纳米碘化银在人工影响天气的应用研究 II: 室内实验

运用爆炸法,使用“37型”降雨实弹分别在室内20 L和1200 L云室对研制的人工影响天气纳米碘化银催化剂的成冰性能,包括成核率、成冰阈温、核化速率等,进行检测和研究.在相同实验条件下,在“37型”降雨实弹上将纳米碘化银催化剂与目前常用碘化银催化剂进行对比试验.结果表明,纳米碘化银催化剂成冰性能明显优于常规碘化银催化剂,其成核率比常规碘化银催化剂提高1～2个数量级;成冰阈温值增加;核化速率明显加快.     

降雨弹催化剂改进试验

本文介绍了用云室法测定降雨弹爆炸分散催化剂的成核率,实验结果表明,含AgI的降雨弹其AgI的用量有一最佳值,1克AgI降雨弹的成核率高于现用降雨弹。     

尿素作为过冷云冰核的实验研究

早在1956年日本的佐野(I.Sano)等人用扩散型小云室测定尿素在-14℃能出现较多的冰晶。1966—1969年美国的诺林贝格(R.G.Knollenbeng)测定尿素的成冰阈温为-15℃,尿素溶液滴的平均冻结温度为-16.8℃,但他认为“局部冷却”效应将会提高尿素的成冰能力,即尿素高速溶于水时高度吸热冷却达低共熔点温度(-11.4℃)成冰,因而使尿素成为优良冰核。根据国外报导,自1966年开始,我国北方一些省气象局,经常用飞机播撒尿素催化过冷云降水,仅吉林省每年用于尿素的费用(不计飞机等其他花费)就可超过万元。因此,为能正确评价野外试验效果和权衡这个支出是否值得,本文下面介绍对尿素微粒成冰阈温、成冰活化比以及尿素饱和溶液滴冻结温度的实验测定,给出我国对尿素的鉴定结果,并对尿素可否作为优良的过冷云冰核提出看法。     

AgI水溶胶单滴的冻结实验研究

为了解单个AgI水溶胶滴的冻结特性,本文采用热电偶金属丝悬挂水滴,在小冷室中对AgI水溶胶滴和蒸馏水滴的冻结过程进行了观测,实验结果指出:虽然影响水滴冻结的因子很多,但滴的冻结温度主要取决于水滴中的杂质,由于水滴中出现了AgI水溶胶粒子,因而使得AgI水溶胶滴与蒸馏水滴的冻结温度谱呈现明显的差异,然而若将AgI水溶胶单滴冻结谱的峰值温度,与在小云室中测定的AgI水溶胶雾滴的成冰阈温相比较,两者很为一致,因此揭示出这两种成冰机制的内在联系.观测水滴冻结的另一特征参数固有冻结时间(由滴内冰芽形成到滴全部冻结所     

几种碘化银焰剂成冰性能检测

碘化银焰剂是人工影响天气作业中重要的冷云催化剂,目前国内使用的碘化银焰剂有多种配方,有必要对它们的成冰性能进行统一评估。本研究采用1m^3等温云室,对我国人影作业中使用的7种碘化银焰剂(编号为1~7号)进行了统一检测。结果表明:7种焰剂成核率的量级按每克催化剂计算在10^(10)~10^(13)g^(-1)(-8^-18℃)之间,用指数函数拟合能较好地反映成核率随温度的变化;在低温段(≤-16℃),各焰剂成核率较高,不同焰剂之间的成核率差异相对于高温段(>-16℃)要小;在高温段,3、4、7号焰剂也具有较高的成核率,成冰性能要好于其他焰剂;7种焰剂的核化速率不同,-8℃时90%的冰核完成核化的时间在7.8~18min之间,推断该温度下的成核机制以接触核化等慢过程为主。     

生物冰核Snomax成核性能分析测试

为了研究生物冰核Snomax的成核性能,在静态等温云室中对Snomax的成核性能进行测试分析,得出其成核率、核化速率、成核阈温等性能参数,结果表明在-4～-18℃,Snomax成核率在108/g～1011/g范围内变化,不同温度、过冷水含量、冰核浓度对Snomax催化产生的冰晶形态有重要影响。此外,对比分析测试了AgI焰剂与Snomax的成核性能,试验结果表明AgI焰剂成核率比Snomax高出3～4个数量级,但亲水性Snomax冰核蛋白具有更快的核化速率和环境友好性。通过对比两种冰核的成核特性,分析了生物冰核在人工影响天气作业中可能的应用。     

碘化银核化过程的数值模拟研究

根据DeMott等给出的不同成核机制下AgI成核效率的实验结果 ,通过数值模拟的方法 ,研究了AgI粒子在云室、层状云和对流云中的核化过程。通过对云室的模拟 ,发现云滴浓度和云雾持续时间是造成不同云室检测的AgI成核率相差悬殊的主要原因。数值试验结果表明AgI的成核方式在层状云和对流云中有很大不同 :层状云中AgI主要以接触冻结、浸没冻结等慢核化过程为主 ,而对流云中则以凝结冻结过程为主。     

