大规模影响天气的可行性技术初论

中国的降水分布的基本情况是北旱南闹。北方干旱造成生产力低下，人们的生存空间和发展空间有限，而南方容易发生洪水灾害同样危害巨大，人们不仅有吃穿行财产损失，有房舍固定资产损失，甚至会有生命丧失，危害巨大。

第一节，我国雨水分布的基本情况和原因

中国南方的洪灾分布很广，基本上江苏、安徽、河南、湖北、重庆、四川以南地区都有存在，包括云南、贵州、广西、湖南、广东、江西、福建、浙江。不过目前看，洪灾并不是每年都会出现在南方，而是间隔性给各地造成洪闹灾害。今年给广东、广西造成的灾害很大，伴随着灾害，必然出现滑坡、塌方、冲刷等更大的地质灾害，地质灾害的发生严重地破坏了当地群众的生存环境，所以洪水引发的地质灾害应该成为我们首先解决的问题。

中国南方的洪灾的成因主要有两点：第一点，南太平洋热带季风和来自印度大陆的印度洋季风每年春季、夏季在我国西南地区交汇，形成锋面。在夏季容易形成暴雨洪水。第二点，来自南太平洋热带季风和来自北太平洋的信风在我国东南沿海地区形成梅雨和热带风暴。因此，我国主要需要面对的是如何有效应对这两种季风形成的锋面。如何削弱这些锋面？引导这些锋面？转移这些锋面。这需要研究一些专用的影响雨水的设备。

第二节，我国目前普遍的人工降雨方法是干冰法

目前，我国主要的干预降雨的方法是炮击干冰法，把干冰密封在榴弹炮炮弹里面，使用专用的发炮装置把这种干冰炮弹发射到大约2000米的高空促进降雨。据自媒体报道山西省目前有169门干冰高炮，178门火箭炮，178套烟炉在进行人工影响降雨(其它省没有相关资料，估计大多数不如山西省)。山西省有11个地级市，总面积15.7万平方公里，平均5000平方公里1门干冰高炮，1门火箭炮。这种数量很显然很难满足客观需求。

干冰高炮可以实施人工促进降雨是有多个缺点的。首先，其实干冰对于大气的温度影响是有限的，干冰的密度为1.56g/cm3，干冰的升华点是-78.5℃，升华热为142.5千卡/公斤，熔点为-56.6℃（5.2大气压），每摩尔质量为44.0095 g。从这些数据我们可以推断出，假如一枚干冰高炮装有10kg干冰，那么它可以影响多大范围的空气气温？10kg干冰是227.2摩尔，气化以后的体积大约是5089升，计为5.089立方米。此时的温度是-78.5℃。由于二氧化碳混合在空气中，空气的质量比热容大约是1.0x10^3j/kg°，空气的密度大约是1.293 kg/m³，那么空气的体积比热容大约是1.293 kJ/m³。我们假设二氧化碳的比热容也是1.293 kJ/m³，那么10kg干冰完全气化以后会有5.089立方米，它的温度在-78.5℃，如果用它来使得周围的空气降温，假如从25摄氏度下降15摄氏度到了摄氏10度就能够形成降雨，那么让每立方米空气温度下降15摄氏度会吸收大约19.4kJ能量，温度差是88.5摄氏度，它能够让周围大约23立方米的空气达到降雨条件，即1发10kg干冰炮弹只能够影响23立方米的大气。干冰的升华热为每公斤573.6kJ，那么一发炮弹10kg干冰的升华热为5736kJ，可以让295立方空气温度下降15摄氏度。所以总体而言，一发炮弹10kg干冰可以让319立方空气温度下降15摄氏度。所以干冰能影响有限范围的空气温度环境和气压环境，是它的第一个缺点。干冰炮弹影响降雨的第二个缺点就是炮弹壳对地面物体有伤害，第三个缺点是它的发射高度有限，可能在3000米以内，而卷积云的高度超过了3000米，所以要对云层做更大效果的影响，干冰炮弹估计是不可能的。第四个缺点是干冰的资源有限，生产困难。干冰的主要来源有以下几个：一个是集中燃烧植物或者煤炭产生较高浓度的二氧化碳，并且需要复杂的技术收集、净化，然后还需要加压液化固化，才能形成干冰。由于来源很匮乏，所以限制了它的广发使用。第五个缺点是干冰是碳汇的禁忌品，是和碳中和的政策不相和的。

