Însămânțarea norilor

Schimbările climatice au afectat modul, frecvența și cantitatea precipitațiilor, făcând vulnerabile multe țări din cauza scăderii resurselor de apă. Seceta a devenit un eveniment regulat în multe părți ale globului, astfel că guvernele din întreaga lume își concentrează eforturile pentru a elabora și implementa diferite planuri de gestionare a secetei, deoarece aceasta are nu doar un impact asupra sectorului agricol, ci afectează puternic comunitățile, sănătatea, educația și nutriția. Seceta influențează negativ umiditatea solului, scurgerea la suprafață și toate resursele de apă cu consecințe negative sociale și economice.

După cum am discutat în capitolele anterioare, rezervele de apă sunt din ce în ce mai reduse, fiind căutate tehnologii și metode noi pentru a furniza sectorului agricol necesarul de apă. Un mod de a realiza acest lucru este stimularea producției de precipitații prin însămânțarea norilor [1-7]. Anumite zone din lume, precum Emiratele Arabe Unite, utilizează deja frecvent această metodă. În alte țări, precum Australia, Rusia, China, India, Israel, Statele Unite, dar și România, implementarea unor astfel de sisteme a început mai recent [3]. Pe de o parte, însămânțarea norilor stimulează producția de precipitații, iar pe de altă parte, poate ajuta la evitarea formării grindinei, care este o altă problemă majoră pentru agricultură mai ales datorită intensificării acestor fenomene ca urmare a schimbărilor climatice, cu impact negativ, mai ales pentru culturile care au nevoie de câțiva ani pentru a deveni productive, cum ar fi vița de vie și livezile.

Tehnologia modernă de modificare a vremii a început în anii 1940, când Schaefer și Vonnegut au descoperit că picăturile de apă supra-răcite pot fi transformate în gheață după însămânțare. În norii calzi, ploaia a fost inițiată folosind particule mari, higroscopice [4]. Doar o parte din umiditatea disponibilă în nori este transformată în precipitații, ceea ce a sugerat posibilitatea explorării creșterii aprovizionării cu apă prin însămânțarea norilor. Cu toate cercetările efectuate în ultimul secol, complexitatea proceselor atmosferice influențează direct repetabilitatea experimentelor de însămânțare a norilor. Având în vedere costurile ridicate implicate datorită echipamentului necesar, raportul cost-beneficiu duce la existența unui număr redus de programele de cercetare existente privind însămânțarea norilor.

Explicarea procesului

Precipitațiile apar după ce apa evaporată în atmosferă se colectează prin condensare în jurul particulelor din atmosferă, ducând la saturația aerului când acesta nu poate reține umiditatea și picăturile formate cad.

Însămânțarea norilor reprezintă dispersia artificială a unor substanțe într-un nor pentru a schimba dezvoltarea acestuia sau pentru a crește cantitatea de precipitații. Acest ultim scop se poate realiza prin crește numărului de nuclee de condensare în atmosferă, furnizând particule de aerosoli în nori, în plus față de fondul natural care poate fi rar și de dimensiuni mai mici. Conținutul de apă al norului condensează în picături lichide, crescând adâncimea acestuia, durata de viață și intensitatea ploii.

Procesul este foarte complex. Substanțele introduse în nori servesc ca nuclee de condensare, ajutând la formarea precipitațiilor. Bazându-se pe abilitățile unor materiale (iodură de argint și gheață uscată) de a se comporta ca nuclee pentru gheață, au fost propuse mai multe tipuri de moduri de însămânțare a norilor [2]:

• În modul static, nucleele de condensare (de obicei iodură de argint sau gheață uscată) sunt adăugate pentru a crește cantitatea de precipitații. Aceste cristale acționează ca nuclee de condensare pentru umiditatea deja prezentă în nori, crescând eficiența dispersării apei în nor. Experimentele au arătat că fereastra de oportunitate pentru această metodă de însămânțare este limitată cel puțin de disponibilitatea apei supra-răcite în nor. Rata de succes a însămânțării norilor în mod static este variabilă, deoarece condițiile de mediu sunt greu de replicat.

• În modul dinamic, curentele de aer verticale sunt îmbunătățite prin adăugarea unei cantități de nuclee de condensare în nor. Acest concept se bazează pe însămânțarea norilor supra-răciți cu cantități enorme de nuclee (aproximativ de 100 de ori mai multe nuclee de condensare) pentru a produce formarea rapidă a particulelor de gheață, căldura latentă eliberată crescând flotabilitatea și îmbunătățind curenții de convecție ascendenți din nor, ceea ce duce la creșterea acestuia și producerea unei cantități mai mari de precipitații. Acest lucru poate produce și vârtejuri puternice și interacțiuni cu mediul conducând la un fenomen de convecție mai activ. Însămânțarea dinamică este un proces mai complex decât cel static, depinzând de mai multe evenimente, fiind identificate până în prezent aproximativ unsprezece etape ale procesului [6]. Orice intervenție care alterează secvența acestor etape poate afecta serios rezultatul final, făcând metoda mai puțin fiabilă decât însămânțarea statică a norilor.

