CLOUD SEEDING – “sklizeň deště” — Modul 3

V důsledku změny klimatu byl ovlivněn srážkový model, což činí mnoho zemí zranitelnými kvůli úbytku vodních zdrojů. Sucho se stalo pravidelným v mnoha částech světa, a proto se vlády po celém světě zaměřují na plány na zvládání sucha, protože sucho má více než jen zemědělský dopad, ale silně ovlivňuje komunity, zdraví, vzdělání a výživu. Nepříznivě ovlivňuje vlhkost půdy, povrchový odtok a veškeré vodní zdroje s negativními sociálními a ekonomickými důsledky.

Jednou z možností, jak zajistit vláhu pro rostliny je stimulovat produkci srážek z mraků [1-7]. Některé oblasti světa, například Spojené arabské emiráty, již tuto metodu běžně používají. V dalších částech, jako je Austrálie, Rusko, Čína, Indie, Izrael, Spojené státy americké, ale i Rumunsko, byla implementace zahájena před krátkou dobou [3]. Na jedné straně sklizeň deště stimuluje produkci srážek a na druhé straně může pomoci vyhnout se produkci krup, což je další velký problém pro zemědělství v důsledku změny klimatu, s potenciálním negativním dopadem.

Moderní technologie modifikace počasí začala být zkoumány ve 40. letech 20. Století. V teplých mracích byl déšť iniciován pomocí velkých hygroskopických částic [4]. Navzdory výzkumům provedeným v minulém století složitost atmosférických procesů přímo ovlivňuje opakovatelnost experimentů využívání mraků. Vzhledem k vysokým nákladům spojeným s nezbytným vybavením ovlivňuje poměr nákladů a přínosů probíhající výzkumné programy týkající se tzv. “cloud seedingu”.

Vysvětlení procesu

Srážení nastává poté, co se voda v atmosféře shromažďuje prostřednictvím kondenzace kolem částic, což vede k nasycení vzduchu, kdy nedokáže udržet vlhkost a vytvořené kapičky padají.

Proces je velmi složitý. Látky vnesené do mraků slouží jako kondenzační jádra a napomáhají tvorbě srážek. Na základě schopnosti materiálů vytvářet kondenzační jádra, bylo navrženo několik typů režimů využívání mraků [2]:

Ve statickém režimu se pro zvýšení srážek přidávají kondenzační jádra (obvykle jód stříbrný nebo suchý led). Tyto krystaly působí jako kondenzační jádra pro vlhkost již přítomnou v oblacích, čímž zvyšují účinnost rozptylování vody v oblacích. Experimenty ukázaly, že příležitost pro tuto metodu sazenic je omezena přinejmenším dostupností podchlazené vody v oblaku. Míra úspěšnosti nasévání mraků ve statickém režimu je proměnná, protože podmínky prostředí se obtížně replikují.
V dynamickém režimu jsou vertikální proudy vzduchu zesíleny přidáním mnohem většího množství kondenzačních jader do oblaku. Tento koncept je založen na naočkování přechlazených mraků obrovským množstvím jader (asi 100krát více kondenzačních jader), aby proběhla rychlá tvorba ledových částic, uvolněné latentní teplo zvyšuje vztlak, povzbuzuje vzestupné proudy mraků a vede k růstu mraku a přináší více srážek. Ten by mohl produkovat silné sestupné proudy a interakce s prostředím vedoucí k aktivnějšímu jevu konvekce. Dynamický režim je složitější proces než statický, závisí na několika faktorech, přičemž je identifikováno asi 11 fází procesu [6]. Jakýkoli zásah do sledu událostí může vážně ovlivnit konečný výsledek, díky čemuž je metoda méně spolehlivá než statický režim.
Při hygroskopickém “výsevu” jsou jádry krystaly soli, na kterých kondenzuje voda, dokud nejsou dostatečně velké, aby způsobily srážení. Je spojen s “výsevem” teplého mraku. Podpora dešťových srážek je způsobena zvýšeným procesem koalescence. V počáteční podobě měl způsob některé nevýhody, jako je potřeba velké množství soli. Kromě toho musí rychlost růstu dešťových částic odpovídat profilu vzestupného proudu. Později se přístup změnil na osévání teplých mraků pod pomocí pyrotechnických světlic produkujících částice soli o velikosti mikrometrů, což vedlo k širšímu spektru velikostí. Tento přístup využívá menší množství soli, přičemž cílovou oblast lze snadno určit u základny mraku.

