Как управляют погодой?
В современной метеорологической практике для стимулирования осадков применяют разные типы реагентов: иодид серебра, низкотемпературные агенты (жидкий азот, сухой лед), а также гигроскопические материалы, включая хлориды натрия, кальция, карбамид, цемент и другие соединения.
Все эти методы отличаются по эффективности и условиям, в которых их можно применять. Принцип работы везде одинаковый: если в регионе недостаточно влаги, вещества распыляют над этой территорией, чтобы стимулировать облака отдать накопленную воду. Если же нужно разогнать облака, реагенты распыляют с подступов к ним. В результате искусственный дождь или снег выпадает на некотором расстоянии, освобождая небо в нужном месте.
Но у каждого метода есть минусы. Низкотемпературные агенты, такие как жидкий азот и сухой лед, требуют криогенного оборудования, а их использование отличается сложной логистикой, ограничениями хранения и транспортировки. Гигроскопические реагенты способны стимулировать конденсацию влаги, но часто требуют значительного расхода материала, а при несоблюдении регламентов — создают риски засаливания или загрязнения территории.
Чаще всего для распыления используют самолеты, в горных районах — наземные установки (генераторы сжигают состав с йодидом серебра, а естественные воздушные потоки, поднимаясь по склонам гор, уносят реагент вверх, прямо в облака), а иногда могут применять даже специальные ракеты. Но в последние годы ученые по всему миру пытаются адаптировать под эти задачи дроны. И Россия — не исключение.
«Применение беспилотников становится главным трендом в метеорологии. Они заменяют дорогую пилотируемую авиацию, исключая риск для жизни пилотов, которым раньше приходилось летать в условиях экстремальной турбулентности и критического обледенения», — рассказал «Газете.Ru» заместитель директора по науке Института технической химии УрО РАН, д.т.н., профессор Виктор Вальцифер.
Российские ученые не только смогли адаптировать тяжелые БПЛА самолетного типа для этих целей, но и преодолели все сложности использования реагентов.
Ученые института технической химии УрО РАН разработали химический реагент для создания искусственных осадков. Новый реагент — это неорганический композит, тонкодисперсный гибридный порошковый материал, частица которого представляет собой инертную матрицу с высокоразвитой поверхностью, модифицированную кристаллами иодида серебра.
«Подходы к активному воздействию на облачность с применением соединений серебра известны давно, в том числе со времен советских исследований. Новизна нашей разработки не в самой идее использования иодида серебра, а в форме реагента и способе повышения его эффективности. Классические технологии в основном опирались на реагенты на основе иодида серебра, вводимые в облачную систему с помощью пиропатронов. На транспортный самолет по бокам фюзеляжа устанавливают устройства для отстрела пиропатронов с йодистым серебром. В нашей разработке активный компонент включен в гибридный неорганический композит. Такая структура позволяет реализовать сразу два механизма воздействия на атмосферную влагу: льдообразование за счет иодида серебра и сорбционно-конденсационный механизм за счет развитой неорганической матрицы. Реагент размещается в корпусе генератора. Задача генератора не создать порошок в чистом виде, а распылять его мелкими частицами», — отметил Вальцифер.
За счет перехода к композитной форме можно снизить расход активного серебросодержащего компонента, повысить устойчивость реагента к внешним факторам и обеспечить более равномерное распыление при применении с БПЛА. Кроме того, такая технология лучше подходит для точечного воздействия на облачность и последующего экологического контроля. Поэтому отличие от прежних подходов заключается не просто в новом составе, а в создании более управляемой, экономичной и экологически контролируемой системы активного воздействия на осадки.
«Наше решение объединяет преимущества нескольких подходов в одном гибридном осадкообразующем композите. В его составе иодид серебра отвечает за инициирование кристаллизации переохлажденной влаги, а высокоразвитая неорганическая матрица способствует сорбции и конденсации атмосферной влаги. За счет этого реагент работает как комплексная функциональная система, рассчитанная на повышение эффективности осадкообразования. Таким образом, ключевая выгода нашего решения заключается в сочетании эффективности, управляемости и практической применимости. Реагент может распыляться с помощью БПЛА, не требует тяжелой авиационной или криогенной инфраструктуры, позволяет точнее работать в выбранной зоне воздействия и снижает материалоемкость операции. Это делает технологию перспективной для апробации на сельскохозяйственных территориях, где важны оперативность, экономическая целесообразность и экологический контроль», — заметила старший научный сотрудник Института технической химии УрО РАН, к.т.н. Анастасия Аверкина.
К тому же, российские средство просто работает быстрее: при распылении в облаке реагент в 2-2,5 раза активнее воздействует на влагу облака как в качественном, так и в количественном отношении, тем самым сокращая время начала осадкообразования до двух раз.
Зачем это нужно
Технология решает две ключевые задачи: принудительное увлажнение засушливых территорий и превентивная защита городских агломераций или земельных участков от затопления путем преждевременного осаждения влаги. Обычно такие технологии используют для тушения лесных пожаров, иногда — перед парадом Победы. Но, как рассказали ученые, применение разработки этим не ограничивается.
