پهپادها چگونه باران می‌آورند؟

باشگاه خبرنگاران جوان- خیلی وقت‌ها شده آسمان بالای سرمان از انبوه ابر به سیاهی می‌زند، اما خبری از باران نیست؛ ابر‌ها می‌آیند و می‌روند و زمین همچنان خشک می‌ماند. در چنین موقعیت‌هایی است که علم و فناوری وارد میدان می‌شود تا فرایندی را که در طبیعت نیمه‌تمام مانده، به سرانجام برسانند.

در «بارورسازی ابرها» با استفاده از دانش روز و تجهیزات فناورانه، ابر‌هایی که بالقوه ظرفیت بارش دارند، به مرحله بالفعل می‌رسند. در این گزارش به جزئیات این فرایند جالب پرداخته‌ایم.

ابر‌ها چرا همیشه باران نمی‌شوند؟

ابر‌ها مجموعه‌ای از قطره‌های ریز آب یا بلور‌های یخ هستند که بر اثر سرد شدن هوا در ارتفاع تشکیل می‌شوند. اما برای آن‌که این قطره‌ها به باران تبدیل شوند، باید بزرگ‌تر و سنگین‌تر شوند و آن‌قدر وزن پیدا کنند که از ابر جدا شوند. 

این بزرگ‌شدن دو مسیر دارد: ادغام قطره‌های آب یا افزایش بلور‌های یخ که بعداً ذوب می‌شوند. خیلی وقت‌ها ابر کاملاً آماده‌ی بارش به نظر می‌رسد، اما کمبود «هسته‌های تراکم» —ذرات بسیار کوچکی که قطرات روی آن شکل می‌گیرند—یا نبودن بلور‌های یخ کافی، باعث می‌شود فرایند متوقف بماند. نتیجه‌اش همین صحنه آشناست: آسمان ابری، زمین خشک.

عواملی که از سطح زمین و لایه‌های پایین جو بر ابر اثر می‌گذارند و می‌توانند باعث «نباریدن» شوند، طبق یافته‌های معتبر هواشناسی شامل چند مورد اصلی‌اند: اولگرمایش سطح زمین که باعث تبخیر شدید و ایجاد لایه‌های هوای بسیار گرم و خشک در زیر ابر می‌شود؛ این لایه خشک می‌تواند قطرات در حال سقوط را قبل از رسیدن به زمین تبخیر کند (پدیده virga).

دوم وارونگی دمایی که در آن لایه‌ای گرم‌تر روی هوای سردتر می‌نشیند و رشد عمودی ابر را متوقف می‌کند؛ ابر رشد نمی‌کند، سرد نمی‌شود و فرآیند بارش کامل نمی‌شود؛ و سوم خشکی شدید لایه‌های پایینی که از زمین ناشی می‌شود و باعث می‌شود قطرات کوچک نتوانند رشد کنند یا هنگام سقوط تبخیر شوند. ۴) آلودگی هوا که بسته به نوع ذرات می‌تواند تعداد زیاد هسته‌های تراکم ریز ایجاد کند و رشد قطرات را مختل کند؛ در نتیجه قطرات زیاد ولی بسیار کوچک تشکیل می‌شود که نمی‌توانند سقوط کنند. این عوامل سطحی و نزدیک به زمین از نظر مستندات علمی از مهم‌ترین دلایل «وجود ابر بدون بارش» هستند.

بارورسازی ابر‌ها دقیقاً چیست؟

بارورسازی ابر‌ها (Cloud Seeding) یک مداخله علمی است که از دهه ۱۹۴۰، با کار‌های پیشگامانه و تاییدشده پژوهشگرانی مثل وینسنت شیفر و برنارد وانگوت مطرح شد. شیفر پژوهشگر آزمایشگاه‌های جنرال‌الکتریک بود که در سال ۱۹۴۶ نخستین بار بارورسازی ابر‌ها با یخ خشک را به‌طور تجربی نشان داد، و وانگوت شیمیدان آمریکایی بود که همان سال کشف کرد یدید نقره می‌تواند به‌عنوان هسته‌ی مؤثر برای یخ‌زدگی در بارورسازی ابر‌ها عمل کند.

در این روش، ذراتی وارد ابر می‌شود که رفتار فیزیکی ابر را تغییر می‌دهد تا روند رشد قطره‌ها یا بلور‌های یخ سرعت بگیرد. این تغییرات، اگر شرایط ابر مناسب باشد، می‌تواند بارش را افزایش دهد.

این مداخله در واقع «جادو» یا «ساختن ابر» نیست؛ بلکه کمک کردن به فرایندی است که طبیعت آغاز کرده، اما به مرحله نهایی نرسیده است.