第三节，最有前途的三种人工干预降雨的材料

因此，干冰不可能是大规模影响天气温度和压强环境的理想材料。实际上，大规模影响水汽大气环境的备选材料有三种：一种是液氮，一种是碳粉，一种是氯化钙。

首先，我们来讨论液氮如果抛洒在大气层中会对周围环境有怎样的影响。氮气在大气中占比为78%，很稳定的气体，分子量14.007，熔点(℃)-209.8摄氏度，沸点(℃)-195.6摄氏度，相对蒸气密度(空气=1)0.97，液氮密度为每立方米810kg，1立方米的液氮可以膨胀至696立方米的纯气态氮（21 ℃），标准大气压下，液态氮的汽化热是：2.7928千焦/摩尔。现在我们再次假设使用10kg液氮会对多少立方大气降低温度15摄氏度，假如大气温度既然是25摄氏度。氮气的摩尔质量比二氧化碳小，仅为28，是二氧化碳的64%。所以10kg液氮有357.1摩尔，体积为0.01234立方米，液氮膨胀以后转化为8.6立方米气态氮气，汽化热吸收热量997千焦，可以使得51.2立方米空气温度下降15摄氏度。气化以后温度为负195.6摄氏度，依然按照空气的比热容，那么这10kg氮气可以让112立方空气温度下降15摄氏度。两者相加，10kg液氮可以使得163立方米的空气温度下降15摄氏度，而10kg干冰可以让319立方空气温度下降15摄氏度。所以液氮对环境温度的影响大约是同质量干冰的51%。

但是，液氮具有以下干冰不具备的优点：第一，液氮来源广泛，可以直接从空气中简单提取，利用不同气体的液化温度不同提取。例如氧气的沸点是-182.962℃，当空气降低到-182.962℃的时候，首先把液化氧气去除，那么剩下的氮气纯度就超过了99%，当温度达到-195.6摄氏度的时候就会制造出液氮。第二，液氮是非常理想的冷凝剂，对环境没有任何污染。它是大气的主要成分，而且化学性质很稳定。    

 碳粉在大气中的主要作用有两个，一个作用是凝聚剂，碳粉容易带电，碳粉的吸附作用极其强大，一个是增温剂，对1064nm光有极好的吸收效果，由于碳粉是黑色的，具有天然的吸收热量的作用。因此，作为高空影响水汽降雨的作用物质，碳粉能够影响大气压强。碳粉主要以椰壳、果壳和煤质为原料，经系列生产工艺精加工而成，来源广泛，对环境没有污染。碳粉是单质，化学性能稳定，分子量只有12.011，如果抛洒在大气中可以覆盖很大的面积，不容易沉降。是非常理想的气象干扰剂。

氯化钙在大气中的使用。氯化钙是典型的离子型卤化物，室温下为白色、硬质碎块或颗粒，熔点772 ℃，沸点1600 ℃，分子量111，密度2.15 g/cm³。氯化钙的溶解焓为737.4j/g，低温下和水结合为六水合物，30℃时则溶解在自身的结晶水中，继续加热逐渐失水，至200℃时变为二水合物（CaCl2·2H2O），再加热至260℃则变为白色多孔状的无水氯化钙。氯化钙水溶液呈中性，因其高溶解性、吸湿性和脱水性而广泛应用于多个领域。与氨或醇作用，分别生成CaCl2·8NH3和 CaCl2·4C2H5OH络合物。由于氯化钙自身密度大，容易吸收水分形成二水合物（CaCl2·2H2O）和六水合物（CaCl2·6H2O），它在自然界有天然存在，具有轻微刺激性，基本对环境没有污染。制造简单，使用碳酸钙和盐酸可以制取，成本比较低，制造比较容易，所以氯化钙是形成降雨的良好的凝聚核。

液氮、碳粉和氯化钙的共同特点是：材料来源广泛，自然界普遍存在，制造加工容易，对环境没有污染。而它们在影响大气中的作用各不相同，作用互补。

第四节，液氮在天空中的使用

液氮作为冷凝剂，在云层中大规模、大范围使用，能够在大范围内形成低温，迅速让云层达到露点，进而形成降雨条件。云层达到露点温度以后，需要凝聚核才最终形成降雨，此时散播氯化钙就能够加大降雨量，或者加进碳粉也能够加大降雨量。另外，碳粉在大气中的作用是改变大气压，让大气顺着我们设想的路径运动，如果可以证明碳粉的引导大气作用明显，那么我们基本上就能够解决中国南涝北旱的降雨格局。具体怎样操作呢？

