Bulut tohumlama

İklim değişikliğinin bir sonucu olarak, yağış düzeni etkilenmiş ve su kaynaklarının azalması nedeniyle birçok ülke savunmasız durumlarda kalmıştır. Kuraklık dünyanın birçok yerinde düzenli bir olay haline gelmiştir, bu nedenle dünya çapındaki hükümetler kuraklık yönetimi planlarına odaklanmaktadır. Kuraklığın etkileri tarımla sınırlı olmayıp toplumların sağlığı, eğitimi ve beslenmelerini güçlü bir şekilde etkilemektedir. Toprağın nemini, yüzey akışını ve tüm su kaynaklarını olumsuz etkiler, sosyal ve ekonomik açıdan olumsuz sonuçlar doğurur.

Daha önceki bölümlerde de bahsettiğimiz gibi su rezervleri kıt olup, tarımın su ihtiyacını karşılamaya yönelik yeni teknoloji ve yöntemler hedeflenmektedir. Bunu başarmanın yollarından biriside bulut tohumlama yoluyla yağış üretimini teşvik etmektir [1-7]. Günümüzde Birleşik Arap Emirlikleri gibi dünyanın bazı bölgeleri bu yöntemi yaygın olarak kullanıyor. Avustralya, Rusya, Çin, Hindistan, İsrail, Amerika Birleşik Devletleri ve aynı zamanda Romanya gibi diğer bölgelerde uygulamaya kısa süre önce başlandı [3]. Bulut tohumlama, bir yandan yağış oluşumunu teşvik ederken, diğer yandan iklim değişikliğinden kaynaklanan ve özellikle etkilerinin düzelmesi birkaç yıl süren üzüm bağları ve meyve bahçeleri gibi ürünler için olumsuz etkileri olabilecek bir diğer önemli tarım sorunu olan dolu oluşumunun önlenmesine yardımcı olabilir.

Modern hava durumunu değiştirme teknolojisi, 1940'larda Schaefer ve Vonnegut'un aşırı soğutulmuş su damlacıklarının tohumlamadan sonra buza dönüşebileceğini keşfetmesiyle başladı. Sıcak bulutlarda yağmur büyük, higroskopik parçacıklar kullanılarak başlatıldı [4]. Bulutlardaki mevcut nemin tamamı yağışa dönüşmez, ancak küçük bir miktar, bulut tohumlama yoluyla su tedarikinin arttırılmasının araştırılması olasılığını ortaya koyan bir gerçektir. Geçtiğimiz yüzyılda yapılan araştırmalara rağmen atmosferik süreçlerin karmaşıklığı, bulut tohumlama deneylerinin tekrarlanabilirliğini doğrudan etkiliyor. Gerekli ekipman nedeniyle ortaya çıkan yüksek maliyetler göz önüne alındığında, maliyet-fayda oranı, bulut tohumlamayla ilgili devam eden araştırma programlarını etkilemektedir.

Modern hava durumu modifikasyon teknolojisi, Schaefer ve Vonnegut'un aşırı soğutulmuş su damlacıklarının tohumlamadan sonra buza dönüştürülebileceğini bulmasıyla 1940'larda başladı. Sıcak bulutlarda yağmur, büyük, higroskopik parçacıklar kullanılarak başlatıldı [4]. Normal koşullarda bulutlardaki mevcut nemin tamamı yağışa dönüşmez, bu olgu bulut tohumlamasıyla daha fazla su tedarikini artırma olasılığını ortaya koymuştur. Geçtiğimiz yüzyılda yapılan araştırmalara rağmen, atmosferik süreçlerin karmaşıklığı, bulut tohumlama deneylerinin tekrarlanabilirliğini doğrudan etkilemektedir. Bu işlem için kullanılan ekipmanlar nedeniyle ortaya çıkan yüksek maliyetler, bulut tohumlamasıyla ilgili devam eden araştırma programlarını etkileyen en önemli unsur durumunda bulunmaktadır.

Sürecin açıklaması

Atmosferde buharlaşan suyun, atmosferdeki parçacıkların etrafında yoğunlaşarak toplanması ve havanın nemi tutamayıp doygunluğa ulaşması ve oluşan damlacıkların düşmesi sonucu yağış meydana gelir.

