С 1940-х годов ученые исследуют способы увеличения осадков, особенно в засушливых и полузасушливых регионах. Сегодня эти усилия выходят на новый уровень благодаря применению нанотехнологий для повышения эффективности засева облаков.
«Глобальный дефицит воды постоянно усугубляется быстрым ростом населения и экономическим развитием по всему миру. Традиционные водные ресурсы, такие как реки, озера и грунтовые воды, становятся крайне ограниченными, что вынуждает ученых и инженеров искать альтернативные источники», — отмечает доктор Линда Цзоу, профессор гражданского и экологического строительства в Университете науки и технологий Халифы.
Доктор Цзоу возглавляет новаторский исследовательский проект по разработке материалов для засева облаков с использованием нанотехнологий. Засев облаков — это форма модификации погоды, которая имитирует естественные процессы в облаках, но усиливает их путем добавления частиц, способствующих конденсации. Однако, как объясняет доктор Цзоу, «материалы для засева облаков, используемые сегодня, существуют уже много десятилетий. Информация и методы устарели, а их эффективность до сих пор не до конца изучена».
Для успешного засева облаков требуются строгие условия: подходящая температура воздуха, необходимая влажность, поверхность, которая притягивает и удерживает воду, а также частицы правильного размера для формирования конденсации.
«Благодаря достижениям в области нанотехнологий и нанонауки мы работаем над созданием и проектированием материалов для засева облаков с оптимальными свойствами, чтобы обеспечить эффективную конденсацию водяного пара и максимизировать количество осадков», — поясняет доктор Цзоу.
Сопутствующие материалы
- Исследовательская программа ОАЭ по науке об увеличении осадков
- Новое испытание засева облаков ОАЭ в Техасе показало многообещающие результаты, The National News, 15 августа 2021 г.
Полная стенограмма (фрагменты)
Хотя засев облаков существует с 1940-х годов, изменение климата и рост населения подталкивают ученых к более пристальному изучению этой технологии, которая может стать жизнеспособным экономически эффективным дополнением к существующим водным ресурсам, особенно в засушливых регионах, таких как Объединенные Арабские Эмираты.
Чтобы помочь развитию науки, в 2015 году правительство ОАЭ запустило новую инициативу — Исследовательскую программу ОАЭ по науке об увеличении осадков. Цель состоит в том, чтобы привлечь инновационные проекты ученых в области увеличения осадков со всего мира, победители получают грант в размере 5 миллионов долларов на разработку и совершенствование концепций в течение трех лет. Два ключевых слова для вас: наноинженерные материалы.
Мой сегодняшний гость — доктор Линда Цзоу, профессор гражданского и экологического строительства в Университете науки и технологии Халифы. Доктор Цзоу руководит новаторским исследовательским проектом по использованию нанотехнологий для разработки материалов для засева облаков. Она получила грант от Исследовательской программы ОАЭ по науке об увеличении осадков с 2016 по 2019 год.
В естественном круговороте воды на Земле Солнце нагревает поверхность планеты, и вода испаряется в виде паров. Эти крошечные пары поднимаются в атмосферу; без ядер конденсации, то есть мелких частиц, они остаются в виде паров в воздухе и уносятся выше и дальше.
Естественные ядра конденсации — это частицы пыли, вулканический пепел или пыльца. К сожалению, наличие такого материала непредсказуемо. Практика засева облаков заключается в выпуске искусственных семенных материалов в качестве ядер для инициирования конденсации водяного пара в облаке в капли и содействия образованию крупных капель, пока они не станут достаточно большими, чтобы выпасть в виде дождя.
Ключевые факторы успешной операции по засеву облаков включают, во-первых, выявление подходящего облака для засева, а во-вторых, наличие эффективного посевного материала для образования капель воды.
Традиционные материалы для засева облаков в основном включают гигроскопичную солевую смесь, которая может превращаться из солевых кристаллов в капли воды при правильных условиях. Эти соли доставляются путем их испарения за счет воспламенения с помощью факела. Этот солевой пар затем снова конденсируется в виде мельчайших частиц. Поскольку процесс случаен и непредсказуем, форма и размер частиц не могут быть контролируемы, и большинство из них, вероятно, слишком малы, чтобы быть эффективными материалами для засева облаков.
