Вызвать дождь без магии. Искусственные осадки и риск для окружающей среды.

Искусственный вызов дождя стал применяться вскоре после Второй мировой войны: в первом эксперименте в облаках рассеивался сухой лед. Впрочем, йодид серебра оказался гораздо более эффективным, и именно его распыляли над сельскохозяйственными угодьями на протяжении многих десятилетий. Химик Илья Чикунов — о недавно открытом воздействии йодида серебра на почвенные организмы и вызове дождя при помощи ионизации атмосферы.

Наиболее экологичный вызов дождя, который практиковали наши предки

Геоинженерия — преднамеренное крупномасштабное манипулирование экологическими процессами на Земле или в конкретном регионе с целью противодействия последствиям изменения климата. Некоторые методы геоинжиниринга вызывают серьезные споры. Одним из таких методов можно считать активное воздействие на гидрометеорологические процессы, такие как засев облаков. Чаще всего в основе лежит внесение множества затравок — центров кристаллизации, на которых запускается переход пара в лед и его выпадение в виде осадков. Засев облаков позволяет изменять количество или тип осадков, подавлять град или ослаблять туман и ураганы.

Достижения в области разработки и применения инструментов и реагентов для засева облаков привели к формированию во многих странах интегрированных систем воздушных и наземных операций. США, Канада, Австралия, Израиль, ЮАР и Таиланд для изменения погоды в основном используют летательные аппараты и наземные генераторы. Россия, Китай и Болгария проводят корректировку погоды с помощью мощных самолетов, наземных генераторов, а также ракет или артиллерийских орудий.

Такие манипуляции с погодой не всегда проходят гладко. Например, в феврале 2009 года провинциальное метеорологическое бюро в северо-восточном Китае запустило 313 снарядов с йодистым серебром, каждый из которых был размером с сигарету, в облака над Пекином.

Эта акция, задуманная, чтобы облегчить самую продолжительную засуху за 40 лет, привела к обильному снегопаду и закрытию 12 автомагистралей в окрестностях Пекина.

В Хэбэе, пострадавшей от засухи северной провинции, которая окружает столицу, были закрыты все выездные магистрали.

В июле 2021 года сильные искусственные дожди прошли в нескольких регионах Объединенных Арабских Эмиратов в разгар жары, когда температура достигала 48 °С. Национальный центр метеорологии регулярно проводит операции по засеву облаков для увеличения количества осадков. Мишенью являются конвективные облака. Такой тип облаков может вызывать осадки и ветры скоростью до 40 км/ч, которые несут пыль и песок. Конвективные облака образуются из-за высоких температур: они заставляют теплый и влажный воздух подниматься из более холодного окружающего воздуха в атмосферу. Июльские искусственные дожди в ОАЭ были спровоцированы во время испытаний беспилотных летательных аппаратов, способных вызывать осадки воздействием электрического тока на облака без использования химических веществ.

Эксперимент в ОАЭ не оставил равнодушной желтую прессу, которая раздула сообщение до масштаба «потопа в пустыне», вспомнив о «климатическом оружии» и «богатеньких шейхах, стремящихся притянуть к себе воду».

Вызов дождя без химии

В Объединенных Арабских Эмиратах еще в марте 2021 года собирались провести испытания беспилотников, которые будут летать и испускать электрические разряды, чтобы заставить облака разразиться дождем. В ОАЭ уже давно используется технология засева облаков химическими реагентами для вызывания дождя. Средний уровень осадков в ОАЭ всего 100 мм в год, но стране требуется гораздо больше. В 2017 году правительство выделило 15 млн долларов на девять различных проектов по усилению дождя.

Принцип использования беспилотников основан на изменении баланса электрического заряда на поверхности капель в облаке. В ОАЭ низкий уровень грунтовых вод, но при этом достаточно облаков, где капли воды при контакте со статическим электричеством могут прилипать друг к другу и сливаться до критического размера, чтобы затем выпасть в виде дождя. Для этого дронам достаточно летать на небольшой высоте и передавать электрический заряд молекулам воздуха.

В проекте приняли участие британские исследователи, которым ОАЭ заплатили 1,4 млн долларов. Примененная технология — это новый шаг для страны, которая до этого момента использовала только самолеты, сбрасывающие в облака химикаты, что увеличивало количество осадков на 30%. Отметим, что ОАЭ одни из первых в регионе Персидского залива стали использовать засев облаков с помощью ракет, несущих соль.