Bulut tohumlama, bulutun gelişimini değiştirmek veya yağışını artırmak için yapay maddelerin bir bulutun içine dağıtılmasını temsil eder. Yağışın arttırılması, kıt ve daha küçük boyutlarda bulunabilen doğal arka plan popülasyonunun ötesinde, bulutlara aerosol parçacıkları sağlayarak atmosferdeki yoğuşma çekirdeklerinin sayısını artırmak için çeşitli hava değişiklikleri yapılarak gerçekleştirilir. Bulutun su içeriği sıvı damlacıklar halinde yoğunlaşarak bulutun derinliğini, ömrünü ve yağışın yoğunluğunu arttırır.

Süreç oldukça karmaşıktır. Bulutlara giren maddeler, bulut yoğunlaşma çekirdeği görevi görerek yağış oluşumuna yardımcı olur. Buzul yapıcı materyallerin (gümüş iyodür ve kuru buz) buz çekirdeklendirme yeteneklerine dayanarak, çeşitli bulut tohumlama modları önerilmiştir [2]:

• Statik modda, yağış miktarını artırmak için yoğunlaşma çekirdekleri (genellikle gümüş iyodür veya kuru buz) eklenir. Bu kristaller, bulutlarda halihazırda mevcut olan nem için yoğunlaşma çekirdeği görevi görerek suyun bulutta dağılma verimliliğini artırır. Deneyler, bu tohumlama yöntemi için mümkün olabilirliğin buluttaki aşırı soğutulmuş suyun mevcudiyeti ile sınırlı olduğunu göstermiştir. Statik modda bulut tohumlamanın başarı oranı değişkendir çünkü çevre koşullarının tekrarlanması zordur.

• Dinamik modda , buluta çok daha fazla miktarda yoğunlaşma çekirdeği eklenerek dikey hava akımları artırılır. Bu kavram, aşırı soğutulmuş bulutları büyük miktarda çekirdekle (yaklaşık 100 kat daha fazla yoğunlaşma çekirdeği) tohumlamaya dayanır ve böylece buz parçacıklarının hızla oluşması, salınan gizli ısının kaldırma kuvvetini artırarak bulut yukarı akımlarını canlandırması ve bulutun büyümesi ve daha fazla yağış sağlamasıyla sonuçlanır. İkincisi, daha aktif bir konveksiyon olgusuna yol açacak şekilde güçlü aşağıya doğru akımlar ve çevre ile etkileşimler üretebilir. Dinamik tohumlama, statik olandan daha karmaşık bir işlemdir ve birkaç olaya bağlıdır, işlemin yaklaşık 11 aşaması tanımlanmıştır [6]. Olay dizisine herhangi bir müdahale, nihai sonucu ciddi şekilde etkileyebilir ve bu da yöntemi statik bulut tohumlamadan daha az güvenilir hale getirir.

• Higroskopik tohumlamada çekirdekler, suyun çökelmeye neden olacak şekilde büyüyene kadar yoğunlaştığı tuz kristalleridir. Sıcak bulut tohumlaması ile ilişkilidir. Yağışların artması, artan birleşme sürecinden kaynaklanmaktadır. Başlangıçta yöntemin, bulut girişi kadar geniş alanlara dağıtılması gereken büyük miktarda tuza ihtiyaç duyması gibi bazı dezavantajları vardı. Ayrıca yağmur parçacıklarının büyüme hızının yukarı yönlü hava profiline uygun olması gerekmekteydi. Daha sonraki yaklaşım, mikrometre boyutunda tuz parçacıkları üreten piroteknik işaret fişekleri kullanarak alttaki sıcak bulutları tohumlamaya dönüştü ve bu da daha geniş bir boyut spektrumuyla sonuçlandı. Bu yaklaşım daha az miktarda tuz kullanırken, hedef alan bulutun tabanında kolayca belirlenebilir.

Tohumlama, Şekil 1'de de gösterildiği gibi iki yöntemle yapılabilir:

Uçakların kullanıldığı yöntemde özel piroteknik ekipmanlar (kartuşlar ve bloklar) bulutlardaki çekirdekleri yaymak için kullanılır. Bir uçağın göbeğine monte edilmiş higroskopik (CaCl₂ nanopartikülleri) veya buzul yapıcı (AgI) madde içeren işaret fişekleri kullanılarak çekirdeklerin doğrudan enjekte edilmesi yoluyla bulutun üst bölgesine yapılır.

