تحقیق در مورد باران های مصنوعی

 باران های مصنوعی

بحث باروری ابرها (Cloud Seeding) که بعنوان شاخه‌ای از علم تعدیل آب و هوا(Weather Modification) شناخته می‌شود، در بسیاری از کشورهای جهان مورد آزمایش قرار گرفته و تکنولوژی مذکور به عنوان یکی از راههای استحصال آب در بسیاری از کشورها، ( که بحران آب را در پیش‌ روی دارند) مطرح گردیده است  و هر ساله در فصول مناسب طبق برنامه‌ای منظم، اقدام به اجرای عملیات باروری می‌نمایند و در پایان دوره کاری، با استفاده از روشهای آماری و ریاضی، عملیات را مورد ارزیابی قرار می‌دهند و راندمان افزایش بارش را محاسبه می‌کنند.

تعریف

باروری ابرها نوعی رفتار هوشمندانه با ابرها و سیستمهای ابری در جهت افزایش بارش در ابرهایی است که فرایندهای بارش در داخل آنها در حال شکل‌گیری و اجرا است. به عبارت دیگر تولید باران با استفاده از هرعمل مصنوعی که با تحریک و تغییر در فرآیندهای درونی ابر همراه‌است، باروری ابر نامیده می‌شود.معمولاً باروری ابرها با اضافه‌کردن موادی خاص به‌نام عامل‌های باروری انجام می‌شود.

فرآیند باروری ابرها

برای ایجاد باران مصنوعی باید عوامل ابر، رطوبت، دما و سایر شرایط جوی فراهم باشد. به هر حال با انجام باروری منظم ابرها، مقدار بارش را می‌توان به میزان 5 تا 25 درصد افزایش داد. می‌دانیم مقدار بخار آب موجود در جو، در یک حجم مشخص با بالا رفتن دما افزایش می یابد. رطوبت نسبی یکی از معیارهای اندازه گیری بخار آب است.

 رطوبت نسبی: درصدی از بخار آب موجود در هوا در مقایسه با بیشترین مقدار بخار آبی است که هوا می تواند در خود نگاه دارد. به عنوان مثال ، اگر دمای مجاور سطح زمین 25 درجه سانتی گراد و تراکم بخار آب نصف بیشترین مقدار موجود در آن درجه حرارت باشد، رطوبت نسبی 50 درصد خواهد بود.

وقتی حجم هوایی با مشخصات فوق سرد می شود، با صعود به ناحیه فشار هوای کمتر رطوبت نسبی افزایش می یابد. ضمن این که تراکم نسبی بخار آب و هوای خشک ثابت می ماند. در این حالت ، اگر دما به 12-16 درجه سانتی گراد برسد، رطوبت نسبی به صددرصد خواهد رسید که در این حالت می گوییم هوا اشباع شده است.
اگر سرد شدن ادامه یابد، میزان بخار اضافه به میزان مورد نیاز برای حفظ حالت اشباع به قطرات ابر تبدیل می شوند. قطرات ابر در اطراف هسته های میعان ابر به وجود می آید. ذرات هوا و نیز میکروسکوپی معلق در جو همیشه وجود دارند، آنهایی که نسبتا بزرگ و جاذبه الرطوبه هستند، به عنوان هسته های میعان ابر، مناسب تر هستند. از آنجایی که جو حاوی هسته های میعان زیادی است ، بنابراین بیشتر ابرها از قطرک های کوچک با تراکم زیاد تشکیل شده اند.

اهداف

    مهم‌ترین هدف برای باروری ابرها، افزایش میزان بارش.

    جلوگیری از بروز بلایای طبیعی از قبیل سیل، تگرگ، رعد وبرق: توسط باروری ابر با هسته یخ می‌توان قبل از اینکه ابر به تگرگ تبدیل شود آن را به آب تغییر شکل داد و تا حدی از این طریق زیان حاصله از تگرگ را از بین برد.

    باروری ابرها برای کاهش ظهور برق که باعث آتش‌زدن جنگلها می‌شود نیز مناسب است. در این حالت با تبدیل سریع ابرهای رعد و برق‌دار به ابرهایی با بلورهای یخ، برق را کاهش می‌دهند و این عمل به علت مکانیسم بار آنها و یا به سبب رشد کامل ابرهای کومولونیمبوس محدود می‌شود.