«Вариантов применения несколько. Первый пример: для зерновых культур в период кущения или налива колоса увеличение количества влаги на 1-2 мм может повысить урожайность на 10–15%. Если говорить о лесных пожарах, то, конечно, прибавки в 1–2 мм осадков недостаточно, чтобы мгновенно потушить бушующий верховой пожар. Но этого абсолютно достаточно, чтобы смочить лесную подстилку (траву, мох, хвою) на площади в сотни квадратных километров. В результате ее влажность вырастает выше критического порога воспламенения. Увлажнение территории вокруг пожара снижает скорость его распространения в 3–5 раз, позволяя наземным службам локализовать очаг.
Третий вариант использования — наполнение водохранилищ и ГЭС. Если засеять облака над всем горным или речным водосборным бассейном (площадью в тысячи кв. км), то прибавка в 2 мм осадков превращается в миллионы кубических метров воды, стекающих в реки. Это критически важно для работы гидроэлектростанций и пополнения запасов питьевой воды в засушливых регионах. И, наконец, последнее — экологическое регулирование и защита городов (Превентивное «выжимание» облаков). Засев тучи на подступах к крупному городу (за 50–100 км) позволяет пролить эти самые «дополнительные» миллиметры осадков над полями и лесами. В итоге в сам город облако приходит истощенным, что защищает мегаполис от перегрузки ливневых канализаций и затоплений», — объяснила Аверкина.
Есть один нюанс
Технология активного воздействия на облака, несмотря на свою внешнюю привлекательность, обладает значительными недостатками. Прежде всего, это серьезные экологические риски, связанные с основным реагентом — йодидом серебра. Несмотря на то, что его распыляют в малых объемах, это вещество относится ко второму классу опасности. В регионах, где реагент применяется на протяжении многих лет, наблюдается накопление токсинов в почве и воде.
«Наш реагент состоит из нескольких компонентов, и доля дорогостоящего металла уменьшена в 10-15 раз. Исследования показывают, что пористый диоксид кремния работает как ловушка. Даже если часть ионов серебра попытается высвободиться, кремниевое ядро частично абсорбирует и удерживает их внутри своей структуры, снижая токсичность для корней растений почти до нуля. В отличие от высоких концентраций чистого серебра, которые могут угнетать почвенные бактерии, ультранизкие дозы гибридного реагента могут потенциально стимулировать развитие азотфиксирующих и фосфатмобилизующих бактерий, полезных для растений», — отметила Аверкина.
Кроме того, существует проблема, известная как «воровство осадков». Избыточное засеивание облаков в одном регионе может теоретически привести к уменьшению водных ресурсов у его соседей. Да и далеко не все облака подходят для вызова дождя. Реагент может стимулировать выпадение влаги из подходящего облака, но он не способен создать облако в сухом безоблачном небе.
«Чтобы из облака пошел дождь, оно должно обладать достаточной вертикальной мощностью, содержать значительный запас влаги и находиться в подходящих температурных условиях. Во многих случаях эффективное осадкообразование связано с наличием как капель воды, так и ледяных кристаллов, особенно в переохлажденной и смешанной части облака. Большинство облаков на небе, особенно тонкие, высокие или недостаточно влажные, не дают заметных осадков и могут постепенно рассеиваться или испаряться. Остальные виды облаков могут давать осадки только при наличии необходимых микрофизических и метеорологических условий», — объяснил Вальцифер.
По словам ученых, кучево-дождевые облака могут быть перспективны для локального воздействия и усиления ливневых осадков, а слоисто-дождевые и высокослоистые системы — для более протяженного и продолжительного выпадения осадков. Поэтому решение о засеве принимается не по одному названию облака, а по результатам метеорологического анализа.
Можно ли создать дождь с удобрениями?
На этом ученые не останавливаются. Теоретически, они могут сделать дождь еще и полезным: некоторые вещества, которые применяются в сельском хозяйстве, обладают выраженными гигроскопическими свойствами, то есть способны притягивать и удерживать влагу. К таким веществам относится, например, карбамид. Поэтому подобные материалы могут рассматриваться не только как компоненты удобрений, но и как вещества, способные участвовать в процессах конденсации влаги.
«Однако превращать дождь в «удобрительный раствор» в прямом смысле было бы неправильно и небезопасно.
Для воздействия на облако требуются очень малые, точно рассчитанные количества реагента, а для агрохимического эффекта на поле нужны совсем другие дозировки. Если пытаться совместить эти две задачи, резко возрастут расход вещества, стоимость операции и экологические риски, поэтому такое применение технологии нужно тщательно обдумать. Поэтому в нашей разработке задача сформулирована иначе. Мы не пытаемся заменить удобрение дождем. Наша цель — создать осадкообразующий реагент, который помогает облаку эффективнее отдать влагу, но при этом вносится в минимально необходимом количестве и контролируется по экологическим показателям. В перспективе возможны гибридные материалы с дополнительными функциональными свойствами, но их применение потребует отдельной оценки безопасности, агрохимического эффекта и экологических последствий», — заключил Вальцифер.