Způsoby využití mraků mohou být (obrázek 1):

vzdušné – letadla se používají k šíření jader v oblacích pomocí speciálního pyrotechnického vybavení (patrony a bloky)
pozemní systémy se používají ke stejnému účelu jako letadla. Takovými systémy mohou být generátory, rakety, pyrotechnické světlice, krupobití děla, dělostřelecké nasazení atd. Činidlo se spálí a poté se dostane do mraků pomocí vzestupných proudů.

Kromě technologických prostředků nezbytných pro navození deště jsou zapotřebí i další pro sledování oblačnosti a dešťových srážek (radarové systémy, sítě pro přenos satelitních snímků, meteorologické stanice atd.).

Přirozené pozadí kondenzačních jader představují prachové částice, mořská sůl, saze a další částice pocházející z přírodních procesů nebo mající antropogenetickou povahu. Molekuly vody v oblaku kondenzují na těchto jádrech. Velikost kapek mraku se zvětšuje, protože kondenzací nebo srážkou s jinými kapkami akumulují více vody. Umělá kondenzační jádra urychlují proces a dávají vodě více materiálu, na kterém může kondenzovat, částice rostou rychleji a usnadňují se srážení.

Cloud seeding lze provést dvěma způsoby, jak je také znázorněno na obrázku 1:

v horní oblasti oblaku přímým vstřikováním kondenzačních jader pomocí světlic obsahujících hygroskopické (nanočástice CaCl₂) nebo glaciogenní (AgI) látky, umístěné na břiše letadla.
ve spodní části oblaku roznášením kondenzačních jader pomocí pevných stanic, které vystřelují rakety se směsí.

Látky používané pro cloud seeding mraků mají v přítomnosti podchlazené vody vysokou schopnost tvořit led a sestávají z ledotvorných aerosolů a činidel pro chlazení. Některé z nich jsou hygroskopické a používají se hlavně pro teplé mraky. Prášková činidla se používají hlavně pro rozptýlení konvektivních mraků zavedením silného sestupného tahu. Nejběžnější látkou tvořící led je jod stříbrný (AgI); má krystalickou strukturu podobnou ledovým krystalům a je velmi účinný jako ledové jádro při teplotách nižších než -4 °C. Spálení 1 g směsí obsahujících 8 % AgI vede k produkci 5^.10¹² jader při teplotě -10 °C [7].

Další látky používané jako kondenzační jádra jsou:

pro studené mraky: AgI, kapalný propan a kapalný aceton, suchý led (CO₂),
pro teplé mraky: močovina, cement, jemná sůl,
pro komplexní mraky: AgI, NaCl, KCl, CaCl₂

Prášková činidla mají různou účinnost v závislosti na jejich složení, hydrofilitě (ovlivňuje schopnost interakce s kapkami mraku), disperzi (optimální hodnota je 3000 cm²/g), měrné hmotnosti (určuje rozložení a chování uvnitř oblaku v důsledku proudy) [7].

Účinky cloud seeding se mohou lišit od několika minut až po delší období, v závislosti na způsobu dodání kondenzačních jader. Přímé vstřikování je okamžité, ale vyžaduje použití letadla letícího ve velké výšce, což může být drahé. V případě aplikace kondenzačních jader ze země je potřeba, aby látka byla unášena vzestupným proudem do oblaku, aby se stala účinnou, což trvá déle.

Konvektivní mraky jsou “sklízeny” shora pomocí letadel; když je jejich vrchol nad provozní hladinou používaných letadel, je činidlo rozptýleno v oblaku v maximální výšce letu letadla.

