Sejanje oblakov (cloud seeding)

Podnebne spremembe so vplivale na vzorec padavin. Danes so številne države ranljive zaradi zmanjšanja vodnih virov. Suša je postala stalnica v številnih delih sveta, zato se vlade po vsem svetu osredotočajo na načrte za obvladovanje suše. Suša ne vpliva le na kmetijstvo, temveč tudi na skupnosti, zdravje, izobraževanje in prehrano. Negativno vpliva na vlažnost tal, površinsko odtekanje in vse vodne vire, kar ima negativne družbene in gospodarske posledice.

Kot smo predstavili v prejšnjih poglavjih, so vodne zaloge omejene, zato se za zagotavljanje vode v kmetijstvu uporabljajo nove tehnologije in metode. Eden od načinov, kako to doseči, je spodbujanje nastajanja padavin s sejanjem oblakov [1–7]. Na nekaterih območjih po svetu, na primer v Združenih arabskih emiratih, se ta metoda že pogosto uporablja. V drugih državah, kot so Avstralija, Rusija, Kitajska, Indija, Izrael, Združene države Amerike in tudi Romunija, so jo začeli izvajati pred kratkim [3]. Sejanje oblakov ne le spodbuja nastajanje padavin, temveč lahko tudi pomaga preprečiti točo, ki prav tako predstavlja veliko težavo za kmetijstvo. Toča ima lahko negativne posledice, zlasti za kulture, ki potrebujejo nekaj let, da postanejo produktivne, kot so vinogradi in sadovnjaki.

Sodobna tehnologija spreminjanja vremena se je začela v 40. letih prejšnjega stoletja, ko sta Schaefer in Vonnegut ugotovila, da se lahko podhlajene vodne kapljice po sejanju lahko spremenijo v led. V toplih oblakih dež sprožijo veliki higroskopni delci [4]. V padavine se ne pretvori vsa razpoložljiva vlaga iz oblakov, temveč le majhna količina. To predstavlja možnost povečanja oskrbe z vodo s sejanjem oblakov. Kljub raziskavam, opravljenim v zadnjem stoletju, zapletenost atmosferskih procesov neposredno vpliva na ponovljivost poskusov sejanja oblakov. Visoki stroški, povezani s potrebno opremo, ter razmerje med stroški in koristmi vpliva na izvajanje raziskovalnih programov v zvezi s sejanjem oblakov.

Obrazložitev postopka

Do padavin pride, ko se izhlapela voda v ozračju s kondenzacijo zbere okoli delcev v ozračju. To privede do zasičenosti zraka, ki posledično ne more več zadržati vlage. Nato nastale kapljice začnejo padati.

Sejanje oblakov je razprševanje umetnih snovi v oblak, da bi spremenili njegov razvoj ali povečali količino padavin, ki jih proizvede. Padavine se lahko povečajo z več vremenskimi modifikacijami, s katerimi se poveča število kondenzacijskih jeder. To lahko storimo z dodajanjem in posledičnim povečanjem količine aerosolnih delcev, ki bi bili brez posredovanja prisotni v oblaku v veliko manjšem številu. Voda v oblaku se kondenzira v kapljice, kar poveča globino in življenjsko dobo oblaka ter intenzivnost padavin.

Postopek je zelo obsežen. Snovi, ki se vnesejo v oblake, delujejo kot kondenzacijska jedra oblakov in pripomorejo k nastanku padavin. Ker glaciogeni materiali (srebrov jodid in suhi led) tvorijo led, je bilo predlaganih več vrst načinov sejanja oblakov [2]:

• Pri statični metodi se dodajo kondenzacijska jedra (običajno srebrov jodid ali suhi led), da se poveča količina padavin. Ti kristali delujejo kot kondenzacijska jedra za vlago, ki je že prisotna v oblaku, kar poveča učinkovitost razprševanja vode v oblaku. Poskusi so pokazali, da so priložnosti za uporabo te metode sejanja omejene vsaj z razpoložljivostjo podhlajene vode v oblaku. Stopnja uspešnosti sejanja oblakov s statično metodo je različna, saj je okoljske pogoje težko ponoviti.

