）、被動鎖模（CPM）和相加脈沖鎖模等，采用這些鎖模技術可以將激光脈沖縮短到皮秒（10-12 s）甚至飛秒（10-15 s）。1976年超短脈沖激光領域取得重大突破，寬帶激光增益晶體-摻鈦藍寶石被發現與非線性效應自鎖模技術和脈沖放大技術出現。采用這種技術后，輸出的激光脈寬可短至飛秒量級[10-11]。飛秒是一個時間單位，1 fs等于10-15 s，即千萬億分之一秒。飛秒激光是一種僅幾個飛秒，瞬時功率可達百萬億瓦，持續時間極短、瞬時功率極高的脈沖形式激光。這種超短脈沖激光在介質中傳播時會產生成絲效應，飛秒激光成絲過程如圖2所示。自飛秒激光成絲現象被發現以來，其傳輸效應及其相關潛在應用的研究，逐漸成為激光物理研究前沿。宏觀上，飛秒光絲是一條長度從幾厘米持續到幾百米的兩百光絲，其起始位置可通過操縱激光參數來控制；微觀上，飛秒是光克爾自聚焦效應與等離子體自散焦之間的動態平衡。相較于長脈沖的激光，飛秒激光熱量擴散更小、可控性更好，目前已被廣泛應用于光電通信[13]、生物醫療[14]和材料加工[15]等多個領域。

目前常見的人工影響天氣技術，主要是在云中播撒凝結核和冰核，播撒窗區較窄，適用條件較苛刻。因此基于新科技試驗發展人工影響天氣新技術，以適用各種條件下的作業需要就尤為重要。研究表明，飛秒激光技術也可應用于人工影響天氣領域[16]。飛秒激光主要通過以下幾個途徑影響云凝結核的生成和后續水凝結和降水過程，分別是飛秒光絲引發的光化學反應、氣溶膠的產生、次級冰晶的產生和熱沉積效應[17]。

2" 飛秒激光人工增雨基本原理

2.1" 光化學反應促進液滴增長

對于大于25 nm的粒子，飛秒激光可以促進這種粒子的聚集和氣相核化過程，一旦粒子尺度達到500 nm，水汽分子的擴散增長減弱，處于吸濕增長過程。在空氣介質中飛秒激光成絲過程將空氣中的氮氣（N2）和氧氣（O2）分子電離為離子態N+、N2+或激發態N2*、O2*。電子/離子與中性原子/分子發生碰撞，引發較復雜的光化學反應。除了N2、O2分子參與光化學反應，水分子（H2O）進入飛秒光絲附近的強激光場，生成的氫氧自由基（OH）也具有強氧化性，與氮氧化物反應生成HNO3。相對濕度大于70%的情況下，由于空氣處于未飽和狀況一般會導致蒸發。而HNO3較強的吸濕性使其溶于液滴后形成H2O-HNO3粒子，液滴的表面張力降低，凝結速率大于蒸發速率，促進了水凝結過程，維持了粒子增長，如圖3所示。

2.2" 氣溶膠的產生

大氣氣溶膠粒子是指在大氣中懸浮的液態或固態顆粒，在大氣中能作為云凝結核或冰核。其濃度的加大可對云體產生影響，進而促進對流云等云體的發展，導致降水行成。飛秒光絲光化學反應產生的光氧化副產物與環境中的揮發性有機物及H2O分子等結合，這些復合物是形成氣溶膠的初始基體。試驗研究表明，飛秒激光脈沖生成的氣溶膠尺寸集中在50 nm左右，與常用的人工影響天氣播撒劑碘化銀（AgI）納米顆粒數密度近似[18]，有利于凝結核的形成。飛秒光絲在不同氣體氛圍條件下誘導的氣溶膠數目濃度如圖4所示。

2.3" 次級冰晶的產生

冷云中存在著溫度在0 ℃或以下的過冷水滴，在存在凍結核的情況下容易凍結為小的冰晶，此時如果大氣水汽壓對于冰面過飽和，小冰晶將凝華增長，其增長過程比水滴凝結快，云內形成水汽擴散場，進而導致水滴消失冰晶長大。飛秒激光脈沖產生的光絲遇到過冷云中的冰晶，成絲過程將冰晶擊碎，擊碎的冰晶在沖擊波的作用下蒸發，然后再次在過冷環境中凝結為次級冰晶。因為冰晶與液滴表面的飽和蒸氣壓相比較低，所以次級冰晶作為次級冰核可迅速誘導水凝結。冰晶產生的時間演化過程如圖5所示。

2.4" 熱沉積效應

飛秒激光脈沖光絲在大氣中傳輸，部分脈沖能量轉化為自由電子動能與勢能，最終以熱能的形式沉積下來。飛秒光絲熱沉積過程中包含湍流運動和機械運動，存在瞬時溫度氣壓劇烈變化。光絲區域急劇熱膨脹引起沖擊波的產生，隨著傳播介質的熱擴散，光絲區域周圍形成低密度通道，來自各個方向的氣體在該區域碰撞，拖曳周圍氣體形成氣旋（圖6）。

