آشنایی با روش جدید باروری ابرها

باروری ابرها روشی برای تأثیرگذاری بر روی ابرهای طبیعی است که در آن با استفاده از مواد شیمیایی آب بیشتری از ابر به شکل باران یا برف را باعث می‌شود. برای آشنایی با روش جدید باروری ابرها این بخش آسمونی را تا پایان دنبال نمایید.

آشنایی با روش جدید باروری ابرها

باروری ابرها یا ابرآمایی تعدیل آب و هوا، به وسیله افزودن مواد به داخل یک ابر با هدف تقویت تشکیل و رشد «بلورهای یخ» (Ice Crystal) در ابرهای سرد (بیشتر حجم ابر در دمای زیر صفر درجه سلسیوس است) و رشد قطرک‌های درون ابرهای گرم (بیشتر حجم ابر دارای دمای بالای صفر درجه سلسیوس) و در نتیجه افزایش بارش برف یا باران است. بیشترین عواملی که در باروری ابرها برای تولید باران سرد و طرح‌های باروری ابرها برای تقویت بارش برف به کار می‌روند یدید نقره و یخ خشک (دی‌اکسید کربن منجمد) هستند. عواملی دیگر مانند گازهای مایع (به عنوان مثال نیتروژن مایع) نیز می‌توانند برای بارور کردن ابرها در این دسته مورد استفاده قرار گیرند.

تعدیل آب و هوا برای باروری ابرها

تعدیل آب و هوا تلاش بشر جهت ایجاد تغییر کوتاه‌مدت آب و هوای طبیعی است که در بیشتر مناطق دنیا به‌منظور افزایش بارش از ابرها، کاهش اثرات منفی «طوفان‌های تندری»، کاهش تگرگ از طوفان‌های تگرگ و از بین بردن مه در فرودگاه‌های پرترافیک یا بزرگراه‌ها انجام می‌شود. افزایش تقریبی10 تا 20 درصد بارندگی سالیانه، باعث افزایش بالا آمدن سطح آب رودخانه‌ها و دریاچه‌های مورد استفاده برای آشامیدن، کشاورزی و تولید نیروی برق‌آبی می‌شود. برای مثال در اندونزی هدف از باروری ابرها افزایش ذخیره آب مخازن برای استفاده در سال‌های خشکسالی، در استرالیا به وجود آمدن برف بیشتر، بهبود صنعت توریسم در ارتفاعات برفی و در چین، علاوه بر افزایش بارش، گاهی جهت کاهش دمای تابستان و در نتیجه کاهش مصرف برق برای تهویه مطبوع می‌باشد. از میان تمام کاربردهای تعدیل آب و هوا، بیشتر پروژه‌های عملیاتی بر افزایش بارش متمرکز است.

