书城自然科学学生气象知识丛书-人工影响天气
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第13章 人工防雹(3)

有人做过这样的试验,在室内用燃烟产生一股细小的上升气流,然后再用玩具般的小炮轰击。结果在炮击后0.2—0.3秒就发现烟道摆动,并逐渐向上扩展,半秒钟后复又平静如初。

另一个试验是借助于垂直风洞产生的稳定上升气流,支托住许多葵花子,使它们悬浮在空中不掉下来。这时再用火枪轰击,葵花子突然跌落下来。

此外,炮击自然界积云的中上部时,往往出现云顶下塌或云体消散的现象。在高炮降水作业时,也常观测到“炮响莆落”的现象,即炮击云体后仅几分钟,就获得人工降雨或转的直接效果。

这些室内实验和野外试验表明,爆炸是通过影响云中的上升气流,从而达到防雹的目的的。不过,爆炸的能量是十分有限的,根本无法与云中强大的对流能量相比,因此,爆炸对云中上升气流的影响,只是起着一种“触发”作用。云中大量降水粒子在上升气流的支托下,悬浮在云雾大气中,但这种平衡状态是很不稳定的,就象葵花子悬浮在垂直风洞的气流中那样。云中上升气流一旦受爆炸波的扰动,这种暂时的平衡立即遭到破坏,使大量降水粒子集中降落下来。它们在下降过程中,拖带周围的空气而产生下沉气流。降水粒于在下降蒸发过程中,不断吸收汽化潜热,又促使空气变冷下沉,从而加速了云中下沉气流的发展。爆炸影响云中上升气流的作用,在云内尚未形成大雹块时,往往能起到抑制或削弱冰雹的生成,甚至使云体逐渐崩溃。即便对于已形成大雹块的冰雹云,猛烈的炮击使冰雹就地降落,保证了下游作物区免遭雹灾。

爆炸还能影响云的微观物理过程。

有人在隆冬季节,利用公园里自然喷泉所喷出的过冷水滴,进行炮击试验。炮击后发现有大量冰粒降落,而炮击前并没有这种现象。因此,可以认为爆炸能促使冰雹云中的过冷水滴冻结。大量过冷水滴的冻结,就像在冰雹生长区过量播撒人工冻结核一样,起到抑制冰雹形成的类似效果。

此外,爆炸还会强烈震动云中已经形成的冰雹。冰雹中因含有许多气泡空隙,受震后往往被松散或破裂,使冰雹变小,或形成危害不大的软雹。

近年来,还有人在冰雹云中专门制造下沉气流,促进云体崩溃,以达到防雹的目的。例如,用大口径炮弹爆炸,造成大量碎片飞溅,或集中播撒诸如水泥、沙子等微粒,还有用喷气飞机近乎垂直地向上飞行的方法,来制造下沉气流。人工制造云中下沉气流抑制冰雹的方法,其效果如何,还有待于继续试验。

(第五节)人工防雹的工具及效果检验

人工防雹的成败,不仅取决于人工影响原理的科学性以及对雹云的正确识别,还取决于防雹工具的合理使用。

我国广泛采用的爆炸防雹作业分为地面爆炸、云下低空爆炸和云中爆炸三种方式。

地面爆炸使用的工具有炸药包和各种土炮。炸药包多放置在山上低洼的地方,以增加威力。土炮(内无炮弹,只有火药)则多置于山头,对准冰雹云,排炮齐放,威力较大。这种方法简单易行,有利于大范围联防。

云下低空爆炸常用土火箭、空炸炮和土迫击炮等。这种运载工具能将炸药带至一千米左右的高度发生爆炸。

土火箭由头部、箭体和尾翼三部分组成。头部呈圆锥体,内放炸药。箭体是火箭的动力部分,由箭筒、燃烧室、喷管等组成。土火箭筒体一般由多层牛皮纸卷成。尾翼由五合板或铁皮组成,有三翼和四翼两种,起定向平稳的作用。它的发射高度约1000米。

空炸炮(又叫礼花炮)由炮筒和炮弹两部分组成。炮筒系无缝钢管,底部焊有一块铁板,炮筒上部套上二个或三个铁脚,以便把炮筒支撑起来,炮口朝天,移动支架,可以改变发射角。炮筒长度为1—1.5米,炮筒口径约10厘米。空炸炮炮弹为球形,有纸壳、泥壳和塑料壳三种。弹头内放2两炸药。为把弹头送入空中,弹头下边装有一个发射药包,其上穿一根导火索,与发射药包相连通。点燃发射药,弹头上升到最高处时,导火索燃完,便点燃弹头中的炸药,使之在空中爆炸。空炸炮的发射高度一般不超过500米。