一个观测冰核的15 L混合云室

小型混合云室常用于自然冰核浓度的观测和人工冰核成核率的检测。使用表明:由于受云室容积、造雾方法和操作程序等因素的影响, 检测结果有很大差异, 难以相互比较。为提高检测数据的可信性, 设计并制作了15 L混合云室。云室由F22压缩机系统制冷, 最低能达到-28℃。为减小云室温度的波动, 在云室外围设计有装满乙二醇-水溶液的夹套。在溶液中, 安装了1个1 kW的电加热器, 接通后可使云室升温。在夹套外, 采用发泡技术形成约10 cm厚的绝热层, 以使云室与外界绝热。云室运行时, 可通过控制压缩机和电加热器得到实验温度。此外, 为拓宽检测冰核浓度的检测范围, 设计了玻璃片接取显微镜读数和糖盘接取目测读数两种可供选择使用的冰晶观测方法, 前者在冰晶浓度高时使用 (人工冰核), 后者在低浓度时使用 (自然冰核)。另一个重要改进是:先由一个超声雾化器产生常温雾, 而后使常温雾穿过一个低温狭缝进行预冷, 当雾温等于或低于云室温度后再进入云室。这一措施不仅避免了瞬时高度过饱和, 而且还减小了对云室温度的扰动。该云室在弹载催化剂成核率的改进实验中发挥了重要作用, 曾用它对多个人工冰核复合配方进行了检测和对比。结果表明:云室具有较好的稳定性和重复性, 整体性能优于以往的同类云室。这一结果是由于改进了提供过冷雾的设计和冰晶接取方法得到的。     

内蒙古自治区人工影响天气重点实验室首次承担催化剂配方的国家级鉴定实验

2008年7月1—7日。中国气象科学研究院人影中心2位专家在内蒙古自治区人工影响天气重点实验室云室对江西、齐齐哈尔等厂家的多个催化剂新配方进行了成冰性能的鉴定实验。催化剂配方的成冰性能的鉴定实验一直以来都由中国云雾物理重点实验室云室独家承担完成。属于权威性鉴定实验。此次因中国云雾物理重点实验室正在装修改造,内蒙古自治区人工影响天气重点实验室云室便成为该项鉴定的首选实验去室。     

两种不同云室进行冰核检测的研究

本文针对吉林省440L卧式云室和20L分体式云室结构特征,介绍两种云室不同之处及冰核成冰性能检测特点,440L云室采用高速气流等成冰方法的模拟试验,不仅验证了气流动力作用具有良好的成冰性能和应用前景,还验证了该云室在冰核检测中具有良好的性能。20L分体式云室在微、纳米AgI冰核成冰试验检测的结果表明,该云室催化剂冰核检测的检验效果明显。     

含AgI焰剂成冰性能与物化特征的实验研究

利用CAMS的1 m~3等温云室系统筛选出新型高效AgI焰剂WMC-IN-001和WMG-IN-002。检测结果表明,它们具有较高的成核率,在-15℃时达到10~(15)g~(-1)AgI量级,尤其在-7℃时WMC-IN-001的成核率仍可达到10~(14)g~(-1)AgI量级。同时给出对节银剂配方和2011年市场上主要的几种催化剂的检测结果进行对比。WMC-IN-001和WMC-IN-002的成冰速率较慢,在各检测温度的成冰速率差异较小,均在40~55 min。利用冷场发射扫描电镜和能谱仪对WMC-IN-001燃烧产生的气溶胶粒子作了物化特征分析,粒子分布在0.02~0.60μm,具有两个典型的模态:0.02~0.10μm的较小的粒子和0.20~0.55μm的较大的粒子,均立方直径为0.2472μm。WMC-IN-001气溶胶粒子明显偏大,小粒子相对较少,这可能是其成冰速率偏慢的原因之一。     

人工影响天气碘化银催化剂研究进展

碘化银（AgI）类催化剂是人工影响天气外场试验和业务作业中使用最广泛的催化剂,其核化效率和核化机制在很大程度上影响催化效果。在总结美国、中国和欧洲多个国家利用云室和风洞研究AgI类催化剂的核化机制、核化阈温及成核率的室内实验成果的基础上,梳理利用室内实验成果发展的AgI数值催化模式,旨在为下一步优选新型高效AgI类催化剂和改进数值催化模式提供借鉴。AgI类催化剂核化机制包括凝华核化、接触冻结核化、凝结冻结核化和浸没冻结核化,其核化过程受大气温湿条件、催化剂粒子大小、成分等多种因素影响,并与催化剂粒子的燃烧溶液法、燃烧焰剂法和爆炸法等发生方式有关。目前国内外使用的AgI类催化剂含有不同成分,有多种催化剂粒子产生方式,催化剂粒子的核化机制和成核率有很大差异。将来应重点基于高性能云室和风洞,分析不同催化剂配方的核化机制和成核率,优选新型高效催化剂,改进AgI数值催化模式。     