我们假定在长度200公里，宽度50公里范围内出现了强降雨，我们需要把这10000平方公里范围内的云气部分的转运到别的地方。我们的方法如下：

在降雨范围的边缘地区增加降雨，降雨以后周边地区的气压下降，锋面中心的云雾向低气压地区移动，用这个办法把降雨中心（锋面）的云雾量降下来，从而减少降雨中心的雨量。

我们的设想是生产一种专门用于冷却空气播撒液氮的运输机，它的运输规模大约50吨——100吨。（伊尔76MD/TD型运输机其运载能力仅有50吨。而装备PS-90A-76发动机后的伊尔76MD-90A等型号的运输机，其运载能力却达到了60吨。）我们需要的专门用于冷却空气播撒液氮的运输机不需要远程运输，飞行距离在100——200公里之内就可以，所以不需要大油箱，飞机的主体部分做成能够密封装载的罐状，飞机专门用于运输液氮，所以安装有防止液氮泄露的装置，安装播撒液氮的装置，安装加注液氮的装置，安装防止暴晒的装置，安装防止结冰的装置等等。总而言之是专门用于运输播撒液氮，影响天气的装置。用飞机把大量的液氮运输到几千米的高空，然后在高空中播撒释放液氮，通过液氮膨胀为气体迅速地降低高空的温度，使其达到露点，形成降雨条件，把乌云变成雨水，解决当地干旱问题。

我们假定运输50吨液氮，液氮的密度是每立方米810kg，那么50吨液氮是61.7立方米，1立方米的液氮可以膨胀至696立方米的纯气态氮（21 ℃），那么50吨液氮可以膨胀到42.9万立方米。以上计算得知10kg液氮可以使得163立方米的空气温度下降15摄氏度，那么50吨液氮可以使得81.5万立方米的空气温度下降15摄氏度。如果按照飞机的影响宽度100米，深度10米来计算，飞行长度大约是815米，覆盖面积大约是0.815平方公里。也就是说，一架装载50吨的飞机大约可以让1平方公里的空气形成降雨条件。液氮不仅影响气温，而且影响气压，由于1立方米液氮可以生成696立方米氮气，所以相当于空气在迅速膨胀。根据克拉伯龙方程的近似计算，PV=nRt。t近似不变（稍稍下降），n不变，R为常数，那么V迅速增加，则P在迅速下降。与此同时，由于大气和氮气混合，大气温度下降，和周围携带水汽迅速混合，形成降雨，水汽变成雨水，水汽压下降。因此飞机飞过排出液氮的地方形成了低压区。乌云会迅速地向这飞机飞行区域集结，从而把多雨区的云雾牵引到外侧，从而减少多雨区锋面区的洪灾。这个就是使用飞机排放液氮减少多雨区锋面区的降雨的基本原理。

从以上分析可以看出，一吨液氮对于气象的影响是比较大的，基本可以覆盖2公顷空间，但  是这个数据也是很微小的，一架飞机50吨液氮也只能影响1平方公里的空间。所以要大规模影响天气，对于液氮的生产量，专用飞机的数量都有较多的要求。我们的想法是让其产业化，长期化。利用全国的地市级小型、大型飞机场、利用专业飞机场，例如林业飞豹造林机场。在这些机场设立气象飞机专区，在飞机场周围就地建立液氮生产工厂。为每一次人工降雨准备3000——5000吨液氮，为储藏液氮修建大型储罐和仓库。这种液氮生产厂、储存仓库、飞机专区形成一条作业链条。达到需要就能使用，使用就能见效的总要求。

由于液氮的影响范围有限，大规模影响天气需要的量很大，所以需要有配合的措施，也需要很恰当地利用好自然界的气团、锋面、早晚、地形等气象因子。要因地制宜地制定干预气象的计划。例如，在黄河上游实施播撒液氮工程，由于青藏高原上常常有半夜降雨的特点，所以播撒液氮的时间也选择在半夜0时到6时，即子午卯三个时辰。播撒地点选择在若尔盖草原，这里属于黄河流域，而且天空中常有湿热气流通过，是比较理想的人工降雨地点。经常人工降雨能够有效增加黄河径流量，相当于一个调水工程。又例如，秦岭是我国南北气候分界线，秦岭以南降雨多，洪水也多，而秦岭以北的降雨量在750毫米以下，所以在秦岭以南出现较大的云团的时候，在秦岭上使用液氮拉出一个长度100到150公里的低温带，让云雾沿着低温带向北迁移，把雨水送到秦岭以北。例如，这种飞机播撒液氮必须在子夜时分，自然界一天中温度最低的时候实施，利用山谷地形进行，利用山顶盆地进行，利用山谷风、湖泊风进行。等等

