Погода бывает несправедлива к человеку: посевы гибнут от засухи, град губит сады и виноградники, ураганы и наводнения разрушают жилища и целые города. Много тысячелетий человек был беззащитен перед стихией, прежде чем, вооружившись знаниями, научился контролировать дела небесной канцелярии.

Как мы это делаем?

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №10(38). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

На протяжении долгих веков погодные явления воспринимались не иначе как гнев или милость божья. Человек пытался снискать благосклонность высших сил, прибегая к обрядам, подношениям, заклинаниям, молитвам. Ритуалы вызывания дождя, например, присутствуют в религиозной практике большинства народов. Славяне перепахивали реку плугом, африканские племена устраивали пляски, индусы читали молитвы и поджигали благовония. Кое-где такие обряды совершаются и сегодня.

Первые рациональные способы воздействия на погоду были предложены в период промышленной революции. Инженеры разрабатывали проекты гигантских паровых вентиляторов для разгона облаков; энтузиасты окуривали облака дымом и подбирали химические составы для вызывания дождя. Но эти попытки не приносили успеха, пока не обрели твёрдую научную основу.

Сегодня, правда, может показаться, что метеорологи так и не научились управлять погодой. Мы не умеем предотвращать засуху и удерживать в берегах реки, направлять циклоны и усмирять ураганы. Но учёные открыли и начали использовать механизмы, с помощью которых на погоду можно хотя бы влиять — не изменяя кардинально, а корректируя. Пока только корректируя.

Натуралисты обратили пристальное внимание на облака только в XIX веке, хотя ещё древнегреческий философ Аристотель, живший в IV веке до н. э., утверждал, что они состоят из пара, жидкой и замёрзшей воды.

В жаркий день солнечные лучи прогревают земную поверхность, и она передаёт тепло приземным воздушным массам. Воздух слабо проводит тепло (медленно нагревается и остывает), поэтому отдельные его части почти не вступают в теплообмен друг с другом. Более тёплый и, следовательно, менее плотный, чем окружающая среда, воздух поднимается вверх по закону Архимеда. Это явление метеорологи называют конвекцией.

Поднимающийся воздух, попав в слои с меньшим атмосферным давлением, вынужден расширяться и при этом охлаждается. Содержащийся в нём водяной пар становится насыщенным и конденсируется, образуя капли жидкой воды. Так появляются облака и туманы.

По температуре, в которой облака «живут», их можно классифицировать на холодные и тёплые. Холодные, как правило, состоят из переохлаждённых капелек воды и кристаллов льда, тёплые — из капель воды. Чтобы пары воды выпали каплями дождя или снежинками, они должны увеличиться почти в миллион раз.

Водяные капли долго остаются переохлаждёнными, хотя на высоте температура падает до –40…–50 °С. Замерзание предотвращают силы поверхностного натяжения и растворённые в воде соли. Такие капли застывают только при контакте с твёрдыми объектами, оседая в виде инея на камнях, деревьях и стенах зданий. Переохлаждённая влага быстро застывает на металлических поверхностях, например на крыльях и обшивке самолётов, губительно влияя на аэродинамику аппарата.

Обледенение крыла самолёта

Обледенение — одна из самых серьёзных проблем в авиации, с которой борются инженеры. В годы Второй мировой войны этим вопросом занимались метеорологи Ирвинг Ленгмюр, Винсент Шефер и Бернард Воннегут в лаборатории американской компании General Electrics (штат Нью-Йорк, США). В 1946 году во время опытов с конденсационной камерой они случайно обнаружили, что сухой лёд, испаряясь, быстро охлаждает воздух. В результате переохлаждённые капли превращаются в кристаллы льда, и туман в камере рассеивается. Эксперимент, проведённый в реальных условиях с небольшим облаком, увенчался успехом.

Винсент Шефер, Ирвинг Ленгмюр и Бернард Воннегут проводят опыт с рассеиванием облака в холодильной камере

Впоследствии выяснилось, что стимулом для образования кристаллов льда могут служить и другие вещества, например йодистое серебро, кристаллическая решётка которого похожа на структуру льда. Сухой лёд необходимо доставлять непосредственно в зону воздействия, что довольно дорого и технически сложно, а йодид серебра стали использовать в виде компонента пиротехнических составов. При их горении дым с частицами реагента уносится к облакам восходящими потоками.

Так работают наземные рассеивающие установки. Доставлять в облака активное вещество могут и самовоспламеняющиеся ракеты. Их запускают и с земли, и с самолётов.

Эта технология под названием засев облаков — самый распространённый способ изменения погоды. Используется для увеличения осадков в засушливых местах и в аэропортах с плохими погодными условиями — для подавления тумана и града.

При температуре выше –10 °С облака состоят только из микронных капель воды и считаются тёплыми. Такова, например, кучево-дождевая облачность тропиков. Для тёплых облаков теория Бержерона не работает. Дождь в них образуется путём коагуляции, то есть слияния капелек, поэтому воздействовать на тёплые облака нужно по-другому.

Первые эксперименты по рассеиванию тёплых туманов провёл в 1930‑е годы Генри Хохнер, инженер из Массачусетского технологического института (штат Массачусетс, США). Он заметил, что капельки воды в тумане быстро укрупняются, если распылить в нём хлористый кальций. Растворы этой и других солей и кислот гигроскопичны, то есть поглощают влагу из воздуха. В 1934 году Хохнер построил специальный рассеиватель, но дальше его испытаний, хотя и успешных, дело тогда не пошло. Засев тёплых облаков гигроскопичными реагентами вошёл в практику только через 20 лет.

