人工干冰影响飓风

作者：雪歌
共 3 张照片
按照气象学定义，飓风（发生在西北太平洋的称为台风）是指中心持续风力达到12级以上的热带气旋。飓风中心是相对平静的区域，卫星云图上可以看到一整片涡旋云区中间有个无云的眼区。围绕眼区的是一圈快速旋转并强烈...
作者：雪歌 | 来自：科学松鼠会
按照气象学定义，飓风（发生在西北太平洋的称为台风）是指中心持续风力达到12级以上的热带气旋。飓风中心是相对平静的区域，卫星云图上可以看到一整片涡旋云区中间有个无云的眼区。围绕眼区的是一圈快速旋转并强烈上升到对流层顶的云，像是螺旋飞速向上攀升的圆形墙，又称眼壁（eyewall）。这是飓风最具破坏力的区域，最大持续风力和瞬时风力都发生在眼壁区。向外延展的对流涡旋云区也伴随着强风和暴雨，卫星观测显示这些多为螺旋向外延伸的螺旋雨带（rainband）。形象但不精确地打个比方，飓风就像一个被旋转地球、发热的海水和湿热空气一起催生出来的火爆陀螺，被中层大气环流抽着移动，所到之处狂风暴雨。飓风一旦登陆，强风、暴雨、风暴潮和洪水之类的灾害往往让无数人失去生命或者无家可归。想象一下，如果可以把飓风制服，让这群全身危险品的醉汉平静下来，成为乖乖运送淡水的扛水工人，那该多完美。就算不能一步实现，给飓风“去去火”也不错。Project STORMFURY就是当时人们所做的尝试。
1946年，Irving Langmuir等人发现云种播撒产生降水的机制。干冰粉和碘化银粉末可以促使云产生冰晶，因为云中存在很多在零度以下仍为液态的过冷水。这些过冷水遇到干冰或碘化银会迅速结晶，并快速增长成冰晶或雪片，这样能帮助云层产生降水。Irving Langmuir随后把这个理念带到飓风领域。尽管有质疑的声音，美国通用电器公司，美国陆军通信兵、美国空军、美国海军合作进行第一个人工影响飓风的计划–Project Cirrus。1947年11月13日，第8号飓风正由西向东移动，远离佐治亚州和北卡罗来纳州海岸。一架飞机在飓风外围雨带播撒下约36公斤的干冰粉末。随后据机组人员所说，云层出现了很明显的改变，但是没有任何观测显示飓风的结构和强度有所变化。之后飓风突然转头向西行进，并在佐治亚州和南卡罗来纳州登陆。这引起公众强烈不满，Irving Langmuir也在报告中声称飓风转向是由于人工干扰造成的。这项计划被迫取消，甚至被威胁将被起诉。后来因为1096年曾出现过一例类似的异常转向，而且观测记录显示第8号飓风在播撒干冰之前已有迹象将转向。这样他们才免于被起诉。人工影响飓风计划就此搁浅。
1947年第八号飓风路径图
1954年和1955年两年内6个强飓风袭击美国东海岸，导致近400人死亡。飓风带来的伤亡和财产损失的惨痛刺激政府开始重视飓风研究。1955年美国气象局成立飓风研究课题（National Hurricane Research Project， NHRP），其中一个宗旨就是试图影响或改变飓风。科学家们认为，眼壁附近区的空气非常不稳定。如果进行云种撒播，冰晶过程释放的热量会对眼区的气压场产生扰动，眼壁的不稳定被激发而向外扩张。根据角动量守恒原理，最大持续风速就会降低。时隔14年，1961年9月16日，NHRP和美国海军合作，向飓风 Esther眼壁播撒了大量碘化银，风速减弱10%。第二天他们继续播撒碘化银，但是不在眼壁区以内，风速没有减弱。这组对比试验被认为成功地证实了当时的科学假想。