为了增强液氮的降雨效果，可以在液氮中加入碳粉或者氯化钙。每罐加入1吨（或者通过科学试验确定加入量）。或者液氮中加入碳粉，每顿中加入1吨。碳粉不仅是增温剂、凝聚剂，碳粉还有一个作用是电离剂，它能够让云层迅速电离，形成不同的团聚体，从而发生云团之间的隔离和对撞，有利于降雨的形成，类似于三伏天的雷阵雨。我们讲，降雨形成的条件有三个，比较低的温度，适当的水汽气压（相对水汽压接近饱和），具有较多的凝聚核。我们使用液氮能够创造低温和低压，使用碳粉和氯化钙能够产生凝聚核。所以，在液氮中加入碳粉和氯化钙是比单纯使用液氮更加有效的技术措施。

现在，我们设计了以液氮制造，储罐储存，单独的飞机停机区、飞机运输播撒以及人工降雨团队一个整体机构，我们应该很好地利用这个这个机构，在防旱抗洪、人工降雨、空中调水等方面做出巨大功绩，开展多项业务。除过人工降雨以外，引导乌云向干旱地区移动也是一项主要业务。

第五节，引导水汽向干旱地区移动的方法初步探讨

如何引导乌云向干旱地区移动？乌云停滞的原因主要是大气压问题。大气压的问题的重点是大气中不同的高度上气压不同，没有形成“气压梯度力”。现在我们已经清楚，积雨云的出现高度是1000——3500米，高积云和卷积云的高度是2500——5000米，而5000米以上的云层是一个整体，面积很大，说明在5000米以上高空的水汽已经比较少，大部分水汽是分布在5000米以下的。但是7000米乃至8000米高度依然会有云层。所以，水汽层偏低是我国每年南方容易发生洪水、北方比较干旱的重要原因。我们有没有一种办法，让南方和北方之间形成更大的气压差，让南方气压大，北方气压小，水汽飘向北方。办法是提升乌云高度，增加南方地区气压，减小北方地区气压。具体的操作是：通过卫星云图找到降雨集中区，比如这个集中区在江苏太湖地区，而此时河北处于干旱地区，那么启动飞机在从太湖到河北石家庄890公里的6000——8000米的高空播撒碳粉。碳粉具有吸收太阳能的作用，能提高6000米以上天空的气温，让该通道形成低压区。而锋面地区是高压区，从而把水汽从太湖上空引流到更高的北方高空地区。

为什么要在6000——8000米的高空播撒碳粉加热，反而能够制造低压环境？我们讲，在6000——8000米的高空往往是没有污染物、没有乌云的空间，这个空间的太阳辐射虽然很强，但是却是低温高压区。恰如冰雹产生的时候一样，温度往往在零下二十多度，通过播撒碳粉，碳粉由于密度小，质量轻，可以在空间中漂浮较长时间，碳粉在空中吸收太阳辐射发热，给6000——8000米的高空加热，可以让高空温度上升到0度左右，这个温度区间恰恰是云层存在的温度区间。根据根据克拉伯龙方程（PV=nRt）的近似计算（P=ơRt）（ơ为密度），温度升高，体积增大，压强也增加。此时就会形成区域空气对流，从而引流空气。引流从积雨云的上部开始，由于积雨云的锋面往往在1500——4500米高度，所以其5500——7500米高度水汽少，云雾少，通过在此云层上面偏北6000——8000米的高空播撒碳粉形成高压区，那么它向外侧输送空气，吸引下层大气向上移动，进入该空间。从而减少锋面的水汽量，减少降雨，减小洪灾。乌云迁移不可能一下子就迁移几百公里，因为一旦形成高空高压，空气是向四周逸散的，其结果是很快失去气压梯度力，这个高压消失的时候乌云不一定跟进。所以每次作业能够让乌云移动50公里也是很大的奇迹了。等到乌云向北移动几十公里，从1500米到7500高空都布满了乌云，可以再次飞播碳粉，实施第二次迁移，再次向北迁移50公里。这样可以逐步实现千里大迁移，把水汽引向北方干旱区。我相信这个是一定能够实现的。但是具体效果还是需要试验证明。当使用碳粉把乌云迁移到目的地上空以后，可以使用液氮实施降雨。这两个方法相辅相成，间隔使用，相信效果一定很好。

