vvision的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/vvision 树洞一下胡思乱想...

博文

呼风唤雨的力量

已有 3987 次阅读 2014-4-6 16:38 |系统分类:观点评述| 雾霾, 极端天气, 低温热能, 播冰致雨

   呼风唤雨的力量

   论近空“低温热能”的开发利用

李为臻

   燃烧化石资源是人类获取能量的主要方式。常年粗放式的化石资源燃烧不止累积了巨量的二氧化碳,而且排放出大量的氮氧化物、硫氧化物和粉尘等空气污染物,引发温室效应、光化学烟雾、酸雨以及雾霾等环境问题。此外,各种极端天气,如强热带风暴、强降雨、高温热浪、干旱、洪涝以及极寒暴雪等,发生频率出现增多增强的趋势。显然,适度降水能净化空气避免灾害。风调雨顺亘古以来就是人类对自然最深的祈求,呼风唤雨也是人类希望自己膜拜的神灵所具有的能力。科技发展到今天,人类已经开始了星际旅行,但对呵护脚下这个灼痕斑驳的蓝色星球,却依旧显得那么力不从心。人类能否拥有呼风唤雨的力量?

水平方向的气压差异形成风。大气中水蒸气上升遇冷凝结为小水滴或小冰滴形成云,若能在较短时间内形成大量足够大的水滴下落则形成雨[1]。一个雨滴约合一百万个云中水滴,云中水滴通过自己不断凝结或相互碰撞长大。人类长期以来一直寻求人工降雨的方法,依据云层的类型,在云中散播干冰、液态丙烷或碘化银等化学物质促进水汽冷凝或液滴长大等过程,但效果及影响范围较小,大量使用将引发新的环境问题[2]。从成云致雨的过程来看,撒播小冰粒既能冷却云层又能提供较大的晶核,且大量使用不会带来环境问题,能极大提高对局部降水的影响。虽然不清楚现阶段不采用播冰致雨的原因,大规模制冰的成本显然是一个需要考虑的问题。

庆幸的是,人类似乎可以不用耗能去冷却水制冰,也不用从南北极那么遥远的地方向温带亚热带大规模运冰。地球上每片土地的上空都有巨大的低温空间。如图1所示,在中纬度地区,海拔每升高1千米气温约下降6.5 °C,海拔约2.3千米处气温降到冰点,在约11千米对流层顶降到-56.5 °C,在11-20千米内平流层中气温都保持-56.5 °C[3]。这样广袤的低温空间为人类提供了近乎无限的冻冰能力。大型客机的飞行高度约为10-12千米,大型运输机的运载能力为40-100[4],输运上万吨水在平流层喷洒只需数百架次,目前世界上多个国家有此能力。

1. 中纬度地区标准天气下温度随海拔变化及常规人工降雨和播冰致雨示意图。*:文献[2]**:假设空气中不含云中水滴时-56.5 °C冰所能冷却的0 °C的饱和水蒸气的量,否则需加上下降路径中所有的云中水滴的量。

   冰粒下落在垂直方向的冷却及吸收云中水滴不断变大的直接结果导致必然降水;局部降温使水平方向产生压差间接形成风。蝴蝶效应的存在使得周边大气都产生温度及压力变化。此外,水滴离开飞机后做抛物线型运动,带动冷却及吸收的云中水滴也做抛物线型运动。喷洒的方向及飞机的航速影响积雨云的降水地点,喷洒的规模决定降水及起风范围的大小,故播冰致雨原则上为人类提供一种呼风唤雨的可能,呼风唤雨能力的大小,取决于输运水的规模。