Účinnost cloud seedingu se neustále zvyšuje. Světová meteorologická organizace (WMO) oznámila, že nasazení letadel se stalo efektivnější než většina pozemních metod. Přesto je hodnocení účinnosti komplikované kvůli komplexním vlastnostem atmosférických jevů, většinou vývoje oblačnosti. Bylo provedeno několik experimentů a byl použit statistický přístup v modelech kontroly a cíle. Dešťové srážky jsou zaznamenávány v kontrolních oblastech. Poté lze vyhodnotit potenciální dopady na počáteční fázi porovnáním regresního modelu s pozorovanými jevy. Pomocí tohoto přístupu bylo zjištěno, že roční srážky vzrostly až o 10 % v důsledku výsevu oblačnosti.

Pro detailní studium atmosférických jevů je nejdůležitější radarová detekce. Může nabídnout měření oblačnosti v reálném čase s vysokým rozlišením a odhad srážek; proto se používá jako pomoc při procesu setí a také při jeho studiu.

Případová studie – cloud seeding program SAE

Ve Spojených arabských emirátech je cloud seeding vládní strategií, jak se vypořádat s klimatickými podmínkami země. Program je realizován od roku 2002 Národním centrem meteorologie Spojených arabských emirátů. Řídí se konvenčním přístupem: přírodní soli, především chlorid draselný (KCl), jsou vypouštěny pomocí erupcí na bázi konvektivních mraků v blízkosti jádra vzestupného proudu. [1]. Byla použita metoda regrese cílené kontroly a zjistila se průměrný roční nárůst srážek o 23 % a pokrytím plochy asi 72 % [1].

Dopad na životní prostředí a perspektivy technologií cloud seedingu

Důsledky pro životní prostředí z hlediska znečištění nebyly nalezeny, a to ani v případě aerosolů jodu stříbrného nebo jiných částic, jako je cement a jíl [2,6,7]. Koncentrace stříbra v dešťové vodě je mnohem nižší než přijatelná environmentální hodnota 50 μg/l. Neexistuje také žádný dopad na změnu klimatu; seeding modifikuje jednotlivé mraky nebo skupiny mraků pouze s lokálními efekty. Nevýhodou této technologie je, že není spolehlivá a vyžaduje vysoké náklady.

Technologie cloud seeding má velký potenciál pro zlepšení srážek, protože je silně spojena s řízením vodních zdrojů. Je důležité vzít v úvahu potenciální zemědělské přínosy. Může výrazně zlepšit životní podmínky v suchých oblastech, regulovat srážky prostřednictvím prevence krupobití. Dosavadní výzkum ukázal, že cloud seeding může být použit jako dlouhodobý nástroj řízení vodních zdrojů, spolu se skladováním vody a zavlažováním plodin.

Zdroje

Farahat, A.; Abuelgasim, A. Effect of cloud seeding on aerosol properties and particulate matter variability in the United Arab Emirates. International Journal of Environmental Science and Technology, 2022, 19 (2): 951–968. doi:10.1007/s13762-020-03057-5
Bruintjes, R.T., A review of cloud seeding experiments to enhance precipitation and some new prospects, Bulletin of the American Meteorological Society, 80(5), 1999, 805-820.
Ćurić, M.; Lompar, M.; Romanic, D.; Zou, L.; Liang, H. Three-Dimensional Modelling of Precipitation Enhancement by Cloud Seeding in Three Different Climate Zones". Atmosphere. 2019, 10 (6): 294. doi:10.3390/atmos10060294
Schaefer, V.J. Snow and Clouds in the Sky, 1947, General Electric – Project Cirrus.
Al Mazroui, A., Farrah, S. The UAE Seeks Leading Position in Global Rain Enhancement Research, 2017. The Journal of Weather Modification 49 (1): 54-55.
Malik, S.; Bano, H.; Rather, R.A.; Ahmad, S. Cloud Seeding; Its Prospects and Concerns in the Modern World – A Review, International Journal of Pure & Applied Bioscience, 2018, 6(5): 791-796, http://dx.doi.org/10.18782/2320-7051.6824
Korneev, V.P., Potapov, E.I., Shchukin, G.G. Environmental aspects of cloud seeding, Russian Meteorology and Hydrology, 2017, 42: 477-483, DOI: 10.3103/S106837391707007X