تاریخچه باروری ابرها

تأثیر بارورسازی ابرها برای اولین‌بار در تاریخ 12 ژوئیه 1946 در آزمایشگاه تحقیقاتی شرکت جنرال الکتریک آمریکا توسط «وینسنت شیفر» مشاهده شد. او بلورهای «یخ خشک» با دمای 78- درجه سانتی گراد را به داخل ابرهای مصنوعی تولیدشده که در اتاقک بودند رها کرد و مشاهده نمود قطرک‌های اَبَرسرد از طریق فرایند انجماد به بلور یخ تبدیل شده و به‌صورت برف در ته اتاقک ابر ریزش نمودند. بدین‌گونه شواهد آزمایشگاهی از بارور شدن ابرها به‌دست آمد. متعاقب آن در تاریخ 13 نوامبر 1946 همزمان با این تحقیقات، دکتر لانگمویر برنده جایزه نوبل، یک آزمایش میدانی روی یک ابر پوششی روی کوه گریولاک در شرق شنکتدی متعلق به ایالت نیویورک انجام داد. دمای این ابر که در ارتفاعی حدود 4270 متر از سطح زمین قرار داشت 20- درجه سانتی گراد بود. لانگمویر، 36/1 کیلوگرم یخ خشک را در مسیری خطی با طول حدود 3 مایل روی این ابر پاشید و مشاهده کرد در مدت 5 دقیقه تمامی محتوای آب ابر به برف تبدیل شد. برف حاصله در حدود 2000 پا زیر ابر ریزش نمود و به دلیل خشکی هوا قبل از رسیدن به زمین تبخیر شد. تحقیقات بعدی ثابت کرد هسته طبیعی غالب برای تشکیل هسته یخ در طبیعت، ذرات رس معدنی هستند که در دمای حدود 15- درجه سانتی گراد یا پایین‌تر به‌عنوان هسته یخ‌ساز فعال می‌گردند. پس از استفاده از دانش باروری ابرها به‌عنوان یک فناوری جدید با کاربردهای عملی، لانگمویر تا زمان مرگش در تاریخ 1957، بر روی گسترش این فناوری به‌منظور حصول آب بیشتر از آسمان برای تبدیل مناطق مستعد خشک و بی‌حاصل جنوبی ایلات متحده آمریکا را به مراتع سرسبز و زمین‌های کشاورزی تلاش‌های بیشماری انجام داد. «سازمان تحقیقات صنعتی و علمی استرالیا» نیز در فوریه 1947 پس از اجرای عملیات باروری ابرها گزارش کرد اولین مورد باران ساخته دست بشر در نزدیکی بسارست رخ داده‌است. و اما در آنسوی دیگر در شرق اروپا مؤسسه رصدخانه آب و هواشناسی روسیه در اواخر سال 1941 بمنظور سرعت بخشیدن به توسعه، ساخت و تست مدلهای جدید ابزارهای اندازه‌گیری پارامترهای هواشناسی جو بالا هواشناختی و بهبود کیفیت سونداژ جو در مسکو تأسیس شد. این رصدخانه برمبنای رصدخانه جو بالای مؤسسه مرکزی پیش‌بینی هوا با 36 پرسنل راه‌اندازی شد. مؤسسه رصدخانه آب و هواشناسی روسیه پروژه‌های تحقیقاتی زیادی در زمینه هواشناسی و فیزیک جو انجام داده‌است که در بسیاری از آن‌ها پیشگام بوده‌است. امروزه این مؤسسه یکی از موسسات علمی برجسته و منظم اداره فدرال دیدبانی هیدرومتئولوژی و زیست‌محیطی روسیه می‌باشد. حوزه‌های تحقیقاتی آن بشرح زیر می‌باشد:

• سونداژ جوی سطوح بالا، توسعه روش‌های اندازه‌گیری و دیدبانی در محل و از راه دور پارامترهای جوی با استفاده از رادیوسوندها، راکت‌ها، آزمایشگاه‌های هوایی، رادار، لیدار و فضاپیما
• مطالعات آزمایشگاهی و تئوریکی فیزیک و شیمی جو آزاد، مکانیزم‌های تشکیل ابر و بارندگی با هدف بهبود روشهای پیش‌بینی وضع هوا و توسعه روشهای تعدیل آب و هوا
• مطالعه و دیدبانی وضعیت لایه ازن جو

بخش فیزیک ابر و تعدیل آب و هوا، مؤسسه رصدخانه آب و هواشناسی روسیه، طیف وسیعی از مطالعات در زمینه فرایندهای تشکیل بارش در انواع مختلف ابرها را انجام می‌دهد. این مطالعات بمنظور توسعه روشهای کنترل بارندگی اعم از افزایش یا کاهش صورت می‌گیرد. فناوری افزایش بارندگی که در روسیه ابداع شد هم در خود کشور و هم در دیگر کشورها از قبیل کوبا، سوریه و ایران مورد استفاده قرار گرفت. علاوه بر این فناوری دیگری نیز برای جلوگیری یا کاهش قابل ملاحظه بارندگی به منظور ایجاد مصنوعی شرایط آب و هوایی مناسب در شهرهای بزرگ از قبیل مسکو، سن پترزبورگ، تاشکند، آستانه، کازان در زمان برگزاری جشنهای مردمی و رویدادهای مهم اجتماعی و ورزشی ایجاد شده‌است.