• Pri dinamični metodi se vertikalni zračni tokovi okrepijo tako, da se v oblak dodajo veliko večje količine kondenzacijskih jeder. Ta metoda temelji na dodajanju ogromne količine jeder (približno 100-krat več kondenzacijskih jeder) podhlajenim oblakom, kar povzroči hitro nastajanje ledenih delcev, sproščena latentna toplota pa poveča vzgon spodbudi oblačne vzgornike. Ta postopek povzroči rast oblaka in več padavin. Slednje bi lahko povzročilo močne vzdolnike in interakcije z okoljem, kar bi povzročilo aktivnejšo konvekcijo. Dinamično sejanje je bolj zapleteno kot statično, saj je odvisno od več dejavnikov. Opredeljenih je približno 11 stopenj postopka [6]. Kakršnokoli poseganje v zaporedje dogodkov lahko znatno vpliva na končni rezultat, zato je metoda manj zanesljiva od statične metode sejanja oblakov.

• Pri higroskopnem sejanju so jedra kristali soli, na katerih se kondenzira voda dokler niso dovolj veliki, da povzročijo padavine. Ta metoda je povezana s sejanjem toplih oblakov. Spodbujanje padavin povzroča okrepljen proces združitve. V začetni obliki je imela metoda nekaj pomanjkljivosti. Zahtevala je na primer veliko količino soli, ki jo je bilo treba razpršiti na območju v velikosti dotoka oblaka. Poleg tega mora biti hitrost rasti dežnih delcev skladna s profilom vzgornika. Kasneje se je pristop spremenil tako, da so tople oblake sejali s pirotehničnimi svetilnimi raketami, ki so proizvajale mikrometrske delce soli. To je omogočilo bolj raznolike velikosti delcev. Na ta način se uporabljajo manjše količine soli, ciljno območje pa je mogoče zlahka določiti na dnu oblaka.

Metode sejanja oblakov so lahko (Slika 1):

- Zračne – z letali se jedra v oblakih razpršijo s posebno pirotehnično opremo (naboji in kladami).

- Talni sistemi se uporabljajo za isti namen kot letala. Takšni sistemi so lahko generatorji, rakete, pirotehnične svetilne rakete, topovi za točo, topniško sejanje itd. Reagent se vžge in nato z vzgorniki doseže oblake.

Poleg tehnoloških sredstev, potrebnih za neposredno sejanje, so potrebna tudi druga sredstva za spremljanje oblakov in padavin (radarski sistemi, omrežja za prenos satelitskih slik, meteorološke postaje itd.).

Naravno ozadje kondenzacijskih jeder predstavljajo prašni delci, morska sol, saje in drugi delci, ki izvirajo iz naravnih procesov ali so antropogenetski. Vodne molekule v oblaku kondenzirajo na teh jedrih ali tako imenovanih oblačnih semenih (cloud seeds). Tako se povečuje velikost kapljic, saj s kondenzacijo ali stikom z drugimi kapljicami nabirajo več vode. Umetna oblačna semena pospešujejo proces in nudijo vodi več delcev, na katerih se lahko kondenzira. Tako delci hitreje rastejo in padavine so lažje.

Sejanje se lahko izvede na dva načina, kot je prikazano na sliki 1:

- V zgornjem delu oblaka z neposrednim vnašanjem jeder s svetilnimi raketami, ki vsebujejo higroskopno (nanodelci CaCl₂) ali glaciogeno (AgI) snov. Nameščene so na trebuhu letala.

- V spodnjem delu oblaka s širjenjem jeder s fiksnimi postajami, ki izstreljujejo rakete, ali z baklami, nameščenimi na krilih letala.

Snovi, ki se uporabljajo za sejanje oblakov, izjemno dobro tvorijo led v stiku s podhlajeno vodo in so sestavljene iz aerosolov, ki tvorijo led, in reagentov za hlajenje. Nekateri so higroskopni in se uporabljajo predvsem za tople oblake. Prašni reagenti se uporabljajo predvsem za razpršitev konvektivnih oblakov tako, da ustvarijo močne vzdolnike. Najpogostejša snov, ki tvori led, je srebrov jodid (AgI). Ima kristalno strukturo, podobno ledenim kristalom, in je zelo učinkovito ledeno jedro pri temperaturah, nižjih od -4°C. Pri zgorevanju 1 g zmesi, ki vsebuje 8 % AgI, nastane 510¹² jeder pri temperaturi -10°C [7].

Druge snovi, ki se uporabljajo kot semenska jedra, so naslednje:

- za hladne oblake: AgI, tekoči propan in tekoči aceton, suhi led (CO₂)

- za tople oblake: sečnina, cement, drobna sol

- za kompleksne oblake: AgI, NaCl, KCl, CaCl₂

Prašni reagenti imajo različne učinkovitosti, ki so odvisne od njihove sestave, hidrofilnosti (vpliva na zmožnost interakcije s kapljicami oblaka), razprševanja (optimalna vrednost je 3000 cm²/g), specifične mase (določa porazdelitev in delovanje znotraj oblaka zaradi tokov) [7].

