การก่อตัวของเมฆ: ทำไมนักวิทยาศาสตร์จึงพยายามทำให้หิมะ

น้ำเป็นทรัพยากรที่มีค่าซึ่งส่งผลกระทบต่อเกือบทุกด้านของชีวิตบนโลก นอกจากนี้ยังมีข้อ จำกัด ดังนั้นผู้คนจึงใช้วิธีการที่หลากหลายเพื่อให้แน่ใจว่าอุปทานตรงตามความต้องการ

หนึ่งในเทคนิคดังกล่าวคือการสร้างคลาวด์ - เพิ่มอนุภาคสู่ชั้นบรรยากาศเพื่อส่งเสริมการก่อตัวของฝนหรือหิมะ ทุกวันนี้มีหน่วยงานหลายแห่งในภาคตะวันตกรวมถึงหน่วยงานของรัฐและท้องถิ่นสาธารณูปโภคและพื้นที่เล่นสกี - มีเมฆมากในความพยายามที่จะเพิ่มปริมาณหิมะในฤดูหนาวบนภูเขา สโนว์แพ็คมากขึ้นหมายถึงการไหลบ่าในฤดูใบไม้ผลิและฤดูร้อนที่มากขึ้นซึ่งป้อนน้ำประปาในท้องถิ่นชลประทานพืชและเขื่อนเชื้อเพลิงที่สร้างพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ

การเพาะเมล็ดเมฆยังถูกนำไปใช้ในการกระจายหมอกที่สนามบินเพิ่มปริมาณน้ำฝนในฤดูร้อนและลดลูกเห็บ ในความเป็นจริงการก่อตัวของเมฆเกิดขึ้นในกว่า 50 ประเทศทั่วโลก ถึงแม้จะมีกิจกรรมทั้งหมดนี้ แต่เราก็ยังไม่รู้ว่าใช้งานได้หรือไม่

เราเป็นนักวิทยาศาสตร์ด้านบรรยากาศและเพิ่งทำการศึกษาภาคสนามเพื่อประเมินการเพาะของเมฆเพื่อเป็นวิธีเพิ่มสโนว์แพ็คจากพายุฤดูหนาว ผลลัพธ์ของเราแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าอย่างน้อยภายใต้เงื่อนไขบางประการมันเป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนวิวัฒนาการและการเติบโตของอนุภาคเมฆซึ่งนำไปสู่หิมะที่ไม่เช่นนั้นจะไม่เกิดขึ้น คำถามต่อไปคือการสร้างคลาวด์สามารถเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสำหรับผู้จัดการน้ำในสหรัฐอเมริกาตะวันตกได้หรือไม่

การสร้างผลึกภายในคลาวด์

เมฆประกอบด้วยหยดน้ำที่เล็กเกินกว่าจะตกลงมาเป็นฝน หยดน้ำเหล่านี้มักจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง - ต่ำสุดที่ 0 องศาฟาเรนไฮต์ (ลบ 18 องศาเซลเซียส) หรือเย็นกว่า ในหลายสถานการณ์ผลึกน้ำแข็ง (ซึ่งสามารถเติบโตอย่างรวดเร็วในที่ที่มีของเหลว supercooled) จะต้องนำเสนอสำหรับเมฆในการผลิตจำนวนมากของการเร่งรัด สำหรับเมฆที่มีรูปร่างเหมือนอากาศถูกยกขึ้นเหนือภูเขาหากไม่มีผลึกน้ำแข็งหรือมีน้อยเกินไปมีก้อนน้ำจำนวนมากที่ประกอบกันเป็นก้อนเมฆที่ระเหยออกทางด้านใต้ของภูเขา

การเพาะเมฆในฤดูหนาวตั้งอยู่บนสมมุติฐานว่าเมื่อมีน้ำเย็นมากอยู่ในก้อนเมฆมันสามารถแก้ไขได้โดยการแนะนำอนุภาคที่ทำหน้าที่เป็นนิวเคลียสของน้ำแข็งเทียม กระบวนการนี้สร้างผลึกน้ำแข็งที่จะใช้ประโยชน์จากน้ำเย็นพิเศษเพื่อให้มีขนาดใหญ่พอที่ในที่สุดพวกเขาจะตกลงสู่พื้นผิวเหมือนหิมะ