• În însămânțarea higroscopică, nucleele sunt cristale de sare pe care apa condensează până când acestea devin suficient de mari pentru a produce precipitații. Acest tip de însămânțare este asociat cu însămânțarea norilor calzi. Stimularea precipitațiilor se datorează procesului îmbunătățit de coalescență. În forma inițială, metoda avea unele dezavantaje, cum ar fi cantitatea mare de sare necesară, care trebuia dispersată pe suprafețe la fel de mari în nor. Mai mult, rata de creștere a particulelor de ploaie trebuie să se potrivească profilului de convecție ascendentă. Mai târziu, abordarea s-a schimbat către însămânțarea norilor calzi de la baza acestora folosind dispozitive pirotehnice care produc particule de sare de dimensiuni sub-micrometrice, rezultând într-un spectru mai de dimensiuni ale nucleelor. Această abordare folosește cantități mai mici de sare, în timp ce zona țintă poate fi ușor determinată la baza norului.

Metodele de însămânțare a norilor pot fi (Figura 1):

- Aeriană - sunt folosite avioane care dispersează nuclee în interiorul norilor folosind echipamente pirotehnice speciale (cartușe și blocuri)

- Sistemele terestre sunt folosite în același scop ca și avioanele. Astfel de sisteme pot fi rachete, semnale pirotehnice, tunuri de grindină, însămânțare cu artilerie, etc. Are loc arderea unui reactiv care ajunge apoi în nori datorită curenților de ascensiune.

Pe lângă mijloacele tehnologice necesare pentru însămânțarea directă, sunt necesare și altele pentru monitorizarea norilor și a precipitațiilor (sisteme radar, rețele de transmisie a imaginilor prin satelit, stații meteorologice, etc.).

Fondul natural de nuclee de condensare este reprezentat de particulele de praf, sare marină, funingine și alte particule provenite din procese naturale sau de natură antropogenă. Moleculele de apă dintr-un nor condensează pe aceste nuclee, iar dimensiunea picăturilor de nor crește pe măsură ce acumulează mai multă apă prin condensare sau ciocniri între picături. Semințele de nor artificiale accelerează procesul și oferă apei mai mult material pe care să se condenseze, particulele crescând mai rapid și fiind facilitată apariția precipitațiilor.

Însămânțarea poate fi făcută prin două metode, așa cum este prezentat și în Figura 1:

- în zona superioară a norului, prin injectarea directă a nucleelor folosind dispozitive care conțin o substanță higroscopică (nanoparticule de CaCl₂) sau cu potențial de formare a cristalelor de gheață (AgI), montate pe un avion

- în partea inferioară a norului, prin răspândirea nucleelor de însămânțare folosind stații fixe care lansează rachete sau de la torțe montate pe aripile unui avion.

Substanțele folosite pentru însămânțarea norilor au o capacitate mare de a forma gheață în prezența apei supra-răcite și constau în aerosoli formatori de gheață și reactivi pentru răcire. Unele dintre acestea sunt higroscopice, folosite în principal pentru norii calzi. Substanțele sub formă de pudră sunt folosite în principal pentru disiparea norilor convectivi, prin introducerea unor vârtejuri descendente puternice. Substanța cea mai comună care formează gheață este iodura de argint (AgI); aceasta are o structură cristalină similară cu cea a cristalelor de gheață, fiind foarte eficientă ca nucleu de îngheț la temperaturi mai mici de -4°C. Combustia a 1 g de amestecuri care conțin 8% AgI duce la producția de 5⋅10¹² nuclee la o temperatură de -10°C [7].

Alte substanțe folosite ca nuclee de însămânțare sunt următoarele:

- pentru nori reci: AgI, propan lichid și acetonă lichidă, gheață uscată (CO₂)

- pentru nori calzi: uree, ciment, sare fină

- pentru nori complecși: AgI, NaCl, KCl, CaCl₂

Substanțele de tip pudră au eficiențe diferite în funcție de compoziția lor, hidrofilicitate (care influențează capacitatea de a interacționa cu picăturile de nor), dispersie (valoarea optimă este de 3000 cm²/g), densitate (determină distribuția și comportamentul în interiorul norului datorită curenților de aer) [7].

Efectele însămânțării pot dura de la câteva minute la perioade mai lungi, în funcție de metoda de livrare a însămânțării. Injectarea directă este imediată, dar necesită utilizarea unui avion care zboară la altitudini mari, ceea ce ar putea fi costisitor. În cazul însămânțării la baza norului prin intermediul curenților de ascensiune, substanța de însămânțare trebuie transportată de către curentul ascensional în nor pentru a deveni eficientă, proces care necesită mai mult timp.

