Chmura: dlaczego naukowcy próbują zrobić z tego śnieg

Woda jest cennym zasobem, który wpływa na prawie wszystkie aspekty życia na Ziemi. Jest również ograniczona, więc ludzie korzystają z różnych metod, aby zapewnić, że podaż spełnia zapotrzebowanie.

Jedną z takich technik jest zasiew chmurowy - dodawanie cząstek do atmosfery w celu ułatwienia powstawania deszczu lub śniegu. Obecnie wiele podmiotów na Zachodzie - w tym agencje rządowe i samorządowe, przedsiębiorstwa użyteczności publicznej i ośrodki narciarskie - zasiewa chmury w celu zwiększenia opadów śniegu w górach. Więcej śniegu oznacza więcej wiosennych i letnich odpływów, które zasilają lokalne zasoby wody, nawadniają uprawy i napędzają zapory wytwarzające energię hydroelektryczną.

Siew chmurowy wykorzystano również w celu rozproszenia mgły na lotniskach, zwiększenia letnich opadów i zmniejszenia gradobicia. W rzeczywistości zasiew chmurowy występuje w ponad 50 krajach na całym świecie. Mimo całej tej aktywności nadal nie wiemy, czy działa.

Jesteśmy naukowcami zajmującymi się atmosferą, a ostatnio przeprowadziliśmy badania terenowe w celu oceny siewu chmur jako sposobu na wzmocnienie górskiego śniegu w czasie zimowych burz. Nasze wyniki wyraźnie pokazują, że przynajmniej pod pewnymi warunkami można zmienić ewolucję i wzrost cząstek chmur, prowadząc do opadów śniegu, które w przeciwnym razie nie miałyby miejsca. Następne pytanie dotyczy tego, czy zasiew chmurowy może być skutecznym narzędziem dla zarządców wód w zachodnich Stanach Zjednoczonych.

Tworzenie kryształów w chmurach

Chmury składają się z kropelek wody, które są zbyt małe, aby spaść jako opady. Kropelki te często przechładzają się do temperatur znacznie poniżej punktu zamarzania - tak niskich jak 0 stopni Fahrenheita (minus 18 stopni Celsjusza) lub niższych. W wielu okolicznościach kryształy lodu (które mogą szybko rosnąć w obecności przechłodzonej cieczy) muszą być obecne, aby chmura mogła wytworzyć znaczną ilość opadów. W przypadku chmur, które tworzą się, gdy powietrze unosi się nad górą, jeśli nie ma kryształków lodu lub zbyt mało z nich, wiele kropelek wody, które tworzą chmurę, po prostu wyparowuje po stronie góry.

Siew zimowej chmury opiera się na hipotezie, że gdy przechłodzona woda istnieje w chmurze, można ją zmodyfikować przez wprowadzenie cząstek, które działają jak sztuczne jądra lodu. Proces ten tworzy kryształki lodu, które wykorzystują przechłodzoną wodę do wzrostu na tyle dużego, że ostatecznie spadają na powierzchnię jako śnieg.

Zalążek chmur został zapoczątkowany przez atmosferycznego naukowca Bernarda Vonneguta, brata słynnego pisarza Kurta Vonneguta. W 1947 roku laboratorium Vonneguta wykazało, że jodek srebra jest skutecznym jądrem lodu, które może tworzyć lód w temperaturach znacznie cieplejszych niż naturalnie występujące jądra lodu.

W ciągu następnych 40 lat naukowcy zajmujący się siewem w chmurze dokonali znaczących odkryć dotyczących prawie wszystkich aspektów fizyki chmur. Mimo to w 2003 r. Krajowa Rada Badawcza stwierdziła, że ​​„nadal nie ma przekonujących dowodów naukowych na skuteczność celowych działań modyfikujących pogodę”. Niemniej jednak państwa i społeczności naciskały na operatywne zasiewanie chmur, podczas gdy badania nad ich skutecznością opierały się na postój.

Ścieżka do SNOWIE

Dlaczego te programy istnieją bez dowodów naukowych, że działają? Odpowiedź jest prosta: państwa zachodnie potrzebują wody, a wielu decydentów uważa, że ​​zasiew chmurowy może być opłacalnym sposobem na jego wyprodukowanie.