การก่อตัวของเมฆถูกบุกเบิกโดยนักวิทยาศาสตร์ชั้นบรรยากาศ Bernard Vonnegut น้องชายของ Kurt Vonnegut นักประพันธ์ชื่อดัง ในปี 1947 แล็บของวอนเนเกิตแสดงให้เห็นว่าซิลเวอร์ไอโอไดด์นั้นเป็นนิวเคลียสน้ำแข็งที่มีประสิทธิภาพซึ่งสามารถก่อตัวเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิอุ่นกว่านิวเคลียสน้ำแข็งที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ

ในอีก 40 ปีข้างหน้านักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาการสร้างคลาวด์ทำการค้นพบที่สำคัญเกี่ยวกับฟิสิกส์คลาวด์เกือบทุกด้าน แม้จะมีสิ่งนี้ในปี 2003 สภาวิจัยแห่งชาติได้ข้อสรุปว่า“ ยังคงไม่มีข้อพิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์ที่น่าเชื่อถือเกี่ยวกับประสิทธิภาพของความพยายามในการดัดแปลงสภาพอากาศโดยเจตนา” อย่างไรก็ตามรัฐและชุมชนต่างๆ หยุด.

เส้นทางสู่ SNOWIE

เหตุใดโปรแกรมเหล่านี้จึงไม่มีอยู่โดยไม่มีหลักฐานทางวิทยาศาสตร์ว่าใช้งานได้ คำตอบนั้นง่าย: รัฐทางตะวันตกต้องการน้ำและผู้มีอำนาจตัดสินใจหลายคนเชื่อว่าการเพาะเมล็ดเมฆอาจเป็นวิธีที่ประหยัดต้นทุนในการผลิต

2547 ในรัฐไวโอมิงรับหน้าที่โครงการนำร่องซึ่งมาถึงข้อสรุปเช่นเดียวกับการศึกษาก่อนหน้านี้จำนวนมาก: การเพาะเมฆอาจเพิ่มปริมาณน้ำฝน แต่การเพิ่มขึ้นอาจอธิบายได้ด้วยความแปรปรวนตามธรรมชาติในระบบพายุ อย่างไรก็ตามโครงการน้องสาวที่ได้รับทุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติได้แสดงให้เห็นว่าเครื่องมือสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ใหม่และเครื่องมือที่ปรับปรุงแล้วสามารถสร้างความเข้าใจใหม่ ๆ ได้

ในขณะเดียวกัน บริษัท ไอดาโฮพาวเวอร์กำลังทำงานร่วมกับศูนย์วิจัยบรรยากาศแห่งชาติเพื่อประเมินโปรแกรมการทำงานของระบบคลาวด์ในการดำเนินงานอย่างต่อเนื่องของ บริษัท จากความร่วมมือนี้ทำให้เกิดแนวคิดในการใช้เครื่องมือสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ใหม่และปรับปรุงเครื่องมือเพื่อประเมินประสิทธิภาพของโปรแกรม seeding ระบบคลาวด์ของ Idaho Power ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดคือโครงการเมฆฤดูหนาวของเราที่ได้รับการเพาะเมล็ดและเป็นธรรมชาติ: การทดลองไอดาโฮหรือ SNOWIE

จากซิลเวอร์ไอโอไดด์ถึงหิมะ

ในช่วงฤดูหนาวปี 2560 เรามีอาวุธด้วยเรดาร์ที่มีความซับซ้อนเช่น Doppler on Wheels (DOWs) ซึ่งเราวางตำแหน่งที่ที่ยอดเขาและเรดาร์เมฆไวโอมิง (WCR) ซึ่งเราติดตั้งบนเครื่องบินวิจัย เครื่องมือเหล่านี้ทำให้เราสามารถมองเข้าไปในกลุ่มเมฆเพื่อกำหนดตำแหน่งและเวลาที่เกิดการพัฒนา