Многие инженерные решения для изменения погоды оказались работоспособными, но слишком дорогими для массового использования. 

Во время Второй мировой войны правительству Великобритании приходилось бороться с туманами на военных аэродромах. Самолёты, возвращавшиеся с бомбардировок, часто попадали в густую пелену. Королевские ВВС теряли лётчиков и машины. Решение нашли простое: разгонять туман теплом. Вдоль взлётно-посадочной полосы проложили два топливопровода. Через их сопла вырывалось пламя, и видимость на полосе значительно улучшалась. Система получила название FIDO (Fog Intense Dispersal Of — интенсивное рассеивание тумана). После войны она использовалась ещё несколько лет, но в мирное время оказалась нерентабельной. Расход бензина был просто огромен — 450 тысяч литров в час.

Сотня горелок метеотрона, установленных вдоль окружности диаметром 100 м, производит пламя длиной 5–6 м (1978 год)

Другой яркий пример — метеотрон, изобретённый французским исследователем Анри Дессеном в 1961 году. Прибор, запуская конвекцию, нагревает воздух на небольшой площади, и в результате вырастает кучевое облако. Этот способ подсмотрели в природе коренные жители Америки и Африки. Веками они вызывали дождь, поджигая высушенную степь. В метеотроне Дессена пожар заменили сотни форсунок, сжигавших жидкое топливо. Немного позже в СССР построили суперметеотрон для увеличения осадков в районе горного озера Севан на территории Армении. Роль гигантского фена выполняли снятые с эксплуатации двигатели реактивного самолёта Ту-104. Шесть установок нагревали воздух до 1100 °С, и он устремлялся вверх со скоростью более 500 м/с.

Жан Дессен, сын изобретателя, работал над усовершенствованием метеотрона (фото сделано 20 июля 1976 года)

Простая на первый взгляд технология воздействия на облака на самом деле довольно сложна в применении. Прежде всего нужно правильно выбрать облака для засева реагентами. Чтобы осадки образовались, облака должны запастись влагой и подняться на высоту, где появляются ледяные зародыши или начинают коагулировать капли. А для защиты посевов нужно вычислить опасные облака, пока из них не посыпался град.

В этом метеорологам помогают радиолокаторы. Они сканируют пространство, находя зоны облачности и осадков в радиусе 200–250 км. Современные погодные радары используют эффект Доплера и двойную поляризацию сигнала. Они определяют скорость и направление воздушных потоков, различают капли и льдинки разных размеров и форм.

Радиолокатор

В большинстве случаев локальные воздействия на облака приносят желаемый результат, но иногда эффект отсутствует или оказывается обратным. К тому же не всегда понятно: погода изменилась из-за нашего вмешательства или по какой-то другой причине?

Технологии изменения погоды используются во всём мире. Во многих аэропортах во избежание задержек рейсов разгоняют туманы. Их засевают искусственными ядрами кристаллизации либо резко охлаждают, распыляя жидкий азот или сухой лёд. Влага кристаллизуется и выпадает на землю, улучшая видимость.

Установки, использующие йодид серебра, размещают на наветренных горных склонах в США, Австралии, Японии. По разным оценкам, они дают от 5 до 15% дополнительных осадков, которые накапливаются в виде снега и пополняют водоёмы в тёплое время года.

В причерноморских регионах России уже 50 лет действуют подразделения метеослужбы по борьбе с градом. За градовыми облаками следят радиолокаторы, а зенитные установки обстреливают их самовоспламеняющимися ракетами. Одна ракета доставляет в облако триллионы частиц йодида серебра, которые конкурируют с естественными зародышами льда за переохлаждённую воду. Градины не успевают вырасти до опасных размеров и выпадают на землю.

Амбициозную программу увеличения осадков во внутренних районах реализует в последние годы Китай. К 2020 году он планирует разместить в предгорьях Тибета десятки тысяч горелок для доставки реагентов в облака на площади размером с Аляску. Ожидаемый эффект составит около 7% потребностей горных территорий в водных ресурсах. Китай — первая страна, которая взялась за столь масштабный проект изменения погоды. Ранее китайцы использовали технологии засева облаков для контроля за погодой во время Олимпиады-2008, а также для очистки воздуха в мегаполисах.

Согласно последним данным Всемирной метеорологической организации, программы изменения погодных условий действуют в 52 государствах на пяти континентах. Помимо государственных учреждений на этом поле работает около 150 частных компаний.

Наука и впрямь не стоит на месте. Улучшаются классические методы, разрабатываются новые. Например, Национальный метеорологический центр Объединённых Арабских Эмиратов финансирует исследования о засеве облаков наноматериалами. Оказалось, что микрочастицы соли в оболочке из диоксида титана притягивают водяной пар намного эффективнее, чем обычные солевые растворы.

В начале 2018 года исследователи из Женевского университета провели интересный метеорологический эксперимент. С помощью коротких импульсов от лазеров они конденсировали влагу, которая есть в воздухе, в самые настоящие облака.

Среди перспективных исследований по изменению погоды — воздействие на облака лазером. Лазерное излучение вызывает фотоокисление атмосферного азота, и на частицах кислоты образуются облачные капли. Учёные использовали установки с разной мощностью и частотой импульсов. Но чтобы технология работала в реальных условиях, её предстоит усовершенствовать.