باروری ابرها چگونه عمل می‌کند؟

در باروری ابر سرد ورود ماده‌ای هسته ساز مانند یدید نقره، که دارای ساختار کریستالی شبیه به یخ است بدون سرد کردن محیط باعث انجماد قطرکهای اَبَر سرد می‌شود (هسته‌سازی ناهمگن). اما یخ خشک یا نیتروژن مایع محیط اطراف خود را به حدی سرد می‌کنند که بلورهای یخ می‌توانند خود به خود از فاز بخار هسته‌سازی کنند. برخلاف باروری با یدید نقره، این هسته سازی خود به خودی، نیازی به وجود هیچ قطرک یا ذره‌ای ندارد چرا که این روش فوق اشباع بسیار بالایی در نزدیکی ماده باروری ایجاد می‌کند. اساس باروری ابرها بخصوص در عرضهای میانی، بر اختلاف فشار بخار اشباع روی آب و یخ است؛ بنابراین هنگامی که ذرات یخ در ابرهای فوق سرد شکل می‌گیرند، به دلیل فشار بخار اشباع کمترشان نسبت به قطرکهای آب، در مجاورت این قطرات مایع رشد کنند. اگر ذرات به اندازه کافی رشد کنند بصورت برف (یا، اگر ذوب رخ دهد، باران) از ابرها سقوط می‌کنند در غیر این صورت بارشی رخ نمی‌دهد. این فرایند به عنوان «باروری استاتیکی» شناخته می‌شود. در استراتژی باروری «دینامیکی» فرض بر این است که گرمای نهان اضافی ناشی از تغییر فاز مایع به جامد در ابر، باعث افزایش شناوری، تقویت جریانات بالارونده، تضمین بیشتر همگرایی سطوح پایین و در نهایت رشد سریع ابرهای منتخب می‌شود. مواد شیمیایی باروری ابر ممکن است توسط هواپیما یا توسط دستگاه‌های پخش کننده واقع بر روی زمین (ژنراتورها) وارد ابر شوند. در روش باروری با هواپیما، یدید نقره در هنگام پرواز هواپیما در داخل ابر سوزانده و پخش می‌شوند. در باروری با ژنراتورهای زمینی، ذرات ریز پس از خروج از ژنراتور توسط جریان هوا در مسیر باد و به سمت بالا قرار گرفته و وارد ابر می‌شوند و بارور می‌شوند.

مواد مورد استفاده باروری ابرها

مواد مورد استفاده در پروژه‌های باروری ابرها که «عامل‌های باروری ابرها» نیز نامیده می‌شوند بسته به نوع ابر و فرایندهایی که در رشد قطرک‌های ابر شرکت می‌کنند به دو گروه «مواد یخ‌ساز» و «مواد نم‌گیر» تقسیم می‌شوند. عامل‌های یخ‌ساز در ابرهایی که دارای ساختار مایع به‌صورت آب اَبَرسرد هستند موجب ایجاد بلورهای یخ می‌شوند. این عامل‌ها عبارتند از یدید نقره، یخ خشک، «پروپان مایع»، «نیتروژن مایع»، «دی‌اکسیدکربن مایع» و برخی مواد آلی. از بین این مواد، یدید نقره و یخ خشک (دی‌اکسید کربن جامد) متداول‌ترین عاملهای مورد استفاده در باروری ابرهای سرد هستند. عامل‌های نم‌گیر در ابرهای گرم به‌دلیل داشتن قابلیت جذب رطوبت، آب محتوی ابر را جذب کرده و رشد می‌کنند و موجب ریزش باران می‌گردند. نمک، اوره و نیترات آمونیوم از جمله این عامل‌ها هستند. .