В первой половине 2020 года ОАЭ провели более 200 таких операций, успешно вызвав избыточное количество осадков.

Подробности технологии вызова дождя без химических реагентов, примененной в ОАЭ, не раскрываются, но, судя по доступным данным, аналогичные разработки есть и в других странах, например в Китае. Несмотря на то что Китай является шестой страной по величине водных ресурсов, их количество в пересчете на каждого человека составляет лишь четверть от среднемирового показателя. Кроме того, распределение водных ресурсов по регионам в Китае неравномерно. В отличие от Арабских Эмиратов в КНР делают ставку на наземные комплексы. Физической основой метода является то, что заряженные частицы способны вызывать конденсацию капель воды в атмосфере. Впервые предположение, согласно которому ионы, образующиеся в радиоактивных материалах, могут служить ядрами конденсации в среде пересыщенного водяного пара, в 1895 году выдвинул физик и метеоролог Чарльз Вильсон (изобретатель камеры Вильсона для визуального определения траекторий заряженных частиц). Многочисленные эксперименты в камере с пересыщенным паром, имитирующей условия в реальной атмосфере, дали положительные результаты.

Принцип вызова или усиления дождя на основе ионов описывается следующим образом. Как правило, облачная камера заполняется пересыщенным водяным паром или спиртом. Заряженные частицы взаимодействуют с газообразной смесью, выбивая электроны из молекул газа в результате действия электростатических сил. Образовавшиеся ионы действуют как центры конденсации, вокруг которых формируется туманообразный шлейф из мелких капель, если газовая смесь находится в точке конденсации. Рост льдообразующих ядер и ядер конденсации облака влияет на распределение капель и ледяных частиц в объеме, что в конечном итоге влияет на альбедо, осадки, продолжительность жизни облака и облачный покров. Заряженные частицы распространяются в атмосфере, заряжая аэрозоли, находящиеся в воздухе. Затем электростатическое поле этих заряженных частиц оказывает поляризующий эффект на другие нейтральные кластеры молекул воды, в результате чего возникает бесконтактная когезионная сила электрического поля заряженных аэрозольных частиц на поляризованных кластерах молекул воды, что способствует увеличению скорости конденсации воды и образованию осадков. Для практического применения предусматривается две схемы — одноэлектродный или двухэлектродный ионный эмиттер.

В случае стационарных установок решающую роль играет их расположение. Наиболее предпочтительными местами являются горы и возвышенности. Поскольку заряженные частицы движутся с ветром, зона воздействия устройства должна находиться с подветренной стороны от доминирующего ветра. Дроны с источниками электрических разрядов лишены таких ограничений и могут применяться в любом месте, где требуется вызвать осадки.

Испытания по усилению дождя с помощью ионов проводились в разных странах. В 2004 году корпорация ELAT установила 17 наземных каталитических станций на основе заряженных частиц в шести городах на юге Центральной Мексики и смогла увеличить локальное месячное количество осадков на 50%. Интересно, что история примененной технологии Ionogenics началась в середине 1970-х, когда российский ученый-физик Лев Похмельных начал исследовать влияние электричества на атмосферу. В 1980-х годах, работая в Лаборатории метеорологической защиты СССР в Москве, Похмельных продолжил труды по модификации погоды и разработал первую запатентованную технологию ионизации атмосферы, а затем основал московскую компанию ELAT, занимающуюся модификацией погоды. В 2010 году корпорации Meteo Systems удалось вызвать 52 дождя на краю пустыни Абу-Даби. С 2013 года австралийская компания Australia Rainfall Technology провела несколько испытаний в Омане, увеличив годовое количество местных осадков на 18%.

Испытанный в ОАЭ метод является передовым по сравнению с применявшимся ранее засевом химическими реагентами, когда вместе с вызванными осадками на землю попадают значительные количества химикатов, приводящих к загрязнению окружающей среды и вредящих в первую очередь биоте. Далее мы рассмотрим, как и с помощью чего обычно вызывают дождь и какие вероятные последствия это влечет.