W 2004 r. Stan Wyoming zlecił projekt pilotażowy, który doprowadził do tego samego wniosku, co wiele wcześniejszych badań: zasiew chmurowy może mieć zwiększone opady, ale wzrost można również wyjaśnić naturalną zmiennością systemów burzowych. Jednak siostrzany projekt finansowany przez National Science Foundation wykazał, że nowe narzędzia do modelowania komputerowego i ulepszone oprzyrządowanie mogą dostarczyć nowych informacji.

Tymczasem Idaho Power Company współpracowało z Narodowym Centrum Badań Atmosferycznych w celu oceny bieżącego operacyjnego programu rozsiewania chmur w firmie. Z tej współpracy powstał pomysł wykorzystania nowych narzędzi do modelowania komputerowego i ulepszonego oprzyrządowania do oceny skuteczności programu rozsiewania chmur w Idaho Power. Ostatecznym rezultatem był nasz projekt Seeded and Natural Orographic Wintertime clouds: Idaho Experiment lub SNOWIE.

Od jodku srebra po śnieg

Zimą 2017 roku wyruszyliśmy w uzbrojenie w zaawansowane radary, takie jak Doppler on Wheels (DOW), które ustawiliśmy na szczytach gór, oraz Wyoming Cloud Radar (WCR), który zamontowaliśmy na samolocie badawczym. Narzędzia te pozwoliły nam zajrzeć w chmury, aby określić, gdzie i kiedy rozwijały się opady.

Po zasianiu chmur cząstkami jodku srebra wykorzystaliśmy sondy obrazujące, które zwisały ze skrzydeł samolotu badawczego, aby zbadać drobne szczegóły cząstek chmur, gdy samolot przechodził do i z wysianych regionów. Zaledwie dwa tygodnie po naszym 10-tygodniowym projekcie terenowym nasz radar wykrył pierwszy niezaprzeczalny sygnał opadów spowodowany zasiewaniem chmur.

Widzieliśmy wyraźne i jednoznaczne sygnały, że uwalnianie cząstek jodku srebra inicjuje tworzenie kryształów lodu, i że kryształy te rosną w śnieg i spadają na powierzchnię góry. Wewnątrz obszarów dotkniętych siewem, stężenia kryształów lodu wzrosły o setki, co doprowadziło do powstania śniegu. W przeciwieństwie do tego, zaledwie 1 kilometr w niezaszczepionych rejonach chmur chmura pozostała złożona głównie z małych kropelek cieczy i w dużej mierze pozbawiona lodu.

Jak moglibyśmy powiedzieć, że to, co widzieliśmy, było spowodowane rozsiewaniem chmur? W jednym przypadku samolot przeleciał tam iz powrotem wzdłuż prostego toru, który był prostopadły do ​​kierunku wiatru, uwalniając jodek srebra. Jodek srebra zaczął się rozpraszać z wiatrem przez chmurę w zygzakowatym pióropuszu - wzór utworzony przez wzorzec lotu samolotu i nie pojawiłby się naturalnie. Widzieliśmy echa radarowe tworzące zygzakowaty wzór, który pasował do naszej prognozy opartej na tym, kiedy i gdzie jodek srebra został uwolniony w chmurach.

Czy siew w chmurze może się zmienić?

Teraz, gdy wiemy, że zasiew chmur może prowadzić do opadów śniegu, chcemy sprawdzić, czy może on zmienić równowagę wody w całym paśmie górskim. Dane z SNOWIE zostaną wykorzystane w modelach komputerowych do przetestowania naszych pomysłów na to, jak zasiew chmur może wpływać na sezonowe opady śniegu i określać jego wpływ. Ostatecznie, zarządcy wody i urzędnicy publiczni będą chcieli wiedzieć, ile dodatkowych opadów można wytworzyć z powodu zasiewu chmur i czy jest to opłacalny sposób na zwiększenie opadów w lokalnych zlewniach.

Robert M. Rauber z University of Illinois, Katja Friedrich z University of Colorado, Bart Geerts z University of Wyoming, Roy Rasmussen i Lulin Xue z National Center for Atmospheric Research oraz Mel Kunkel i Derek Blestrud z Idaho Power Company również uczestniczył w badaniu SNOWIE omówionym w tym artykule.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation przez Jeffreya Frencha i Sarah Tessendorf. Przeczytaj oryginalny artykuł tutaj.