فناوری تعدیل آب و هوا از نگاه سازمان و انجمن‌های معتبر جهانی

با توجه به اهمیت و گستردگی برنامه‌های تعدیل آب و هوا در دنیا و استقبال بسیاری کشورها از این فناوری، طی 50 سال گذشته عمدتاً چهار انجمن و سازمان معتبر اعم از سازمان هواشناسی جهانی، جامعه مهندسین عمران آمریکا، انجمن تعدیل آب و هوای آمریکا و انجمن هواشناسی آمریکا بسیاری از فعالیت‌های تعدیل آب و هوا را هدایت و نظارت می‌کنند که هریک از این انجمنها جنبه‌های خاصی از فعالیت‌های تعدیل آب و هوا را مورد توجه قرار داده‌اند. گزیده‌ای از نکات و مطالب مهم بیانیه‌های منتشر شده به شرح زیر است:

• بایستی به تعدیل آب و هوا به عنوان بخشی از استراتژی مدیریت یکپارچه منابع آب نگاه شود.
• امکان تغییرات گسترده ساختار ابرها از منطقه‌ای به منطقه دیگر وجود دارد. از اینرو نتایج باروری در یک منطقه جغرافیایی را نمی‌توان به منطقه دیگر تعمیم داد.
• پیامدهای ناخواسته باروری ابرها از جمله اثرات پایین دست باد یا اثرات زیست‌محیطی و اکولوژیکی آن ثابت نشده‌اند، اما نمی‌توان رد کرد.
• قابلیت تأثیرگذاری بر ریزساختارهای ابر از طریق مشاهدات آزمایشگاهی، شبیه‌سازی مدلهای عددی و اندازه‌گیری‌های فیزیکی در برخی سیستم‌های طبیعی همچون مه، ابرهای لایه‌ای و ابرهای کومولوسی تأیید شده‌است اما، شواهد فیزیکی مستقیم در مورد اینکه بارندگی، تگرگ، رعد و برق یا باد می‌توانند توسط روشهای مصنوعی به‌طور قابل توجهی تعدیل شوند، محدود می‌باشد.
• پیچیدگی و تغییرپذیری ابرها، شناخت و آشکارسازی تأثیر تعدیل مصنوعی آب و هوا را با مشکلات بزرگی مواجه ساخته‌است. توسعه تجهیزات جدید از جمله هواپیمای مجهز به سیستم‌های اندازه‌گیری ریزفیزیکی و جریان هوا، رادارها با قابلیت داپلر و قطبش‌پذیری، ماهواره‌ها، تابش‌سنج‌های میکروویو، اندازه‌گیرهای نیمرخ باد، شبکه‌های خودکار باران‌سنجی، شبکه میان‌مقیاس ایستگاه‌ها، سیستم‌های پیشرفته رایانه‌ای با قابلیت پردازش مقادیر زیاد اطلاعات، مجموعه داده‌های جدید با قابلیت کاربرد در مدلهای عددی پیچیده ابر می‌تواند در آزمون فرضیه‌های متعدد تعدیل آب و هوا، مطالعه بر روی مواد شیمیایی و تراشه‌ها در جهت شناسایی جریان هوا به درون و به خارج ابر و منبع یخ یا هسته‌سازی جاذب‌الرطوبه به عنوان عامل باروری و نیز به اقلیم‌شناسی بهتر ابرها و بارندگی قبل از آغاز پروژه‌های تعدیل آب و هوا کمک نماید.
• مطالعات منتشر شده حاکی از این است که تاکنون یدید نقره هیچگونه تأثیر معنی داری بر سلامت و محیط زیست مردم نداشته‌است. با این وجود بایستی در تمام طرحهایی که از یدید نقره یا هر ماده دیگر استفاده می‌شود ارزیابی اولیه‌ای از اثرات بالقوه آن ماده روی محیط زیست یا سلامتی مردم ضمیمه گردد.
• تأکید می‌شود انرژی موجود در سیستمهای آب و هوایی به قدری زیاد است که خلق سیستمهای ابری باران‌زا، تغییر الگوی باد به منظور آوردن بخارآب به یک منطقه یا حذف کامل پدیده‌های جوی شدید غیرممکن است و لذا تکنولوژیهای تعدیل آب و هوایی که مدعی حصول این اثرات بزرگ مقیاس و چشمگیر می‌باشند (از جمله توپ تگرگ و روشهای یونیزاسیون) پایه علمی نداشته و بایستی با تردید با آن‌ها برخورد نمود.