История и технологии засева облаков

Технологии изменения погоды отмечают 75-летний юбилей. В 1946 году американский химик Винсент Дж. Шефер использовал моноплан Fair Child для засева сухого льда (твердый углекислый газ) поверх облаков, чтобы из-за переохлаждения образовался снег, и таким образом провел первый научный эксперимент с переохлажденными облаками. В том же году другой американский ученый, Бернард Воннегут, обнаружил, что йодид серебра (AgI) может производить большое количество кристаллов льда в облаке переохлажденной воды. Открытия Шефера и Воннегута дали толчок новой эре научной деятельности по искусственному изменению погоды. Под эгидой федерального правительства США компания General Electric между 1947 и 1952 годами вела разработку первой программы искусственного изменения погоды — Project Cirrus — и инвестировала в покупку и укомплектование военных самолетов, дирижаблей, автоматических разбрасывателей сухого льда, дымогенераторов AgI, а также пиротехники и другого оборудования.

При засеве облаков в основном применяют самолеты, зенитную артиллерию, ракеты и другие средства доставки или же, при благоприятном рельефе местности, пользуются воздушными потоками для введения AgI, сухого льда и других катализаторов в соответствующие места в облаке, чтобы вызвать осадки, предотвратить град, устранить туман, снизить вероятность дождя над определенной местностью и т. д.

Более 80 стран проводят исследования по искусственному изменению погоды, среди которых наиболее продвинутыми являются США, Россия, Китай, Австралия, Франция, Израиль, Таиланд и Индия.

В США и Китае достигнуты значительные успехи. Долгосрочный засев облаков в горах Невады увеличил снежный покров на 10% и более каждый год. Десятилетний эксперимент по засеву облаков в Вайоминге привел к увеличению снежного покрова на 5–10%, согласно данным штата. Эта практика используется по меньшей мере в восьми штатах на западе США и в десятках стран.

Оборудование и химикаты для засева облаков

Самолет обладает высокой маневренностью и способен напрямую засевать заданную часть облака, равномерно распределяя реагент и покрывая широкий диапазон. Такой способ доставки считается наилучшим. С начала 1990-х годов новым направлением стали испытания беспилотных летательных аппаратов для искусственной модификации погоды. Например, БПЛА Drone можно использовать в горных районах, где небезопасно летать на малых высотах. Типичный беспилотник имеет полезную нагрузку 180 кг и время автономной работы до 12 часов. Микродрон для модификации погоды поднимает до 1 кг реагентов и поднимается на высоту 6 км с радиусом перемещения 20 км.

Использование ракет и зенитных орудий для запуска и транспортировки AgI позволяет создавать высокую концентрацию ледяных ядер. Этот способ особенно подходит для искусственного усиления дождя и противоградовых операций, а также для обработки конвективных облаков, в которые трудно вносить реагенты с самолета.

Снаряды, содержащие йодид серебра, производят небольшие, мощные, быстрые последовательные взрывы в зоне формирования града или восходящего потока, что может значительно увеличить количество зародышей льда в облаке, усилить конкуренцию за воду между центрами конденсации и изменить локальную микрофизику облака.

Наиболее успешно ракеты и зенитные орудия применяются в странах бывшего Советского Союза для доставки соляной пыли и AgI в градовые и грозовые облака.

Наземные генераторы не поднимают в атмосферу, их можно эксплуатировать в течение длительного времени, и они подходят для операций по предотвращению дождя, снега и града в горных районах и близлежащих городах. В наземных установках применяют раствор йодида серебра в ацетоне, сжиженный углекислый газ и т. д. или твердый состав — воспламеняющийся стержень с AgI. С техникой для засева облаков и ее характеристиками можно ознакомиться в подробном обзоре.

Катализаторы модификации погоды делятся на три типа: хладагент, искусственный лед и гигроскопичное вещество. Первые два используются для манипуляций с холодными облаками, а последний — для теплых облаков.

Испарение хладагента в облаке вызывает локальное переохлаждение и перенасыщение водой, что способствует спонтанной гомогенизации водяного пара с образованием кристаллов льда и в то же время вызывает спонтанное зародышеобразование и замерзание переохлажденных капель в облаке, что запускает быструю активацию зародышей льда. Хладагенты в основном включают сухой лед, сжиженный углекислый газ, жидкий азот, жидкий пропан. Сейчас нет сомнений, что CO2 является основной причиной глобального потепления, поэтому, учитывая, что сухой лед представляет собой именно твердый углекислый газ, осуществлять засев облаков таким образом не очень разумно, и во многих странах от этого метода уже отказываются.