Yer tabanlı sistemler uçaklarla aynı amaç için kullanılır. Bu tür sistemlerde jeneratörler, roketler, piroteknik fişekler, dolu toplar, topçu tohumlaması vb. kullanılabilir. Bir reaktif yakılır ve ardından yukarı akış akımları ile bulutlara ulaşır. Tohumlama çekirdeklerinin yayılması yoluyla bulutun alt kısmına uygulanır.

Doğrudan tohumlama için gerekli teknolojik araçların yanı sıra, bulutları ve yağışı izlemek için başka araçlara da (radar sistemleri, uydu görüntü iletim ağları, meteoroloji istasyonları vb.) ihtiyaç vardır.

Yoğuşma çekirdeklerinin doğal arka planı, toz parçacıkları, deniz tuzu, kurum ve doğal süreçlerden gelen veya antropogenetik yapıya sahip diğer parçacıklarla temsil edilir. Bir buluttaki su molekülleri, bulut tohumları olarak adlandırılan bu çekirdeklerin üzerinde yoğunlaşır ve bulut damlacıklarının boyutu, yoğunlaşma veya diğer damlalarla çarpışma yoluyla daha fazla su biriktirdikçe artar. Yapay bulut tohumları süreci hızlandırır ve suya yoğunlaşması için daha fazla malzeme verir, parçacıklar daha hızlı büyür ve yağış kolaylaştırılır.

Bulut tohumlama için kullanılan maddeler, aşırı soğutulmuş su varlığında yüksek buz oluşturma kapasitesine sahiptir ve buz oluşturucu aerosoller ve soğutma için reaktiflerden oluşur. Bunlardan bazıları higroskopiktir ve çoğunlukla sıcak bulutlar için kullanılır. Toz reaktifler esas olarak güçlü aşağıya doğru akımların eklenmesi yoluyla konvektif bulutların dağıtılması için kullanılır. En yaygın buz oluşturan madde gümüş iyottur (AgI) ; buz kristallerine benzer kristal bir yapıya sahiptir ve -4 C'nin altındaki sıcaklıklarda buz çekirdeği olarak çok etkilidir. %8 AgI içeren 1 g karışımın yanması, 5 10¹² çekirdeğin üretilmesine yol açar. -10 °C [7].

Tohumlama çekirdeği olarak kullanılan diğer maddeler şunlardır:

-soğuk bulutlar için: AgI , sıvı propan ve sıvı aseton, kuru buz (CO₂)

-sıcak bulutlar için: üre, çimento, ince tuz

-karmaşık bulutlar için: AgI , NaCl , KCl , CaCl ₂

Toz reaktifler, bileşimlerine, hidrofilisitelerine (bulut damlacıklarıyla etkileşime girme yeteneğini etkiler), dağılımlarına (optimum değer 3000 cm² g^-1 dır), özgül ağırlıklarına (akımlar nedeniyle bulut içindeki dağılımı ve davranışı belirler) bağlı olarak farklı verimliliklere sahiptir [7].

Tohumlama etkileri tohumlama dağıtım yöntemine bağlı olarak birkaç dakikadan daha uzun sürelere kadar değişebilir. Doğrudan enjeksiyon anında gerçekleşir ancak yüksek irtifada uçan bir uçağın kullanılmasını gerektirir ki bu da pahalı bir yöntemdir. Bulutun tabanındaki yukarı akım tohumlaması durumunda, tohumlama maddesinin etkili olabilmesi için yukarı akım tarafından buluta taşınması gerekir ve bu daha uzun zaman alır.

Konvektif bulutlar uçak kullanılarak tepeden tohumlanır; reaktif, uçağın maksimum uçuş yüksekliğinde bulutta dağıtılır. Çoklu tepe konvektif sistemi ekildiğinde, onlarca kartuşa kadar kullanılabilir, her tepe için tohumlama işlemi bir bulut için olana benzerdir. Stratiform bulutlar yağmur üretmek için tohumlandığında, tohumlama işlemi hareket yönüne dik bir çizgide gerçekleşir, bu bölge birkaç km'dir. Reaktif, atmosferdeki türbülans olayları tarafından taşınır. Böylece, yağış hedeflenen alanda sınırlı olacaktır.