Učinki sejanja lahko trajajo od nekaj minut do daljših obdobij, odvisno od načina izvedbe sejanja. Neposredno vnašanje je takojšnje, vendar zahteva uporabo letala, ki leti na veliki višini, kar je lahko drago. Pri sejanju z vzgornikom ob vznožju oblaka mora vzgornik prenesti sejalno snov v oblak, kar lahko traja dlje časa.

Konvektivni oblaki se z letalom sejejo z vrha. Ko je njihov vrh nad delovno višino letal, se reagent razprši v oblaku na največji višini leta. Pri sejanju z večnivojskim konvektivnim sistemom se uporabi do deset nabojev. Sejanje vsakega vrha je podobno sejanju enega oblaka. Ko se sejejo slojasti (stratiformni) oblaki, sejanje poteka pravokotno na smer gibanja. Območje sejanja je dolgo nekaj kilometrov, reagent pa se prenaša prek turbulentnih pojavov v ozračju. Tako bodo tudi padavine omejene na ciljno območje.

Učinkovitost sejanja oblakov se neprestane povečuje. Svetovna meteorološka organizacija (World Meteorological Organization ali WMO) je poročala, da je sejanje z letali postalo učinkovitejše od večine talnih sistemov sejanja. Kljub temu je ocenjevanje učinkovitosti zahtevno zaradi zapletenosti atmosferskih pojavov, predvsem razvoja oblakov. Izvedenih je bilo več poskusov. Pri modelih nadzora cilja se uporablja statistični pristop. Medtem ko se sejanje oblakov ne izvaja se na kontrolnih območjih beležijo padavine. Nato se z regresijsko enačbo posnemajo naravne padavine. Tako je s primerjavo regresijskega modela in opazovanih pojavov mogoče oceniti morebitne vplive sejanja. S tem pristopom je bilo ugotovljeno, da se je letna količina padavin zaradi sejanja oblakov povečala za do 10 %.

Za podrobno proučevanje atmosferskih pojavov je najpomembnejše radarsko zaznavanje. Omogoča meritve oblakov z visoko ločljivostjo in v realnem času. S temi meritvami lahko analiziramo padavine, zato se tovrstni sistem uporablja kot pomoč pri procesu in proučevanju sejanja.

Študija primera – program sejanja oblakov v ZAE

V Združenih arabskih emiratih je sejanje oblakov strategija vlade za obvladovanje podnebnih razmer v državi. Program od leta 2002 izvaja Nacionalni meteorološki center Združenih arabskih emiratov (National Center of Meteorology of UAE) in temelji na običajnem pristopu: naravne soli, predvsem kalijev klorid (KCl), se z raketami izstrelijo ob vznožju konvektivnih oblakov v bližini vzgornika [1]. Uporabljena je bila regresijska metoda nadzora cilja in ugotovljeno je bilo povprečno letno povečanje padavin za 23 %, pri čimer se je obseg odmeva neviht povečal do 159 %, obseg površine za približno 72 % in življenjska doba za približno 65 % [1]. Primer Združenih arabskih emiratov je poseben. Program izvaja približno 300 sejalnih misij na leto, cilj pa je optimizirati učinkovitost procesa in zagotavljanje preskrbe z vodo v državi. Program je ključnega pomena, ker je povprečna letna količina padavin pod 100 mm, temperature pa naraščajo in vremenski vzorci se spreminjajo.

Vpliv in perspektive tehnologij sejanja oblakov

Vplivi na okolje z vidika onesnaževanja niso bili potrjeni niti v primeru aerosolov srebrovega jodida ali drugih delcev, kot sta cement in glina [2,6,7]. Koncentracija srebra v deževnici je precej pod okoljsko sprejemljivo vrednostjo 50 μg/L. Prav tako ni vpliva na podnebne spremembe. Sejanje spreminja lastnosti posameznih oblakov ali skupin oblakov in ima le lokalne učinke. Slabosti te tehnologije so, da je draga in nezanesljiva.

Tehnologija sejanja oblakov ima velik potencial za povečanje količine padavin, saj je tesno povezana z upravljanjem vodnih virov. Pomembno je razmisliti o morebitnih kmetijskih koristih, ki bi jih lahko dosegli s sejanjem oblakov. Bistveno lahko izboljša življenjske razmere na sušnih območjih, saj s preprečevanjem toče uravnava količino padavin. Dosedanje raziskave so pokazale, da se lahko sejanje oblakov skupaj s shranjevanjem vode in namakanjem poljščin uporablja kot dolgoročno orodje za upravljanje vodnih virov.

Viri in literatura

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