Затравка из искусственного льда действует благодаря тому, что вносимый AgI имеет шестиугольную кристаллическую форму, которая похожа на кристаллическую решетку льда. Йодид серебра относится к наиболее часто используемым реагентам. Непосредственно в ацетоне AgI нерастворим, поэтому в состав добавляют йодид аммония (NH4I), йодид натрия или калия (NaI, KI) и т. д. Реже применяют смеси AgI-NH4I-вода, AgI-NH4I-NH4ClO4-ацетон-вода; йодат серебра (AgIO3) может использоваться в качестве окислителя в пламени для образования аэрозоля AgI. Заменой солям серебра иногда выступают оксид алюминия, органические соединения, включая ацетальдегид, ацетилацетонат меди, фталевый ангидрид и даже растворы, содержащие бактерии. Органические вещества менее эффективны и не получили распространения.

Гигроскопичные затравки впитывают воду. Обычно используются поваренная соль (NaCl), хлорид кальция (CaCl2), нитрат аммония (NH4NO3) и мочевина (NH2CONH2). Такие катализаторы применяют, смешивая их с порошком талька в соотношении 10:1. Хлорид кальция более эффективен, чем три других соединения.

Потенциальный риск засева облаков для окружающей среды

Удивительно, но на сегодняшний день проведено довольно мало исследований по влиянию засева облаков на окружающую среду.

Известно, что серебро и его соединения не являются мутагенными, тератогенными или канцерогенными.

В ранних работах, как, например, в отчете 1983 года, пришли к выводу, что разработки в области зимнего засева облаков йодидом серебра могут проводиться без значительного или неблагоприятного воздействия на окружающую среду. Отмечалось, что незначительно влияет выпадающий снег, а не сам реагент, что отражалось на росте деревьев из-за изменения влажности почвы. Последнее для лесных насаждений считается скорее полезным.

Высказывались опасения по поводу развития аргирии у работников и местных жителей, но концентрации реагента признали недостаточными для такого нежелательного действия.

Экотоксикологические эффекты различных соединений серебра в основном связаны с токсичностью свободных ионов. Серебро может находиться в нескольких степенях окисления, но в условиях окружающей среды встречается только Ag0 (твердое серебро) и Ag+ (свободный ион серебра в воде). В воде серебро присутствует в виде свободного иона или в ассоциации с отрицательными ионами. Ионы серебра из растворимых в воде солей серебра являются фунгицидными, альгицидными и бактерицидными агентами даже при относительно низких дозах. Нерастворимый йодид серебра, слабый источник ионов, оказался гораздо менее токсичным или даже нетоксичным для наземных и водных животных.

Повышенные концентрации серебра в биоте встречаются вблизи канализационных стоков, гальванических заводов, шахтных отвалов и территорий, засеваемых йодистым серебром. Максимальные концентрации, зарегистрированные в полевых коллекциях, в миллиграммах серебра на килограмм сухого веса ткани составляли от 1,5 мг/кг у млекопитающих до 320 мг/кг у брюхоногих моллюсков; у людей, страдающих отравлением серебром, содержалось до 1300 мг/кг веса всего тела. При нормальных путях воздействия серебро не создает серьезных экологических проблем для здоровья человека при концентрации до 50 мкг Ag/л питьевой воды или 10 мкг Ag/м3 воздуха. Однако свободные ионы серебра оказались смертельными для чувствительных водных растений, беспозвоночных и костистых рыб при номинальных концентрациях в воде от 1,2 до 4,9 мкг/л. Данных о влиянии серебра на пернатых или млекопитающих в дикой природе нет, однако известно, что серебро вредит домашней птице при 100 мг/л в питьевой воде или 200 мг/кг в пище. Млекопитающие испытывали негативные последствия при общих концентрациях серебра до 250 мкг/л в воде или 6 мг/кг в еде.

В США йодид серебра считается опасным веществом, приоритетным и токсичным загрязнителем. Австралийское руководство по питьевой воде устанавливает концентрацию 0,43 мкМ AgI в качестве порогового значения в питьевой воде. В России для неорганических соединений серебра величина ПДК составляет 0,5 мг/м3 (класс опасности А). Деятельность по засеву облаков приводит к выбросу йодида серебра в атмосферу над определенными территориями, и общее количество выброшенного йодида серебра достигает в некоторых случаях 3 тонн в год.