土迫击炮也由炮筒和炮弹两部分组成。炮筒与空炸炮相同,可以互换使用。炮弹模仿军用迫击炮弹,呈流线型。弹体用红胶泥捏成,泥壳外再糊几层牛皮纸,尾管用牛皮纸卷成。尾翼采用废铁皮,用螺钉固定在尾管上。土追击炮弹的发射高度大致在1,000米左右。

云中爆炸要求在3—7公里高度范围内爆炸,因此需用性能较好的火箭(箭身用硬塑料或无缝钢管)或用高射炮对准冰雹云射击。目前,我国人工防雹用的是“三七”高射炮。炮弹是整装式的,由下列主要部件构成:①定时自炸引信,②装有碘化银炸药及曳光的弹丸,也有用不装碘化银的装备弹,③装有发射药及底火药筒。炮弹全长382毫米,重1.6千克,弹头重0.73千克,口径37毫米,初速约860米/秒,有效发射高度3—5公里。

至于使用何种工具,选择什么时机,在冰雹云的哪个部位爆炸,要不要施加催化剂,这些都直接关系到人工防雹的效果。各地需根据自己具体的情况,在实践中不断总结经验,以最小的代价,获取最大的经济效益。这就是人工防雹的宗旨。

目前,各地爆炸作业虽不尽相同,但一般来说,如果能做到及时爆炸,集中火力,击中要害,则效果较好。对于地面和云下低空爆炸作业,最好是在冰雹云前部的上升气流区引爆,集中优势兵力破坏或扰动上升气流,从而影响冰雹云的形成和发展。如在冰雹云中爆炸,则应尽量在云体中、上部的冰雹生长区引爆,充分发挥爆炸影响云内微观物理过程和动力过程两方面的效果。

云中播撒催化剂的方法,也是多种多样的。我们仅以播撒碘化银成冰核为例,介绍几种主要的催化作业方法。

最简便的办法,是在地面分散布置许多碘化银成冰核发生炉。在冰雹云形成以前,把浸润了碘化银丙酮溶液的木炭炉点燃,这样在大气中就形成大量碘化银晶体,并凭借上升气流带入云中。此法虽然简便,但针对性差,催化剂消耗量大,作业带有一定程度的盲目性,因此采用此法的国家不多。

较为有效的催化作业方法,是事先利用气象雷达等工具,及时准确地识别云中冰雹生长区,然后用火箭、高射炮将碘化银催化剂通过爆炸撒入云内冰雹生长区。此外,也可用飞机将催化剂撒入冰雹云体下面的上升气流区,靠气流带入云中。还有用飞机在云体周围发射火箭,直接把催化剂送入云中关键部位。  根据群众防雹催化作业的经验,利用火箭和高射炮进行催化作业时,不要打云头、云根,而打冰雹云的中、上部位,亦即上升气流较强的部位。这里,云内的温度通常低达-10℃,是冰雹生长的关键部位,催化效率较高。射击方式则以大量、集中炮击为宜。

人工防雹原理和作业方法的正确与否,最后应由防雹效果加以检验。目前,检验人工防雹效果有统计对比和物理检验两种方法。

人工防雹的统计对比检验方法,是根据防雹地区在开展人工防雹前后灾情的多年平均,来判断防雹效果。例如内蒙古自治区察右前旗老羊圈大队,有耕地17200亩,开展人工防雹前的六年里,平均每年受灾面积占总耕地面积的25.5%。防雹后的六年里,平均每年受灾面积的比例下降到1.3%。防雹效果显著,使受灾面积减少了95%。

此外,还可对不同地区进行统计对比,其中可选取一个防雹作业区,另一个则为与雹灾相近但不采取防雹措施的对比区。根据两个地区受灾面积多年平均的统计对比,来检验防雹效果。

防雹效果的物理检验方法,是根据对成雹过程起关键作用的物理量在防雹作业前后的变化,来判断防雹效果。这些物理量可以选择冰雹平均直径、雷达综合指标、闪电次数等作为判据。例如,四川省冕宁县进行高炮防雹作业,作业后发现炮击部位的雷达回波消失,回波顶的高度下降。山西省昔阳县进行人工防雹作业,作业后发现闪电次数急剧下降。这些变化都说明防雹作业对冰雹的发展确能起到一定的抑制作用。随着探测技术的发展,有可能选取冰雹数密度、冰雹和雨的比例、冰雹大小的分布等更为直接的物理量,作为防雹效果检验的判据。

冰雹云变化迅速,降雹过程短促,成灾范围狭小,重复性差。这些特点增加了防雹效果检验的困难。加上雹云体态臃肿,过程复杂,难于进行总体摸拟实验研究。因此,如何寻找一种公认的、令人信服的、可靠的客观检验防雹效果的方法,仍然是摆在大气物理科学工作者面前的一项艰巨任务。