دو سازوکار علمی اصلی: گرم و سرد

بارورسازی ابر‌ها معمولاً بر اساس دو مکانیسم علمی صورت می‌گیرد که در مطالعات معتبر سازمان جهانی هواشناسی و پژوهش‌های دانشگاهی تکرار شده است:

۱. مکانیسم گرم

این روش برای ابر‌های گرم—یعنی ابر‌هایی که دما در تمام لایه‌های آنها بالای صفر است—استفاده می‌شود. در این حالت، ذرات نمک (معمولاً کلرید سدیم یا کلرید پتاسیم) وارد ابر می‌شود. این ذرات نقش «هسته‌های تراکم» را بازی می‌کنند. از آنجا که بخار آب روی این هسته‌های بزرگ‌تر بهتر می‌نشیند، قطره‌های کوچک شروع به ادغام و رشد می‌کنند. بزرگ‌تر شدن قطره‌ها سرعت ادغام را افزایش می‌دهد و چرخه‌ای مثبت ایجاد می‌کند تا نهایتاً بارش شکل بگیرد.

به زبان ساده، انگار داخل ابر چند «نقطه شروع» جدید ایجاد می‌کنیم تا قطرات ریز راحت‌تر به هم بچسبند.

۲. مکانیسم سرد

زمانی استفاده می‌شود که ابر سرد باشد—یعنی آب به شکل «آب فوق‌سرد» وجود داشته باشد. آب فوق‌سرد نوعی آب مایع است که با وجود دمای زیر صفر، هنوز یخ نزده، چون بلور یخ برای شکل‌گیری نیاز به یک هسته دارد.

در این حالت، یدید نقره یا دی‌اکسید کربن جامد (یخ خشک) وارد ابر می‌شود. ساختار یدید نقره شبیه کریستال یخ است و به آب فوق‌سرد کمک می‌کند یخ بزند. زیاد شدن کریستال‌های یخ باعث می‌شود رقابت برای جذب بخار آب بیشتر شود، بلور‌ها رشد کنند، سنگین شوند و به شکل برف یا باران به زمین برسند.

به زبان ساده، این روش مثل این است که «دانه‌های یخ» آماده وارد ابر کنیم تا فرآیند شروع شود.

چطور مواد به داخل ابر می‌رسند؟

یکی از بخش‌های جذاب و فنی بارورسازی، همین مرحله است. روش‌ها چند دسته‌اند.

پرکاربردترین روش است. هواپیما‌های سبک یا متوسط روی نقاط مشخص ابر پرواز می‌کنند و مواد را با تکنیک‌های دقیق رها می‌سازند. خلبان باید آموزش‌دیده باشد تا وارد بخش مناسب ابر شود—نه پایین‌تر، نه بالاتر—زیرا لایه هدف اهمیت دارد.

هواپیما در ارتفاع و ناحیه‌ای مشخص، مواد فعال‌کنندهٔ هسته‌های یخی را به‌صورت فلر‌های سوزان، اسپری یا مخازن پخش‌کننده آزاد می‌کند. خلبان هم‌زمان با رادار‌های هواشناسی و دستورالعمل‌های مرکز عملیات، وارد بخش‌هایی از ابر می‌شود که بیشترین «آب فوق‌سرد» وجود دارد، یعنی قطراتی از آب که با وجود دمای زیر صفر هنوز یخ نزده‌اند. 

این روش نسبت به ژنراتور‌های زمینی هدف‌گیری دقیق‌تر ارائه می‌دهد، چون هواپیما می‌تواند مستقیماً در همان لایه‌ای از ابر که بیشترین پتانسیل دارد مواد را رها کند. اما هزینهٔ آن بالاتر است، به هواشناسی دقیق، خلبان متخصص، و شرایط جوی ایمن نیاز دارد و اثربخشی آن نیز مانند دیگر روش‌ها کاملاً وابسته به نوع ابر، رطوبت، دما و زمان اجراست.

موشک و پهپاد

در سال‌های اخیر پهپاد‌ها به‌عنوان یک گزینهٔ کم‌هزینه، قابل‌هدف‌گیری و امن‌تر برای رفتن به ارتفاع‌های معین و رهاسازی مقادیر کوچک مواد رونق گرفته‌اند. در چین که چند آزمایش بزرگ با پهپاد و مقادیر کم یدید نقره انجام شده است؛ از سوی دیگر موشک‌ها و راکت‌های اختصاصی هم در برنامه‌هایی مانند مهار تگرگ یا پخش سریع هسته‌های یخی به‌کار رفته‌اند. به‌ویژه برای مناطقی که دسترسی هوایی دشوار است، از موشک‌های کوچک یا پهپاد‌هایی استفاده می‌شود که مواد بارورساز را داخل ابر شلیک می‌کنند.

در سال‌های اخیر در ایران پهپاد‌ها نقش مهمی در بارورسازی ابر‌ها دارند و حتی پهپاد‌هایی اختصاصی برای این موضوع طراحی شده است.