Norii convectivi sunt însămânțați de sus în jos folosind aeronave; atunci când vârful lor este deasupra nivelului de serviciu al avioanelor utilizate, substanța de însămânțare este dispersat în nor la înălțimea maximă de zbor a aeronavei. Când un sistem convectiv multiplu este însămânțat, se utilizează până la zeci de cartușe, însămânțarea pentru fiecare vârf fiind similară cu cea pentru un singur nor. Când norii stratiformi sunt însămânțați pentru a produce ploaie, însămânțarea are loc pe o linie perpendiculară față de direcția mișcării, zona însămânțată fiind de câțiva km distanță, substanța utilizată fiind transportată de fenomenele turbulente din atmosferă. Astfel, precipitațiile vor fi, de asemenea, limitate în zona țintă.

Eficiența însămânțării norilor a crescut în mod constant. Organizația Meteorologică Mondială (OMM) a raportat că însămânțarea folosind avionul a devenit mai eficientă decât majoritatea metodelor terestre. Cu toate acestea, evaluarea eficienței este complicată din cauza proprietăților complexe ale fenomenelor atmosferice, în special evoluția norilor. Au fost efectuate multiple experimente și a fost aplicată o abordare statistică, în modele de control-țintă. De obicei precipitațiile sunt înregistrate în zonele de control în zone în care nu se face însămânțarea norilor, iar apoi este folosită o ecuație de regresie pentru a modela precipitațiile naturale. După acest proces se poate evalua impactul potențial al însămânțării prin compararea modelului de regresie cu fenomenele observate. Utilizând această abordare, s-a determinat că precipitațiile anuale au crescut cu până la 10% ca rezultat al însămânțării norilor.

Pentru a studia în detaliu fenomenele atmosferice implicate, detecția radar este esențială. Aceasta poate oferi o monitorizare cu rezoluție înaltă în timp real a norilor și o estimare a precipitațiilor; prin urmare, este folosită pentru a ajuta în procesul de însămânțare și, de asemenea, pentru a-l studia.

Studiu de caz – programul de însămânțare a norilor din Emiratele Arabe Unite

În Emiratele Arabe Unite, însămânțarea norilor este o strategie guvernamentală pentru a face față condițiilor climatice din această țară. Programul este implementat începând din 2002 de către Centrul Național de Meteorologie al EAU, și urmează o abordare convențională: săruri naturale, în principal clorură de potasiu (KCl), sunt lansate folosind dispozitive pirotehnice la baza norilor convectivi în apropierea nucleului de ascensiune [1]. Aplicându-se o metodă de regresie control-țintă s-a estimat o creștere anuală medie de 23% a cantității de precipitații, cu creșteri ale volumului ecoului furtunii de până la 159%, creșterea zonei de acoperire cu aproximativ 72%, și durata de viață de aproximativ 65% [1]. Cazul EAU este unul special, cu aproximativ 300 de misiuni de însămânțare anuale și un obiectiv de optimizare a eficienței procesului în beneficiul securității apei în țară. Programul este necesar deoarece precipitațiile medii anuale sunt sub 100 mm, într-un climat cu temperaturi în creștere și modele meteorologice schimbătoare.

Impactul și perspectivele tehnologiilor de însămânțare a norilor

Nu a fost identificat un impact negativ asupra mediului din punct de vedere al poluării, chiar și în cazul aerosolilor de iodură de argint sau a altor particule precum cimentul și argila [2,6,7]. Concentrația de argint în apa de ploaie este mult sub valoarea ambientală acceptabilă de 50 μg/L. De asemenea, nu există un impact asupra climei; însămânțarea modifică norii individual sau grupurile de nori cu efecte doar la nivel local. Dezavantajele tehnologiei sunt faptul că nu funcționează întotdeauna și faptul că implică costuri ridicate.

Tehnologia de însămânțare a norilor are un mare potențial pentru îmbunătățirea precipitațiilor, fiind strâns legată de managementul resurselor de apă. Este foarte important să se ia în considerare potențialele beneficii în sectorul agricol legate de stimularea precipitațiilor prin însămânțarea norilor. Această tehnică poate duce la îmbunătățirea semnificativă a condițiilor de viață în zonele aride, reglând precipitațiile prin prevenirea grindinei. Cercetările efectuate până acum au arătat că însămânțarea norilor poate fi folosită ca un instrument de gestionare a resurselor de apă pe termen lung, alături de stocarea apei și irigarea culturilor.

Bibliografie

1. 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

2. 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.

3. 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

4. Schaefer, V.J. Snow and Clouds in the Sky, 1947, General Electric – Project Cirrus.

5. 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.

6. 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

7. 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