افزایش تقاضای آب در اثر افزایش جمعیت و موضوعات زیست‌محیطی، منابع جهانی آب را تحت فشار قرار داده‌است و لذا مدیریت و طراحی دقیق و مناسب آب جوی می‌تواند پتانسیلی برای افزایش قابل ملاحظه منابع آب طبیعی توأم با کاهش هزینه‌های زاید در ایجاد امکانات جدید باشد.

باروری ابرها در ایران

پروژه‌های باروری ابرها در ایران ابتدا توسط وزارت نیرو از سال 53 الی 57 با همکاری یک شرکت کانادایی و با استفاده از یک فروند هواپیما و تعدادی ژنراتورهای زمینی تصعیدکننده یدید نقره بر روی حوزه آبریز سد کرج و جاجرود انجام شد. باروری ابرها طی سال‌های 68 الی 74 بصورت پراکنده و با استفاده از ژنراتورهای زمینی در ارتفاعات شیرکوه یزد به اجرا درآمد. سپس با ابلاغ وزیر وقت نیرو در بهمن ماه 1375، مرکز ملی تحقیقات و مطالعات باروری ابرها در یزد تأسیس و از سال 1376 رسماً آغاز به کار کرد. پس از تشکیل این مرکز، از سال 77 با همکاری رصدخانه آب و هواشناسی روسیه انتقال تکنولوژی باروری ابرها به ایران در قالب یک طرح 5 ساله شامل اجرای پروژه‌های باروری ابرها (یزد-1، یزد-2، یزد-3 و یزد-5)، تجهیز مرکز به امکانات و تجهیزات لازم (تجهیز دو فروند هواپیمای آنتونوف 26 به تجهیزات شلیک پیروپاترون‌های یدید نقره و تزریق نیتروژن مایع و نصب و راه‌اندازی سه دستگاه رادار هواشناسی آکسوپری) و آموزش پرسنل ایرانی در قالب سه گروه عملیات پروازی، رادار و تجهیزات، مطالعات و ارزیابی صورت پذیرفت. پس از پایان 5 دوره اجرای طرح باروری ابرها که با حضور متخصصین روسی به همراه انتقال تکنولوژی و آموزش کارشناسان صورت پذیرفت اولین پروژه اجرای مستقل توسط کارشناسان ایرانی در تابستان 87 در استان گیلان به انجام گرفت. این مرکز از آن زمان تاکنون پروژه‌های متعدد اجرایی و مطالعاتی باروری ابرها در مناطق مختلف کشور به اجرا گذاشته‌است.

معایب بارورسازی ابرها به شکل پاشش مواد

شاید به جرات بتوان پاشیدن مواد به ویژه یدید نقره را عدم تأثیرگذاری مستقیم و عدم توانائی در کنترل ان توصیف کرد. در این روش بالاترین ضریب موفقیت 13 درصد عنوان شده‌است . در برخی موارد عدم کنترل بر هسته بارناکی می‌تواند منجر به وقوع سیلابهای ویرانگر گردد. از نظر اقتصادی پاشش یدید نقره ( به عنوان بهترین راندمان هنوز مقرون به صرفه نیست)