Bulut tohumlamanın etkinliği sürekli artmaktadır. Dünya Meteoroloji Örgütü (WMO), uçakla tohumlamanın yer tabanlı yöntemlerden daha etkili hale geldiğini bildirmektedir. Yine de, atmosferik olayların karmaşık özelliklerinden dolayı verimliliğin değerlendirilmesi zordur. Kontrol-hedef modellerinde çok sayıda deney yapılmış ve istatistiksel bir yaklaşım uygulanmıştır. Bulutların tohumlanmadığı durumlarda yağış kontrol alanlarında kaydedilir ve doğal yağışları taklit etmek için bir regresyon denklemi kullanılır. Daha sonra potansiyel tohumlama etkileri, regresyon modelinin gözlemlenen olgularla karşılaştırılması yoluyla değerlendirilebilir. Bu yaklaşım kullanılarak bulut tohumlama sonucunda yıllık yağışların %10'a varan oranda arttığı belirlenmiştir.

İlgili atmosferik olayları ayrıntılı olarak incelemek için radar tespiti çok önemlidir. Yüksek çözünürlüklü, gerçek zamanlı bulut ölçümü ve yağış tahmini sunabilir; bu nedenle tohumlama işlemine ve aynı zamanda çalışmasına yardımcı olmak için kullanılır.

Örnek olay – BAE bulut tohumlama programı

Birleşik Arap Emirlikleri'nde bulut tohumlama, ülkenin iklim koşullarıyla başa çıkmak için bir hükümet stratejisidir. Program 2002 yılından bu yana BAE Ulusal Meteoroloji Merkezi tarafından uygulanmaktadır ve geleneksel bir yaklaşım izlemektedir: başta potasyum klorür (KCl) olmak üzere doğal tuzlar, konvektif bulutların tabanına, yukarı çekirdeğin yakınına işaret fişekleri kullanılarak fırlatılmaktadır [1]. Bir hedef kontrol regresyon yöntemi uygulanarak uygulamalar sonucunda fırtına yankı hacminde %159'a varan, alan kaplamasında yaklaşık %72'lik ve yaşam süresinde yaklaşık %65'lik artışlarla birlikte yağışta yıllık %23'lük bir artış olduğu saptanmıştır [1]. BAE örneği, yılda yaklaşık 300 tohumlama misyonu ve ülkedeki su güvenliği yararına sürecin etkinliğini optimize etme hedefi ile özel bir durumdur. Yıllık ortalama yağışın 100 mm'nin altında olması, artan sıcaklıklar ve değişen hava koşulları nedeniyle bu program gereklidir.

Bulut tohumlama teknolojilerinin etkisi ve perspektifleri

Gümüş iyot aerosolleri veya çimento ve kil gibi diğer parçacıklar söz konusu olduğunda bile kirlilik açısından çevresel etkiler tespit edilememiştir [2,6,7]. Yağmur suyundaki gümüş konsantrasyonu, kabul edilebilir çevresel değer olan 50 µg / L'nin çok altındadır. İklim değişikliği üzerinde de bir etkisi yoktur. Tohumlama, tek tek bulutları veya bulut gruplarını yalnızca yerel etkilerle modifiye eder. Teknolojinin dezavantajları ise kusursuz olmaması ve yüksek maliyetler içermesidir.

Bulut tohumlama teknolojisi, su kaynakları yönetimi ile güçlü bir şekilde bağlantılı olarak yağışların artırılması için büyük bir potansiyele sahiptir. Bulut tohumlama yoluyla yağış artırmanın potansiyel tarımsal faydalarını dikkate almak önemlidir. Dolu önleme yoluyla yağışları düzenleyerek kurak bölgelerdeki yaşam koşullarını önemli ölçüde iyileştirebilir. Şimdiye kadar yapılan araştırmalar, bulut tohumlamanın, su depolama ve mahsul sulamanın yanı sıra uzun vadeli bir su kaynakları yönetim aracı olarak kullanılabileceğini göstermiştir.

Kaynaklar

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