    زدودن مه مزاحم:  در جهان تعدیل مه برای بهبود بخشیدن به عملیاتی که در بسیاری از فرودگاه ها صورت می گیرد، کاربرد دارد. بارورسازی مه ابرسرد یا یک استراتوس یکی از کاربردهای فناوری تعدیل آب و هواست که تاثیر آن به طور واضح و آشکار نشان داده می شوند. هواپیماهای سبک بیشتر برای پرواز بالای مه فرستاده می شوند و قرص های یخ خشک را روی مه رها می کنند. در نتیجه بلورهای یخ رشد می کنند و طی 10 تا 15 دقیقه تبدیل به برف سبک شده و فرو می ریزند. بارش برف وضوح موقتی ایجاد می کند که می تواند روی باند فرودگاه تاثیر بگذارد.

    تولید برف در ارتفاعات:از عملیات باروری ابر می‌توان برای ایجاد برف در سرشاخه‌های حوضه‌های آبریز استفاده نمود. به علاوه تجدید حیات منابع طبیعی اعم از مراتع و بوته‌زارها و جنگلها امکان‌پذیر خواهد شد و مهمترین مزیت آن علاوه بر تغذیه مصنوعی آبها زیرزمینی از طریق سدها و بندها این است که یکی از جدیدترین روشهای استحصال آب می‌باشد.

    انتقال زمانی و مکانی بارش،

    تعدیل آب وهوا،

روش‌ها

در باروری مصنوعی ابر، عامل بارورکننده برحسب دمای ابر تفاوت دارد. بارورسازی با استفاده از هسته های میعانی بزرگ مانند ذرات جاذبه الرطوبه ، مواد نمکی متداول و کپسول های اوره ، فرآیند بارش ابر گرم را تسریع می کند. بارورسازی با استفاده از هسته یخ مانند ذرات یدورنقره ، یا با استفاده از ذرات یخ ابرها یا مواد بسیار خنک کننده مانند قرص های یخ خشک یا پروپان مایع می تواتند کارایی فرآیند بارش «ابرسرد» در برخی از ابرها را افزایش دهد.

 مهم‌ترین ماده درعملیات باروری ابرها، یدور نقره است. که پاشیدن آن در دل ابرها، باعث انجماد آب فوق سرد در دمای 4- درجه سانتی گراد می شود. یدور نقره توسط ژنراتورهای دودی و یا از هواپیما پاشیده می شود و بنابراین بعنوان عامل باروری در ابرهای فوق سرد بکار می رود. عملیات باروری ابرها و مقادیر بزرگ در بعضی مناطق توسط این عامل انجام شده است.

یدور نقره (AgI): ترکیب نامحلول زرد رنگ و نامحلولتر از AgBr است و برای اصلاح وضعیت ابرها به منظور بارندگی (Cloud Seading) و در عکاسی کاربرد دارد.

        دو روند اصلی برای بارش از ابرها به نام روند باران گرم و روند باران سرد وجود دارد:

    روند باران گرم:بعد از اینکه دانشمندان متوجه شدند که در مناطق حاره ، باران از ابرهایی بارش می‌کند که هرگز دمای آنها زیر صفر نیست آن را باران گرم نامیدند. در این ابرها قطرات درشت آب که ابر را تشکیل می‌دهند در برخورد با قطرات کوچک ، آنها را جذب  و به این ترتیب شروع به بارش می‌کنند.                                           

    روند باران سرد: زمانی که دمای ابر یا قسمتی از آن پایین‌تر از صفر باشد،  بلورهای یخ با جذب رطوبت اطراف خود سریعا شروع به رشد می‌کنند تا اینکه وزن زیاد باعث فرود آنها می‌شود. این بلورها هنگام فرود اگر از مکانهای گرم بگذرند به باران تبدیل و در غیر این صورت به صورت برف فرود می‌آیند.                                            

برای باروری ابر از دوروش هوایی و زمینی استفاده می‌شود:

روش هوایی: بیشتر مناسب برای فصل تابستان است که به سه طریق باروری در پایه ابر، باروری درون ابر و باروری تاج ابر صورت می‌گیرد. در روش هوایی، مواد لازم برای تولید هسته‌های میعان را با استفاده از هواپیما به ابر تزریق می‌کنند. بعد از شلیک گلوله حامل یدید نقره توسط هواپیما یا راکت به داخل ابر، حدود ۴۵ دقیقه بعد، ابر شروع به باریدن می کند. این مدت، زمانی است که ابر از مکانی که برای باریدن در نظر گرفته شده، فاصله می‌گیرد. برای همین مکان تزریق این مواد باید به دقت انتخاب شود تا با محل مورد نیاز باران، درلحظه بارش تطبیق پیداکند.