ژنراتور‌های زمینی

در این روش، دستگاه‌هایی در نقاط مرتفع یا در مسیر باد نصب می‌شوند که محلول یا سوسپانسیونی از یدید نقره یا نمک را در دمای بالا تبخیر کرده و به‌صورت ذرات ریز وارد جریان‌های صعودی هوا می‌کنند؛ این ذرات با باد به داخل ابر‌هایی که دارای «آب فوق‌سرد» هستند منتقل می‌شوند و نقش «هستهٔ یخ» را بازی می‌کنند، یعنی نقطه‌ای برای یخ‌زدگی قطرات و آغاز رشد بلور‌های یخ که می‌توانند تبدیل به بارش شوند. 

این روش از دههٔ ۱۹۵۰ در کشور‌هایی مثل آمریکا، چین و استرالیا استفاده شده و مزیت اصلی‌اش هزینهٔ کمتر نسبت به هواپیما و امکان فعالیت طولانی‌مدت است. محدودیت اصلی این روش آن است که موفقیت آن شدیداً به جهت باد، ارتفاع محل نصب، نوع ابر و زمان مناسب بستگی دارد و مطالعات علمی نشان داده‌اند که میزان اثربخشی آن بسته به شرایط جوی محل می‌تواند از بسیار کم تا قابل توجه متغیر باشد؛ به همین دلیل، برنامه‌های رسمی معمولاً همراه با پایش دقیق، ارزیابی آماری و کنترل محیط‌زیستی اجرا می‌شوند

فناوری‌های مهمی که در کنار این تجهیزات مورد استفاده قرار می‌گیرند، حسگر‌های هواشناسی و رادار‌های دوپلر و مدل‌های عددی پیش‌بینی آب‌وهوا هستند. 

حسگر‌ها و رادار‌ها توانایی تشخیص اندازه قطرات، سرعت باد، مسیر حرکت ابر و میزان آب مایع در آن را دارند. بدون این داده‌ها، انتخاب ابر مناسب عملاً ممکن نیست.

از طرفی ابر‌ها ساختاری پویا و پیچیده دارند. مدل‌های عددی—که بر اساس فیزیک جو و داده‌های به‌روز اجرا می‌شوند—کمک می‌کنند بفهمیم که کدام ابر چند ساعت بعد در موقعیت مناسب قرار دارد.

چه شرایطی باید فراهم باشد تا این عملیات موفق شود؟

باروری زمانی مؤثر است که ابر مناسب باشد. مطالعات علمی تأکید می‌کنند:

ابر باید رطوبت کافی داشته باشد.

سرعت باد نباید شدید باشد که مواد را منحرف کند. اندازه قطرات یا میزان آب فوق‌سرد باید به حد مشخصی رسیده باشد. دمای ابر تعیین می‌کند که از مکانیسم گرم یا سرد استفاده شود.

به عبارت ساده، بارورسازی روی هر ابری جواب نمی‌دهد و تیم‌های علمی قبل از عملیات ساعت‌ها تحلیل داده‌های هواشناسی انجام می‌دهند.

آیا واقعاً بارش افزایش پیدا می‌کند؟

پژوهش‌های معتبر جهانی (به‌ویژه WMO و گزارش‌های مطالعات دانشگاه‌های کلرادو و وایومینگ) نشان می‌دهد که در صورت انتخاب شرایط مناسب، افزایش بارش بین ۵ تا ۲۰ درصد قابل انتظار است. این رقم زیاد به نظر نمی‌رسد، اما برای کشور‌هایی که با کمبود منابع آبی مواجه‌اند، همین مقدار می‌تواند بسیار راهگشا باشد.

مطالعات معتبر علمی نشان می‌دهد مواد مورد استفاده—مثل یدید نقره—در غلظت‌های عملیات بارورسازی بسیار پایین‌تر از حدی هستند که خطر زیست‌محیطی ایجاد کنند. با این حال، استاندارد‌های زیست‌محیطی بر اساس گزارش‌های علمی جهانی همواره پیگیری می‌شود تا تجمع این مواد در خاک و آب کنترل شود؛ بنابراین بارورسازی باید تحت نظارت دقیق انجام شود، اما خطر جدی یا ثبت‌شده‌ای در سطح جهانی دیده نشده است.

بارورسازی ابر‌ها بخشی از مدیریت هوشمند منابع آب است؛ دانشی که در کشور‌های مختلف با روش‌های علمی معتبر و فناوری‌های پیشرفته اجرا می‌شود. وقتی در آسمان ابر می‌بینیم، اما باران نمی‌بارد، بدانیم که مشکل از نبود «مقدمات بارش» است و اینجاست که علم می‌تواند کمکی کوچک، اما مؤثر کند. بارورسازی ابر‌ها نه معجزه است و نه جایگزین مدیریت آب، اما همان فشار نرمِ علمی است که گاهی یک ابر نیمه‌کاره را تبدیل به یک بارش واقعی می‌کند.

منبع: فارس