影响气压的方法主要是把大气空间分为几个层次，底层（1000米——2000米）、低层（2000米——3000米）、中层（3000米——4000米）、较高层（4000米——5000米）、高层（5000米——6000米）、超高层（6000米——8000米）。通过在不同的空间播撒碳粉来控制该地区和相邻地区空间的气压，从而引导大气和水汽向着我们需要的方向移动。这种播撒需要的碳粉数量巨大，但是比液氮的数量小，大约每平方公里每次5吨左右，它的作用时间可以达到5天时间以上。影响降雨分布的方法主要是播撒液氮法。一般来说如果要大规模干预乌云和降雨，需要的量很大，每平方公里需要50吨液氮，当然效果很好。一个中等县域需要准备大约10000——50000吨液氮。也需要准备大约10架液氮播撒飞机，这是必要的，是现代化的必然结果。

第六节，人工干预大气的技术可能性和经济可能性探讨

目前，我国的南闹北旱给我国带来的经济损失每年都超过几千亿，相对而言，这个工程的成本大概只有几亿元。成效是很大的。现在分析一下它的成本和效益。制造液氮的设备主要是从空气中冷却而来，人们把这种技术叫“深冷空分”技术，深冷空分就是将气体利用低温蒸馏凝结成液体，根据蒸发温度的不同将空气分离成若干气体，在上塔顶部获得产品氮气，在上塔底部获得产品氧气。而若是厂家想提取液氮和液氧也可从中提取。主要由空气过滤器、空气压缩系统、空气预冷系统、空分塔、膨胀器等组成。普通的制造液氮的设备有正流膨胀制氮、反流膨胀制氮两种设备，杭州盛尔空分设备有限公司的SDN-600型深冷空分设备制造成套设备-196℃液氮液氧气体装置的售价是141万元，杭州阿自倍尔科技有限公司XSN系列液氮设备液氮产量4~40L/h，售价100万元。制造液氮能力更强的，每小时处理空气3500立方的设备售价999万元。因此可以看出，目前液氮生产工艺已经基本成熟，液氮生产厂的投资是各个地方都能够承受的。对于大规模液氮的储存，可以参考LNG储存技术，目前大型LNG运输船可以运输上万吨，而我们气象上需要的液氮储存量也就是几千吨，只是分布较为广泛，数量较多而已，其技术也是成熟的。对于液氮运输机的制造是世界性前沿技术，目前需要公关，如何加载，如何在飞机上安装液氮罐，如何播撒，每分钟播撒量如何控制，如何防止飞机液氮罐过热，如何防止液氮罐过冷结冰，如何除冰等等都需要研究，成为一整套技术，生产一系列设备，装备急需地区，组建操作团队。所以说，实现人工大规模干预天气的关键是设备，是大型装备的生产和应用。

第七节，人工干预大气的技术总结

    目前我国建成各类水库9.8万座、修建河流堤防43万公里、设立国家蓄滞洪区98处，地面水利设施比较齐全。2013年到2022年，中国洪涝灾害年均损失占国内生产总值的比例，由上一个10年的0.55%下降到0.27%。2022年国内生产总值1210207亿元，2022年中国洪涝灾害年损失为3267亿元。而干旱损失无人统计，无法统计。因此我们很有必要进行大规模的人工干预大气降雨。

我们认为大规模人工干预大气的作用主要有以下几个，第一人工增加降雨，第二，人工减少降雨，减少洪灾，第三，人工乌云水汽迁移，第四人工增加减小大气压。为了达到以上目的，我们主要使用碳粉、液氮、氯化钙等物质，在1000米到7000米高度的不同高度播撒数量巨大的液氮、碳粉、氯化钙，以便于改变不同高度大气的温度和压强，从而驱动大气运动。需要的液氮数量以万吨计算，需要的碳粉和氯化钙以千吨计算。我们在播撒这些大气干预物质的时候会选择天气、气团、地形、时间等等有利于实现目的的自然条件进行，辅助以卫星云图，计算机大数据，各地的气压条件图，各地的降雨历史情况等等综合因素，决定人工干预的规模，需要材料的数量。

为了每个地方都能够干预大气，在水汽气团经过的地方应该每间隔100公里左右就建立一个人工干预天气站，每一个地级市的飞机场都应该建立一个专用飞机停泊专区，一定要让相邻两地的人工干预区域相互衔接。只有比较完整地覆盖才能实现大规模人工干预天气的目的，实现南无洪灾北舞旱灾的理想。

    以上分析推理是否妥当，需要实证。