روش زمینی : در مناطق کوهستانی، درفصل زمستان هم می‌توان از روش باروری زمینی استفاده کرد. هوای مرطوب، موقع صعود از کوه‌ها سرد می‌شود و ابرها تشکیل می‌شوند. اینها، ابرهای کوهساری هستند. اگر این روند را بطور طبیعی به حال خود بگذاریم خیلی از این ابرها توانایی تولید باران را ندارند و بیش از 90% از رطوبت خود را در جو به جای می‌گذارند.بارورسازی این نوع ابرها با استفاده رها سازی هسته های یدور نقره توسط ژنراتورهای زمینی ، باعث افزایش کارایی بارندگی می‌شود. زمان تأثیر مواد باروری 20 تا 40 دقیقه بعد از تزریق است و باتوجه به سرعت و حرکت ابر، در فاصله حدود 50-40 کیلومتری محل تزریق اثرات بارورسازی نمایان می‌شود.

این روش ها هرکدام دارای مزایا ومعایبی می باشند :

هواپیما دارای مزیت امکان حمل مواد مورد استفاده و پاشیدن آن دقیقاً در محل انتخاب شده می‌باشد ولی چون فقط زمان بسیار کوتاهی در محل مورد نظر قرار می‌گیرد و به سرعت از آن دور می‌شود برای اجرای یکسری عملیات که دارای بازده اقتصادی قابل توجه باشد؛ بسیار گران تمام می‌شود. ضمناً برای انجام عملیات، چندین هواپیما باید شب و روز در پرواز باشند که علاوه بر خطرات ناشی از ابرهای رعد و برق‌دار؛ خطر پرواز بر نواحی کوهستانی به (ویژه در زمان عدم امکان دید) نیز وجود دارد و دیگر اینکه با هواپیما فقط می‌توان یخ خشک را به عنوان عامل هسته‌بندی به ابر رساند. بدین ترتیب استفاده از هواپیما فقط در موارد آزمایشی مقرون به صرف خواهد بود.

با توجه به موارد گفته شده و شعاع عملکرد و ظرفیت کم بالن‌ها و موشکها؛ ظاهراً ژنراتورها نسبت به سایرین برتری دارند گر چه دارای محدویت‌هایی نیز می‌باشند بدین صورت که برای رساندن هسته‌های رها شده از ژنراتورها (یدور نقره) به داخل ابر؛ باید جریانات صعودی طبیعی از پایین به بالا در ابرها وجود داشته باشد. بدین ترتیب زمان و جهت خروج یدور نقره از ژنراتورها باید به طور دقیق پیش‌بینی شود. با کمک جریانهای عمودی که همیشه به موازات نمو و توسعه ابرهای بزرگ هستند همانند (ابرهای کومولوس) هسته‌های اکتیو یدور نقره را باید در مناسبترین مکانها قرار داد.

مطمئن‌ترین و با صرفه‌ترین راه برای بدست آوردن حداکثر نتیجه از اقدامات تولید ریزش جوی، تأسیس اداره مرکزی عملیات است که دائماً باید از تحولات هواشناسی مطلع باشند و در زمان مناسب عمل تلقیح را انجام دهند. در اجرای عملیات باروری جهت رسیدن به نتایج قانع کننده قطعی که لازمه آن اجرای کامل عملیات طی یک دوره زمانی مناسب می‌باشد باید از سه موضوع مهم زیر کمک گرفت:

    متخصصین مجرب

    اعتبارات مالی مورد نیاز

    مدت زمان کافی که در نتیجه نهائی کار بسیاز مؤثر می‌باشند.

