ОАЭ Усиление дождя: Исследователи делятся знаниями

На первом виртуальном Международном форуме по усилению дождя (IREF) исследователи из Халифского университета поделились своими инновационными методиками и новыми идеями по усилению дождя в ОАЭ.

Международный форум по увеличению количества осадков (IREF) — это глобальная платформа, объединяющая ведущих международных и национальных экспертов, исследователей, ученых и заинтересованные стороны для решения актуальных проблем водных ресурсов и устойчивого развития во всем мире.

На форуме 2021 года три исследователя из Университета Халифа представили презентации о своих инновационных исследованиях и достижениях в области материалов и методов, применяемых для усиления дождя. После выступлений к исследователям присоединился д-р Стив Гриффитс, старший вице-президент по исследованиям и развитию KU, чтобы обсудить их работу в рамках панельной дискуссии.

Темы включали применение нанотехнологий для разработки новых материалов для засева облаков, изучение влияния электрических зарядов на формирование облачных капель, алгоритмы для определения подходящих условий засева облаков, а также интеграцию многочисленных усилий по моделированию и новых данных для создания единой модели прогнозирования погоды.

Д-р Линда Зоу, профессор кафедры гражданской инфраструктуры и экологической инженерии, представила пористые наночастицы и их потенциал для засева холодных облаков. Засев облаков — это процесс, при котором в облака помещаются вещества, стимулирующие образование дождевых капель. Естественные холодные облачные дожди возникают, когда кристаллы льда из облаков, находящихся высоко в атмосфере, падают в облака, расположенные ниже. Кристаллы льда действуют как семена для начала формирования более крупных кристаллов, что приводит к образованию дождевых капель.

Доктор Цзоу использует нанотехнологии для создания материалов, называемых частицами, зарождающими лед (INPs), которые действуют так же, как и природные кристаллы льда, образуя переохлажденные капли воды при температуре ниже -38 градусов Цельсия. Засев холодных облаков работает в области теплой температуры поверхности, позволяя зарождению льда при температуре около -8 градусов Цельсия, что делает засев облаков относительно более простым.

Но засев облаков используется не только для усиления осадков; он также может применяться для испарения тумана и облаков. Если туман очень холодный, добавление большого количества INPs приводит к тому, что туман рассеивается, поскольку вся жидкость превращается в лед — полезная техника для районов, где зимой часто бывает туман, например, в ОАЭ. Однако для того, чтобы это сработало, туман должен быть очень холодным, а температура в пустыне редко опускается до нужной температуры. Именно здесь можно использовать методы засева облаков. Засев облаков может также подавить образование града, поскольку искусственные и естественные частицы льда конкурируют друг с другом за доступную жидкую воду, а засев ускоряет образование дождевых капель, превращая облака из опасных в благотворные.

Доктор Цзоу применяет нанотехнологии к обычным материалам для засева облаков, создавая частицы с оптимальными свойствами для обеспечения максимального количества зарождения льда. Редуцированный оксид графена служит шаблоном для роста кристаллов льда благодаря схожей структуре гексагональной решетки, а добавление наночастиц оксида кремния повышает общую адсорбционную способность молекул воды в композитной частице.

Наночастицы оксида кремния создают поры в конечном продукте и играют важную роль в зарождении льда, поскольку в порах скапливается жидкая вода. Эксперименты доктора Цзоу показали, что частицы вызывают зарождение льда при температуре около -8 градусов Цельсия. Эти результаты указывают на то, что засев холодных облаков может быть использован в реальных операциях, включая подавление града и уменьшение тумана.

После презентации о генерации осадков с помощью пористых наночастиц доктор Диана Фрэнсис, старший научный сотрудник и руководитель лаборатории экологических и геофизических наук (ENGEOS), рассказала о работе своей лаборатории по разработке единой многокомпонентной атмосферной модели для применения в ОАЭ в целях усиления осадков. Хотя ОАЭ известны своей жаркой и сухой погодой, в зимние месяцы там все же выпадают дожди.