Традиционный материал активируется только при очень высокой относительной влажности в атмосфере облака (например, выше 75%). В моем проекте мы изменили поверхность материала, чтобы сделать его более реактивным, что позволяет ему работать при более низкой и широкой относительной влажности, повышая вероятность успеха. Для этого мы использовали нанотехнологии для нанесения наночастиц диоксида титана в качестве оболочки на ядро из кристаллов хлорида натрия. Этот наноинженерный материал с покрытием «оболочка-ядро» может активироваться при гораздо более широких условиях относительной влажности, например, около 65%.
Мы также разработали другой тип технологии — частицы ледяной нуклеации. Холодные облака с температурами ниже нуля также присутствуют в атмосфере. Они состоят из большого количества переохлажденных водяных паров, которые остаются в виде пара, даже будучи ниже нуля. Как только такое облако сталкивается с частицами ледяной нуклеации, они быстро образуют большое количество ледяных кристаллов, минуя фазу жидкой воды. Мы разработали и изготовили пористый нанокомпозит из 3D-восстановленного оксида графита и наночастиц диоксида кремния. Этот материал может инициировать образование льда, за которым следует быстрый рост, начиная с температуры минус 80 градусов. Эта температура значительно выше, чем у большинства других известных материалов для ледяной нуклеации, которым часто требуется минус 25 градусов или даже ниже.
Одним из проблемных направлений прошлых лет было отсутствие симуляционной среды для исследований засева облаков. Я сотрудничал с Международной командой по моделированию микрофизики облаков. Инновация моего проекта заключается в получении экспериментальных данных, описывающих свойства моих новых посевных материалов и их взаимодействие в атмосфере. Эти данные мы используем как входные параметры для разработки одномерных и трехмерных моделей увеличения осадков, вызванного засевом облаков, и результаты оказались весьма успешными.
Облачная камера представляет собой трехмерную экспериментальную среду, размеры которой варьируются от небольших камер (20 метров) до крупных, похожих на здания. Я использовал камеру объемом восемь кубических метров с контролируемой влажностью и температурой. Устройство в верхней части камеры выпускает посевные материалы. Сразу после выпуска электронное оборудование, включая электронно-оптические камеры, делает множество снимков, чтобы зафиксировать изображение падающего посевного материала. Позже мы анализируем стадию формирования капель, а также их количество и размер. Это позволяет сравнить производительность различных материалов.
Да, в открытой среде измерить такой успех гораздо сложнее.
ОАЭ находятся в аридной климатической зоне, и правительство уже проявило инициативу, запустив Исследовательскую программу по увеличению осадков ОАЭ (UAEREP). Моя работа была поддержана в первом цикле и получила отличное мировое признание. Сегодня совместно с Национальным центром метеорологии ОАЭ мы видим быстрое внедрение новых посевных материалов в реальные операции по увеличению осадков по всему ОАЭ.
Я подал заявку на патент на материал для засева теплых облаков на основе диоксида титана и хлорида натрия, а также на материал для засева холодных облаков на основе пористого оксида графита и диоксида кремния. В настоящее время я работаю над оценкой эффектов этих материалов на открытом воздухе. Команда пилотов проводит исследование, выпуская посевные материалы и анализируя их в реальном времени. Очень обнадеживает возможность узнать больше о воздействии этого посевного материала.
С другой стороны, я также занимаюсь масштабированием производства для снижения затрат и применением материалов. Мы стремимся перевести посевные материалы из лаборатории в коммерческие предприятия не только для засева облаков, но и для более широкого спектра работ по модификации погоды, включая сельское хозяйство, защиту посевов, подавление града или штормов, а также искусственное производство снега на горнолыжных курортах.
Мы хотим вывести материалы из лаборатории на этап масштабирования, чтобы они могли выйти на рынок и достичь многих стран мира, поскольку во всем мире есть множество стран, которые практикуют модификацию погоды.