 در ایران از دو روش برای بارورکردن ابرها استفاده می‌شود که یکی روش باروری قله ابر و دیگری باروری درون ابر است. برای باروری قله ابر از گلوله‌های پرتابی یدور نقره استفاده می‌شود. چون هنگام اجرای عملیات، می‌توان ابر و محل مناسب آن را دید و عامل باروری، سریع‌تر و با دقت بیشتر به ابر تزریق می‌شود. روش دیگر در کشورمان، تزریق افقی نیتروژن مایع است. گلوله‌های یدور نقره پرتابی، هسته‌های یخی مصنوعی را وارد منطقه فوق سرد ابری می کنند و نیتروژن مایع با ایجاد سرمایش شدید در ابر، از بخار آب وآب فوق سرد هسته‌های یخی تولید می‌کند.

تاریخچه باروری ابرها در جهان

 مطالعات مربوط به تحریک ابرها و ایجاد باران مصنوعی در دهه اول قرن حاضر شروع شده و کم‌کم مورد توجه کشورها قرار گرفته است درسالهای 1932 دانشمندان روسی در مؤسسه باران مصنوعی در جهت کشف راهی برای تعدیل مصنوعی آب و هوا سرگرم تحقیق و بررسی بودند در سال 1933 T.Bergeron مشخص کرد که وجود بلورهای یخ و قطرات کوچک بسیار سرد آب، یکی از عوامل اصلی تشکیل باران است. بدین منظور آقای Findeisen در آلمان در ابرهای بسیار سرد پودر یخ پاشید و ملاحظه کرد ابرها به باران و برف مصنوعی تبدیل می‌شوند.  در سال 1946 یک دانشمند آمریکایی بنام شفر (Vincent j. Schaefer) در آزمایشگاه جنرال الکتریک به صورت تصادفی پی برد یخ خشک می‌تواند قطره‌های آب ابر سرد (قطره‌های آب مایع با دمای زیر صفر درجه سانتی‌گراد) را به کریستالهای یخ تبدیل کند. نامبرده در آزمایشی, در حدود 5/1 کیلوگرم یخ خشک را توسط هواپیما در داخل ابرهای استراتوکومولوس تزریق کرد. در این آزمایش، شفر بعد از حدود پنج دقیقه بارش برف در زیر ابر را مشاهده نمود.      البته قبل از شفر در سال 1942 یک دانشمند آلمانی بنام فندایزن (Findesen) نیز آزمایش مشابهی را توسط هواپیما انجام داده بود. او بجای یخ خشک از شن و ماسه استفاده کرد اما نتیجه کار او مانند آزمایش شفر موفقیت‌آمیز نبود. پس از مدتی دانشمندی به نام Vonnegut متوجه شد که ذرات یدور سرب نیز می‌تواند در ابرها عمل تحریک مصنوعی نظیر عمل یخ خشک را انجام دهد ولی همه اینها عموماً به نتیجه مثبتی نرسیدند. سپس Longmuir از اکتشافات شفر و عده زیادی از دانشمندان و مؤسسات جهت مهار کردن رطوبت هوا استفاده کرد به این ترتیب شفر و دیگران، آزمایشهای خود را ادامه دادند و در حدود سالهای 1950 باروری ابرها بصورت یک فن‌آوری آغاز شد و به این ترتیب بشر توانست همانند سایر زمینه‌های زندگی خود، به یکی دیگر از رویاهایش جامه عمل بپوشاند. رویایی که بعضاً در گذشته، با استفاده از روشهای غیر علمی و یا خرافی سعی در اجرای آن داشت. از آن تاریخ تاکنون پروژه‌های باروری ابرها در بسیاری از کشورهای جهان اجرا شده است.