Однако, как это ни удивительно, в ОАЭ также существуют уникальные погодные системы, которые могут развиваться в летние месяцы, периодически обеспечивая водой районы, испытывающие нехватку дождей, и спасая от чрезмерной жары. Эти системы известны как мезомасштабные конвективные системы (MCS), и доктор Фрэнсис хочет иметь возможность предсказывать их.

Численные модели — мощный инструмент для улучшения понимания процессов в атмосфере и прогнозирования погодных условий и их последствий. Команда доктора Фрэнсиса оценила и проверила компоненты своей единой модели, проведя два исследования: пыль и климат и летние осадки.

MCS — это скопление штормов, которые движутся как единая система, и для того, чтобы она развилась в такой засушливой среде, как ОАЭ, необходимо сочетание факторов от местного до регионального масштаба, включая резкий температурный градиент на земле между сушей и окружающими морями. Если холодный воздух с моря встречается с горячим воздухом из пустыни, возможно образование MCS. Доктор Фрэнсис обнаружил, что формирование MCS и его влияние на состояние атмосферы не учитывается во многих симуляторах погоды над ОАЭ, что приводит к недооценке наблюдаемого облачного покрова. Это имеет важные последствия для использования современных моделей для климатических проектов в засушливых регионах. Поэтому важно разработать комплексные цифровые модели и оценить их способность точно представлять региональную среду.

Пылевые выбросы с Аравийского полуострова также играют важную роль в погоде над ОАЭ. Пылевой покров вызывает значительный эффект чистого потепления на поверхности и в атмосфере в ночное время, изменяя атмосферу на более низких уровнях. Доктор Фрэнсис объяснил, что пыль необходимо учитывать при прогнозировании, проектировании и проведении операций по посеву облаков в ОАЭ из-за ее влияния на циркуляцию и развитие облаков. Роль, которую играет пыль в климатической системе Аравийского полуострова, необходимо учитывать в системах прогнозирования погоды для достижения большей точности.

Поскольку в будущем ожидается расширение пустынных регионов, чувствительных к изменению климата, необходимо продолжить разработку региональных моделей, чтобы лучше представлять окружающую среду ОАЭ, атмосферные процессы и взаимодействия. Несоответствия в любой модели могут привести к неэффективным операциям по засеву облаков, что подчеркивает необходимость в точных моделях и системах прогнозирования, особенно учитывая, что облака в летнее время дают наилучшие шансы для засева облаков.

Частью разработки эффективной модели является понимание происходящих в ней процессов. Постдокторант доктор Рикардо Фонсека подробно рассказал о том, как происходит конвекция над ОАЭ и каковы ее последствия для операций по засеву облаков. Подавляющее большинство осадков выпадает в период с декабря по март, но в летний сезон дожди в отдельных местах — не редкость. Точные прогнозы модели имеют решающее значение для любых планируемых операций по засеву облаков, чтобы воспользоваться преимуществами этого облакообразования.

Доктор Фонсека объяснил, что две атмосферные особенности играют важную роль в возникновении конвекции в летнее время в ОАЭ: Аравийская низкая температура (AHL) и межтропический разрыв (ITD). AHL — это погодная система, которая развивается внутри страны в результате сильного нагревания поверхности солнцем, а ITD — это граница между жаркими и сухими ветрами из пустыни и более холодными и влажными ветрами с Аравийского моря. На примере дождя, который выпал в 2017 году над горами Аль-Хаджар на востоке ОАЭ, доктор Фонсека использовал различные модели для моделирования этого события.

Результаты показывают, что из всех протестированных моделей модель Weather Research and Forecasting (WRF) хорошо справляется с имитацией конвективного явления над горами Аль-Хаджар в сентябре 2017 года, несмотря на некоторые недостатки модели. Д-р Фонсека считает, что прогнозы WRF могут использоваться для руководства деятельностью по засеву облаков в ОАЭ, и при любом моделировании необходимо учитывать важные особенности циркуляции атмосферы над Аравийским полуостровом в летний период.

Участники дискуссии подчеркнули важную роль исследований в области инноваций по усилению дождя, включая технологии засева облаков и точные системы моделирования погоды, для будущих целей ОАЭ в области водной и продовольственной безопасности, а также рассказали о критической работе, проводимой в Университете Халифа, направленной на воплощение этих исследований в практические приложения.