В целом процедура засева облаков долгое время считалась практически безопасной, а менее распространенные катализаторы не рассматривались вообще. Однако необходимо учитывать, что AgI попадает в среду облака с большим перепадом концентраций, и когда вещество вымывается осадками, засев облаков может привести к кумулятивному эффекту на определенной территории, многократно засеваемой из года в год. Фактически после мероприятий по модификации погоды большое количество реагентов попадает в почву, что потенциально ведет к неблагоприятным последствиям как в водных, так и в наземных системах. Таким образом, потенциальные риски многократного применения облачного засева на конкретной территории, где ожидается накопление большого количества посевных материалов в окружающей среде (особенно в почве), вызывают опасения у экологов.

Лишь относительно недавно, в 2016 году, вышла работа, посвященная подробному изучению длительного воздействия йодида серебра на окружающую среду. Ученые из Испании оценили риск острой токсичности для почвенной и водной биоты. Авторы определяли жизнеспособность почвенных бактерий Bacillus cereus и Pseudomonas stutzeri и выживаемость нематод Caenorhabditis elegans, обработанных различными концентрациями йодистого серебра, а также зеленых водорослей Dictyosphaerium chlorelloides и цианобактерии Microcystis aeruginosa. Почвенные бактерии B. cereus и P. stutzeri являются двумя повсеместно распространенными микроорганизмами. Серия токсикологических анализов включала БПК5 и тест на токсичность Microtox®.

Исследователи установили, что при концентрации AgI выше 2,5 мкМ значения БПК5 снижались на 20–36% по сравнению с контролем. В тесте Microtox® высшие концентрации AgI (5 и 12,5 мкМ) подавляли биолюминесценцию. Серебро снижало жизнеспособность штаммов B. cereus и P. stutzeri на 24–50%, а также плотность живых клеток. На C. elegans ни одна из изученных концентраций AgI практически не влияла. После 72 часов воздействия реагента популяции D. chlorelloides и M. aeruginosa уменьшились на 27–56%. Ингибирование общей скорости фотосинтеза достигало 78%.

Исходя из полученных данных, авторы рассчитали процент экотоксикологического риска, который составляет 31,13, что соответствует высокому уровню опасности.

Основной риск, связанный с повторной обработкой AgI, как отмечено выше, заключается в его накоплении в почве и осадочных отложениях. Воздействие AgI на почвенную биоту может влиять на равновесие экосистемы, ее общее благополучие и функционирование.

В целом отложения AgI в почве не представляют риска для выживания наземных организмов, однако повышенные концентрации йодистого серебра умеренно токсичны для почвенных и водных микроорганизмов.

• После воздействия йодида серебра снижается жизнеспособность клеток почвенных бактерий.
• Пресноводные организмы более чувствительны к йодиду серебра, чем почвенные.
• Кумулятивный эффект йодида серебра может влиять на наземную и водную биоту.

Заключение

Нехватка воды вызывает недостаток сельскохозяйственной продукции, что приводит к снижению доходов фермеров, неудовлетворенности или голоду среди потребителей. Такая ситуация провоцирует эмиграцию из засушливых регионов либо вспышки насилия. Поэтому в полузасушливых и засушливых странах необходимо более эффективное водоснабжение. Для орошения сельскохозяйственных растений применяют инновационные методы доставки воды даже из нетрадиционных источников, включая атмосферную влагу.

За последние десятилетия, по мере того как технологии модификации погоды, такие как засев облаков, развивались и расширяли сферу своего применения, возросло их влияние на окружающую среду и на изменение климата. Суммарная оценка результатов исследований позволила классифицировать экотоксикологический риск от йодида серебра как высокий при концентрациях, имитирующих те, которые можно ожидать после кумулятивного накопления реагента при осаждении его с водой на природных территориях. Засев облаков экологически небезопасен, его следует применять с осторожностью и желательно избегать регулярного применения на одной и той же местности. Очевидно, что риски, связанные с этим методом, недооценены и требуют дополнительных исследований.

Примененный в ОАЭ метод вызывания дождя с помощью электрических разрядов не предусматривает использования химических реагентов и является экологически более дружелюбным. С другой стороны, долгосрочные последствия такого воздействия еще не известны, поэтому следует относиться к нему с осторожностью. И очевидно, что стимулирование осадков на одной территории снижает их количество на другой — закон сохранения массы работает на всех уровнях. Это может привести к межгосударственным конфликтам в засушливых регионах с множеством стран на небольшой площади, как, например, в Персидском заливе. Можно ожидать, что в ближайшее время технологии управления погодой станут предметом международного правового регулирования.

Источник