   下面初步估算一下输运1吨水可能产生的效果(算法见附录)。1)冷却能力:1-56.5 °C的冰变成0 °C水所吸收的热量可使约35万立方米标准空气温度降低1 °C;或可使0.2吨水蒸气凝结为同温度的水;或可使108吨水降低1 °C,或约等于42吨云中水滴长大成雨滴所释放的表面能。2)晶核数量及单层铺展面积:1吨水分散成能自由下落的雨滴的数量大约是3千万个,铺展面积约为375平方米。估算可降温厚度约为1千米的空气。由于云中水滴的密度、云层的高度、厚度以及温度等数据缺乏,并且冰粒下降过程中周围环境温度、湿度及气压都在变化,再加上冰粒下降摩擦空气产生的热量等因素,很难估算1-56.5 °C的冰在降落过程中对云的具体冷凝效果。保守估计,冰粒下降到冰点线海拔2.3千米处为0 °C的冰,其转化为0 °C水吸收的相变热大约仍具有上述冷却效果的三分之二。由此,实际输运水的高度只要保证水能完全结冰即可。

针对不同的天气状况,播冰致雨可起到不同的作用。对含水量很大将产生强降雨的云层,大规模播冰使降水或风暴中心远离生活聚集区;而对于雾霾等污染天气,定向播冰使得云层向污染区聚集再使其集中降水,达到清洗空气的作用。系统的开发及利用近空低温热能有可能为人类改善生存环境提供新的途径。除利用飞机播洒外,还可以像人类开采煤、石油和天然气等高温热能一样,在江河湖海边立起一个个地上钻井,利用钻井上下口的气压差,结合风电,将高浓度水蒸气源源不断的输送到冰点线以上,人为创造局部水循环系统,也为大规模从海水获得淡水提供新的思路。

国家有移山填海之力,人民有呼风唤雨之智,群策群力,共谱风调雨顺,国泰民安。

      播冰致雨,抛砖引玉。

附录:估算方法,所用物理量来自http://en.wikipedia.org

1)冷却能力:1-56.5 °C的冰变成0 °C水所吸收的热量可使约35万立方米标准空气温度降低1 °C(冰热容 2.11 kJ/kg/K,熔化热 334 kJ/kg;标准空气热容1.012 kJ/kg/K,标准空气密度1.293 kg/m3(1000*2.11*56.5 + 1000*334)/1.012/1.293 = 346358 m3;或可使0.2吨水蒸气凝结为同温度的水(水汽化热2260 kJ/kg(1000*2.11*56.5 +1000*334)/(1000*2260) = 0.2吨);或可使108吨水降低1°C(水热容4.1813 kJ/kg/K(1000*2.11*56.5 + 1000*334)/(1000*4.1813) = 108.39吨),或约等于42吨云中水滴长大成雨滴所释放的表面能(直径为4毫米雨滴分为1百万个云中水滴,云中水滴直径约为r = ((0.002)3/1000000)1/3 = 0.00002 m,表面积为4*3.14*(0.00002)2 = 5.02x10-9 m2,水的表面能为0.072 J/m21百万个云中水滴凝结成一个雨滴放出热量 1000000*5.02x10-9*0.072 = 0.000362 J;凝结1吨雨滴放出的热量为 N*0.000362 = 10.8 kJ,共可凝结雨滴的量为(1000*2.11*56.5 + 1000*334)/10.8/1000= 41.964吨)

2)晶核数量及单层铺展面积:1吨水分散成能自由下落的雨滴的数量大约是3千万个1吨水体积约为1立方米;雨滴近似为球形,直径约4毫米;数量N = 1/(4/3*3.14*(0.002)3) = 2.98x107,铺展面积约为375平方米(面积S = N*3.14*(0.002)2= 375 m2。估算可降温厚度约为1千米的空气35万立方米/375平方米≈ 1 千米)。保守估计,冰粒下降到冰点线海拔2.3千米处为0 °C的冰,其转化为0°C水吸收的相变热大约仍具有上述冷却效果的三分之二((334/(2.11*56.5 + 334) = 0.64

文献:

    1.  http://en.wikipedia.org/wiki/Rain.

    2.  http://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_seeding.

    3.  http://en.wikipedia.org/wiki/U.S._Standard_Atmosphere.

    4.  http://en.wikipedia.org/wiki/Military_transport_aircraft.

 



https://blog.sciencenet.cn/blog-608423-782554.html


下一篇:Cool the world, heal the world
收藏 IP: 159.226.238.*| 热度|

3 科学出版社 蔡小宁 迟延崑

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (4 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-3-29 04:59

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部