3" 激光人工增雨業務化探討

激光技術上超強超短始終是人類永恒追求的目標，而結合人工增雨的工作實際還需要考慮到參數選取、成本和野外作業中可操作性等業務問題。

1）精確選取飛秒激光參數具有較大的難度，實驗中預測的激光參數在實際應用時因外場環境的不同仍需要在前者基礎上對光學理論模型進行更準確地優化，完善飛秒激光對于不同降雨云系相互作用過程的物理圖像。

2）為保障外場作業，把激光精準投射到目標位置，需要提高激光器的發射功率，而此類大功率的激光器體積較大。考慮到人工增雨外場作業時野外作業環境較惡劣，作業車輛可能需要行走顛簸的山路或者跟蹤有作業潛力的云系進行精確催化，為提高人工影響天氣作業系統的機動性和穩定性，此類激光器的小型化、加強抗震抗干擾能力十分重要。

3）人工影響天氣特別是人工增雨，特別講究作業效益。需要找到天氣過程發展和轉折的關鍵點，在局部用較小的能量，產生影響天氣的效果，即“四兩撥千斤”。目前能滿足人工影響天氣作業需要的大功率飛秒激光器成本較高，因此為了能真正投入業務化使用，一方面需要研究探索出啟動不同作業云系的宏觀尺度水凝結過程關鍵點，科學合理選取進行激光干預的目標云，提高人工影響精度，完善激光影響目標云的效果評估；另一方面需要改良大功率飛秒激光器的生產和運行方式，研制可靠穩定但量產和業務化成本更低的激光器。

4" 結束語

飛秒激光具備的超短持續時間與超高峰值功率等特征，在各個學科領域都發揮重要的作用。激光應用于人工影響天氣領域的研究與發展時間較短，飛秒激光用于人工增雨的技術涉及大氣物理、大氣化學和激光物理等多個學科，目前處于起步和探索階段，在學科交叉與融合中深挖云系形成機理，精確作業目標云系的選取和效果評估，研制改良適用于人工影響天氣外場作業的高功率、高機動和可靠穩定的移動飛秒激光器，既是目前面臨的挑戰，也是人工影響天氣高質量發展、需要積極探索的新方向。

參考文獻：

[1] 鄭國光，郭學良.人工影響天氣科學技術現狀及發展趨勢[J].中國工程科學，2012，14（9）：20-27.

[2] 郭學良，方春剛，盧廣獻，等.2008—2018年我國人工影響天氣技術及應用進展[J].應用氣象學報，2019，30（6）：641-650.

[3] 劉斌.我國人工影響天氣工作進展及主要技術研究[J].科技創新與應用，2015（14）：300.

[4] 姚展予. 中國氣象科學研究院人工影響天氣工作50年回顧[C]//中國人工影響天氣事業50周年紀念文集，2008：129-139.

[5] 鞠晶晶，劉建勝，孫海軼，等.飛秒激光人工影響天氣的物理機理及研究進展[J].中國激光，2019，46（5）：46-60.

[6] 科學家欲用激光人工降雨[J].當代畜牧，2011（9）：33.

[7] 激光造雨[J].廣西氣象，1984（5）：18.

[8] 李俊喜.激光驅霧降雨[J].四川激光，1982（2）：54-55.

[9] 德法兩國科學家研究用激光準確預報降雨[J].光機電信息，2009，26（5）：44.

[10] MAIMAN T H. Stimulated optical radiation in ruby[J].Essentials of Lasers，1969，187（4736）：134-136.

[11] 陳果夫，程光華，令維軍.飛秒激光產生與放大技術[J].紅外與激光工程，2008，37（2）：195-199.

[12] COUAIRON A， MYSYROWICZ A. Femtosecond" filamentation in transparent media[J].Physics Reports： A Review Section of Physics Letters （Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｃ），２００７，４４１（２－４）：４７－１８９．

[13] 丁寶艷，趙強，王相飛，等.飛秒激光制備光纖布拉格光柵研究進展[J].光通信研究，2022（3）：31-38，44.

[14] 趙會芳，趙春梅，劉湘云，等.飛秒激光輔助復雜白內障手術的研究進展[J].中國中醫眼科雜志，2022，32（3）：242-246.

[18] 王翼猛，管迎春.飛秒激光誘導醫用金屬材料表面功能微納結構的研究進展[J].中國激光，2022，49（10）：199-224.

[16] WOLF J P. Short-pulse laser for weather control[J].Reports on Progress in Physics，2018，81（2）：026001.

[17] 曾慶偉，高太長，劉磊，等.飛秒激光成絲誘導形成水凝物的機理研究進展[J].紅外與激光工程，2019，48（4）：102-107.

[18] JU J J， SUN H Y， HU X K， et al. Temporal evolution of condensation and precipitation induced by a 22-TW laser[J]. Optics Express，2018，26（3）：2785-2793.

[19] SAATHOFF H， HENIN S， STELMASZCZYK K， et al. Laser filament-induced aerosol formation[J]. Atmospheric Chemistry and Physics， 2013，13（9）：4593-4604.

[20] MATTHEWS M， POMEL F， WENDER C， et al. Laser vaporization of cirrus-like ice particles with secondary ice multiplication[J]. Science Advances，2016，2（5）：e1501912.

[21] LIU Y H， SUN H Y， JU J J， et al. Vortices formation induced by femtosecond laser filamentation in a cloud chamber filled with air and helium[J]. Chinese Optics Letters， 2016，14（3）：031401.