 تاریخچه باروری ابر ها در ایران

پس از محمد بن زکریای رازی، ابن سینا، خیام، ابوریحان بیرونی و انوری که آثاری در زمینه مسائل جوی از خود به یادگار گذاشته اند؛ فعالیت های منظم هواشناسی اولین بار با اندازه گیری عناصر جوی توسط سفارتخانه های انگلیس و روس در تهران و مناطق نفت خیز جنوب آغاز شد در سال ۱۲۹۸ نیز تدریس هواشناسی به عنوان یک واحد درسی در مدرسه برزگران کرج شروع و در همان محل اولین سکوی هواشناسی برای اندازه گیری دمای هوا، میزان بارش و رطوبت احداث و ۱۰ سال بعد کامل شد.
 نخستین بار، در سال 1353 طرح باروری ابرها توسط وزارت نیرو برای افزایش ذخیره آبی سدهای لتیان و کرج،  به‌وسیله یک شرکت کانادایی و با استفاده از 30 دستگاه ژنراتور زمینی تصعید یدور نقره و یک هواپیما اجرا شد. در سال 1367، تجهیزات به‌جا مانده از طرح جاجرود و کرج به یزد منتقل شد و سپس در سال‌های 69 تا 75 عملیات باروری ابرها با استفاده از ژنراتور زمینی در ارتفاعات شیرکوه یزد اجرا شد. در هر عملیات باروری از مقدار ناچیزی یدورنقره استفاده می‌شود و تحقیقات در دنیا، هیچ گونه عوارض زیست محیطی را نشان نداده‌است. در روش نیتروژن مایع هم چون نیتروژن پس از انتشار در هوا، به سرعت تبدیل به گاز می‌شود، هیچ گونه آلودگی ایجاد نمی‌کند.

در حال حاضر که حدود 10 سال از راه اندازی مرکز ملی بارورسازی ابرها می گذرد مسوولان این مرکز معتقدند، تاکنون اقدامات فراوانی در زمینه کسب دانش فنی باروری ابرها، ایجاد مرکزی با عنوان مرکز ملی تحقیقات و مطالعات باروری ابرها، خرید هواپیما و تجهیزات مخصوص بارور کردن ابرها و تهیه رادارهای هواشناسی انجام شده است.
مسؤلان این امر معتقدند، در این سالها موضوع باروری ابرها از جایگاهی ویژه در کشور و منطقه برخوردار است. به طوری که از سوی مرکز ملی تحقیقات و مطالعات باروری ابرها در سال آبی 85 - 86 در مساحتی حدود یک سوم کشور این فعالیت انجام شد. وزارت نیرو براساس ماده 19 قانون ملی شدن آب ها و ماده 29 قانون توزیع عادلانه آب وظیفه استحصال آب از طریق باروری ابرها را به عهده دارد. جز این ماده قانونی ، صورتجلسه ای نیز با سازمان هواشناسی مبادله شده که براساس آن وظیفه تحقیقات درخصوص باروری ابرها به عهده سازمان هواشناسی است و وظیفه انجام مطالعات و اجرای طرح های باروری ابرها را وزارت نیرو عهده دار شده است.
براساس گزارش های منتشر شده ، طرح باروری ابرها در سال آبی 85 - 86 با استفاده از 2 فروند هواپیمای مجهز به تجهیزات مخصوص باروری ابرها از ابتدای آذر 1385 در محدوده ای به شعاع 400 کیلومتر از مرکز یزد که شامل استان های یزد،کرمان ، فارس ، اصفهان ، چهارمحال و بختیاری و کهگیلویه و بویراحمد و بخش هایی از استان های خراسان رضوی و جنوبی ، قم و سمنان می شود، به اجرا درآمده است که این فعالیت ها تداوم خواهد یافت. همچنین بر اساس گزارش مرکز ملی تحقیقات و مطالعات باروری ابرها، در طول دوره عملیات به راه اندازی مجدد رادارهای هواشناسی مستقر در استان های یزد و کرمان اقدام شد و سایت راداری کوهپایه اصفهان نیز به بهره برداری رسید.

 نکاتی مهم در مورد باروری ابرها

1.     تجربه 24 کشور در سطح جهان نشان داده است که باروری ابرها می‌تواند مقدار بارش را بین 10 تا 25 درصد افزایش دهد و خسارات ناشی از تگرگ را بین 30 تا 70 درصد کاهش دهد.

2.    موادی که در باروری ابرها استفاده می‌شود مثل نمک خشک ، اوره یا یدور نقره هرگز باعث آلودگی نمی‌شود و خطری ایجاد نمی‌کند زیرا مقدار این مواد بیار ناچیز است.

3.      تا به حال نشانه‌ای وجود ندارد که باروری ابرهای منطقه باعث کاهش بارش در مناطق مجاور شده باشد.

4.      باروری ابرها هرگز عملی بر خلاف طبیعت نیست، زیرا گاهی حیات انسان و تولید مواد غذایی به این روش وابسته است.