หลังจากที่เมฆถูกสร้างด้วยอนุภาคไอโอไดด์สีเงินเราใช้โพรบถ่ายภาพที่แขวนมาจากปีกของเครื่องบินวิจัยเพื่อตรวจสอบรายละเอียดที่ละเอียดของอนุภาคเมฆขณะที่เครื่องบินผ่านเข้าและออกจากพื้นที่เพาะเมล็ด เพียงสองสัปดาห์ในโครงการภาคสนามของเราเป็นเวลา 10 สัปดาห์เรดาร์ของเราตรวจจับสัญญาณที่ไม่อาจปฏิเสธได้ครั้งแรกที่เกิดจากการเพาะของเมฆ

เราเห็นสัญญาณที่ชัดเจนและชัดเจนว่าการปล่อยอนุภาคไอโอไดด์สีเงินออกมาเริ่มก่อตัวเป็นผลึกน้ำแข็งและผลึกเหล่านี้เติบโตเป็นหิมะและตกลงสู่พื้นผิวของภูเขา ภายในพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากการเพาะความเข้มข้นของผลึกน้ำแข็งเพิ่มขึ้นเป็นร้อย ๆ ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของหิมะ ในทางตรงกันข้ามห่างออกไปเพียง 1 กิโลเมตรในบริเวณที่ไม่มีเมล็ดเมฆเมฆยังคงประกอบด้วยหยดของเหลวขนาดเล็กส่วนใหญ่และส่วนใหญ่ไร้น้ำแข็ง

เราจะบอกได้อย่างไรว่าสิ่งที่เราเห็นนั้นเกิดขึ้นจริงจากการเพาะของเมฆ ในกรณีหนึ่งเครื่องบินผ่านไปมาเป็นเส้นตรงซึ่งตั้งฉากกับทิศทางลมปล่อยไอโอไดด์สีเงิน ซิลเวอร์ไอโอไดด์เริ่มกระจายไปตามลมในเมฆในรูปแบบซิกแซกซึ่งเป็นลวดลายที่สร้างโดยรูปแบบการบินของเครื่องบินและจะไม่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ เราเห็นก้องเรดาร์ก่อตัวในรูปแบบซิกแซกซึ่งตรงกับคำทำนายของเราตามเวลาและสถานที่ที่ไอโอไดด์สีเงินถูกปล่อยออกมาในก้อนเมฆ

การสร้างคลาวด์สามารถสร้างความแตกต่างได้หรือไม่?

ตอนนี้เรารู้แล้วว่าการเพาะของก้อนเมฆสามารถนำไปสู่หิมะตกเราต้องการดูว่ามันสามารถเปลี่ยนความสมดุลของน้ำทั่วทั้งภูเขาหรือไม่ ข้อมูลจาก SNOWIE จะถูกนำไปใช้ในแบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อทดสอบความคิดของเราว่าวิธีการเพาะเมฆอาจมีผลต่อปริมาณหิมะตามฤดูกาลและผลกระทบเชิงปริมาณ ในที่สุดผู้จัดการน้ำและเจ้าหน้าที่ของรัฐจะต้องการทราบว่าปริมาณน้ำฝนเพิ่มเติมสามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากการก่อตัวของเมฆและไม่ว่าจะเป็นวิธีที่ประหยัดต้นทุนในการเพิ่มปริมาณน้ำฝนในแหล่งต้นน้ำท้องถิ่น

Robert M. Rauber จากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์, Katja Friedrich แห่งมหาวิทยาลัยโคโลราโด, Bart Geerts ของมหาวิทยาลัยไวโอมิง, Roy Rasmussen และ Lulin Xue จากศูนย์การวิจัยบรรยากาศแห่งชาติและ Mel Kunkel และ Derek Blestrud แห่ง Idaho Power Company เข้าร่วมในการศึกษา SNOWIE ที่กล่าวถึงในบทความนี้

บทความนี้ถูกตีพิมพ์ครั้งแรกใน The Conversation โดย Jeffrey French และ Sarah Tessendorf อ่านบทความต้นฉบับที่นี่