1962年整年没有适合计划的热带气旋出现。终于等到1963年8月飓风Beulah的出现，Stormfury迫不及待地开始飞行。23 日，Beulah的眼区还不明显，最大持续风速约为40米每秒，尚未达到强飓风（major hurricane）的强度。Stormfury播撒出现错误，将碘化银撒到外围区域，观测没有显示任何强度变化。第二天，Beulah发展出明显的眼区，最大持续风速达到50米每秒。当飞机将碘化银播撒到目标位置，在外围新的眼壁开始形成，最大风速减弱20%，最大风速半径也外扩到新的眼区位置。这样的结果看似又一次证实了Stormfury提出的科学假想。随后Stormfury计划的科学假想也考虑了动力学因素，在冰晶形成的过程中，不但有能量释放，产生的浮力也增强了云团中的对流上升运动。如果在眼壁区以外的强大积云塔中播撒，将加强积云塔的对流活动并产生新的眼壁。新的眼壁夺走原先眼壁的水汽和动量输送发展起来并取代旧的眼壁。这样的眼壁外扩的过程将减弱飓风的强度。但是Stormfury计划证明这个科学假想的过程存在一个逻辑缺陷，不过被观测证实已经是20年以后的事了。
Stormfury计划示意图
1965年Stormfury项目计划对飓风Betsy进行播撒,并对媒体通报了这件事。但是，飓风Betsy突然折向，奔向陆地。于是 Stormfury取消了飞行计划。之后飓风Betsy在佛罗里达州登陆。但是很多媒体没有接到Stormfury飞行取消的通知，仍然在宣传。公众和国会以为Stormfury计划又把“祸水”引来。Stormfury计划花了两个月时间说服国会相信他们跟飓风Betsy无关。之后几年到直到1969年飓风Debbie之前，不是由于飓风季节不够活跃，就是因为飓风的位置太靠近陆地或者离陆地太远，Stormfury计划一直没有机会进行播撒试验。飓风 Debbie符合Stormfury计划的飓风减弱理论所有的要求：位置适当，强度够强，眼区明显。两次播撒以后，飓风风速分别减弱31%和18%。这第三次证实了Stormfury计划的科学假想。他们满心希望地准备扩大试验范围和频率，把在这几年来改进了的播撒设备和观测设备充分发挥。可惜天公不作美，70年代初西北大西洋飓风活动非常不频繁，没有出现任何适合Stormfury播撒的飓风。1971年Stormfury尝试对飓风Ginger播撒。这个飓风强度较弱而且眼区不明显，播撒以后没有出现任何改变。美国海军退出该计划，而且项目使用的飞机也到达了操作年限。项目重造了两架 Lockheed WP-3D飞机。加上美国大气海洋局的一架C-130B，美国空军一架WC-130H和美国宇航局的一架Convair 990, 5架飞机可以更好地观测播撒和飓风强度的变化之间的关系。西北大西洋缺乏试验对象迫使Stormfury计划寻求在北太平洋和其他海域试验的机会。 Stormfury计划无法证明播撒过程是否会改变飓风的过程和路径，于是基于安全和其他考虑，没有国家同意在邻近海域进行试验。于是1971年对飓风 Ginger的播撒试验成为Stormfury计划最后一个飓风试验。
70年代开始，随着计算机等设备的不断发展，科学家们逐渐具备各自分析和研究的能力，不再依赖Stormfury计划这样庞大的政府计划。 Stormfury计划失去了政治上的优势。在飓风播撒期间，Stormfury计划也在观测和播撒普通积云。观测发现和普通积云不同，飓风中存在很少的过冷水，这并不适合云种播撒增加降水的机制。另一方面，1977年飓风Anita和1979年飓风David都出现新的眼壁在外围发展并取代旧的眼壁过程。人们开始怀疑之前Stormfury计划几次所谓成功干扰飓风强度的播撒试验，很可能是正好碰到飓风自身演变。Stormfury计划不得不承认其无论是云物理学还是统计学上都是不可靠的。1983年Stormfury计划正式叫停，留下很多宝贵的观测资料设备和八卦故事供后来的研究者反复引用。