含AgI人工冰核粒子的电镜分析

为深入认识当前人工影响天气作业中广泛使用的AgI焰剂的成冰特性, 利用电子显微镜对含AgI焰剂产生的人工冰核粒子尺度特征进行分析研究。利用环境场扫描电镜对焰剂颗粒的尺度分布和形态学特征进行研究, 利用场发射高分辨透射电镜纳米区域的X射线成分分析 (EDS) 对实验样品的颗粒结构特点和主要组成成分进行研究。实验结果表明:不同配方焰剂燃烧产生的颗粒谱分布特征有明显差异, 所取5种焰剂产生的颗粒平均谱分布, 其直径在0.02~0.50 μm之间的粒子数占98.96%, 即产生粒子绝大部分都可直接参加云内的成冰核化过程, 但其谱宽、峰值直径, 分布特征都不相同。透射电镜结果表明:焰剂颗粒的主要组成是KCl, 其表面附着AgI小颗粒, 该结构特征可能更有利于焰剂颗粒的成冰核化。利用中国气象科学研究院1 m3等温冷云室对AgI焰剂阈温对比实验表明:5种焰剂的成冰阈温在-3.5~-4.4 ℃范围内, 不同焰剂配方的阈温不同, 最大相差1 ℃。焰剂成冰核化速率主要由颗粒的大小 (均立方根直径) 决定, 同时受到谱宽、主峰位置等多种分布特征量影响, 改进配方时应综合考虑。同时, 由于高于-4.4 ℃时, 焰剂产生颗粒接触过冷水滴缺少活性, 即含AgI焰剂不适于云中较暖区的催化。     

一个用于人工冰核研究的2m3等温云室

本文介绍了一个以研究人工冰核为主要目的的2m~3等温云宝及其结构、测量仪器、实验程序及性能特点。井用对三种不同配方发生的碘化银气溶胶成核率检测结果与国外同类云室的结果进行了比较。已进行的各种试验表明,云室性能稳定,重复性好,是进行人工冰核研究的有效的专用设备。     

LN-94型与LN-97型人工增雨防雹弹成冰率的测定

用Bigg型云室检测人工增雨防雹LN 94型三七弹和LN 97型五七弹的成冰率。检测结果表明 :含1 gAgⅠ 三七弹的成冰率与国营 1 52厂生产的 83型催雨消雹弹大致相同 ,而含 1 gAgⅠ 的五七弹则比三七弹高 1～ 2个量级 ,含 2 gAgⅠ 的五七弹比含 1 gAgⅠ 的五七弹低一个量级。     

LN-94型与LN-97型人工增雨防雹弹成冰率的测定

用Bigg型云室检测人工增雨防雹LN-94型三七弹和LN-97型五七弹的成冰率。检测结果表明：含1g AgⅠ三七弹的成冰率与国营152厂生产的83型催雨消雹弹大致相同,而含1gAgⅠ的五七弹则比三七弹高1～2个量级,含2gAgⅠ的五七弹比含1gAgⅠ的五七弹低一个量级。     

三种含AgI的气溶胶在水面欠饱和条件下成冰性能的实验研究

在水面欠饱和、冰面过饱和条件下，对三种含碘化银的冰核气溶胶的成冰性能进行了研究。实验是在2 m3等温云室中进行的。在无云条件下排除了接触核化的可能性，同时把冰晶中心有无冻滴作为辨认凝结冻结核化与凝华核化的标志。从实验得到的一些定性结果表明，这三种碘化银气溶胶在成冰性能方面存在着明显的差异。     

云室在云雾物理学研究中的应用进展

云室是云雾降水物理学的实验室装置,在云物理实验研究方面一直有着广泛的应用。本文介绍了目前国内几种主要云室的构造和基本性能,以及它们在大气冰核浓度的观测与研究、高效碘化银焰剂及其成冰性能的研究、液氮（LN）消雾成冰性能的实验研究、稀土化合物成冰性能的实验研究、冰雪晶碰并勾连增长的实验与观测分析中的应用,并着重介绍了这几方面试验研究目前在国内的进展情况。     

“三七”炮弹聚能分散碘化银成冰核效率的试验研究

本文介绍了经改装后“三七”炮弹产生聚能效应,分散碘化银从-4.0～-20.0℃范围内,各温度下的成冰核效率。这种方法1克散装碘化银在-4.0～-20℃范围内,产生的冰核数目,比目前广泛应用于人工降雨、防雹碘化银“三七”炮弹(内装4克压制成型碘化银)平均成核率高1个量级。 在检测碘化银“三七”炮弹成核率中,采用了多云室、统一本底气、严格封闭云室顶部、大容器稀释、瞬时检测的方法,有效地避免了环境污染引起的误差,减小了在针管中稀释造成的累积误差,提高了检测冰核水平。     

黄土高原尘沙作为大气冰核的实验研究

将黄土粒子直接撒入云室进行成核率检测，在–15℃时成核率可高达4×106/g。这些结果可解释在沙尘暴期间观测到的大气冰核的高浓度。从中国黄土高原扬起的沙尘粒子为下游地区提供了丰富的冰核。