每年，当雪云使美国西部天空阴暗时，山顶都会以非自然的方式轰鸣起来。
火焰从金属烟囱的喉咙中喷出，这些烟囱安装在矮胖的塔楼上，坐落在山峰之间。随着低沉的嘶嘶声，颗粒状烟雾从它们的口中喷入空气，风将它们卷走。
这些不是普通的颗粒。它们是微小的碘化银碎片，一种晶体状的光敏物质，曾用于摄影。
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但它不是用来在山里拍照的。它是用来造雪的。
当风将颗粒吹过山顶时，气流将它们扫到更高的空中——高到足以使其中一些最终接触到云层。在那里，一种优雅的转变发生了。
晶体碘化银颗粒具有类似于冰的结构——在云层中，同性相吸。水滴开始聚集在颗粒周围，在聚集在一起时凝结成固体。
这些冻结的团块最终变得太重而无法停留在空中。它们从云层中落下，轻轻地飘向地球，用新鲜的雪覆盖山顶。
这不是科幻小说中的一页。“人工降雨”是一种真实的做法——事实上，它已经存在了几十年。如今，在美国西部至少八个州和全球数十个国家都在使用它来增加降水。
随着气温稳步上升，人工降雨的兴趣正在增长，这增加了像美国西部山区等地发生干旱的风险。但有一个问题。科学家们不确定人工降雨在今天的效果如何，更不用说在气候变暖的情况下了。
由于对美国西部水资源的担忧日益增长，科学家们正在努力回答这些问题。今天，人工降雨研究代表了天气和气候科学的前沿——汇集了关于气候变暖对我们日益减少的水资源的影响以及我们控制这些后果的能力的问题。
怀俄明大学的大气科学家杰夫·弗伦奇说：“当然，与 10 年前相比，我们现在更有能力解决这个问题。科学的发展已经到了我们可以而且应该努力解决这个问题的地步。”
人工降雨可以采取几种不同的形式。在某些地方，它被用来增加降雨量或防止冰雹。但在美国，它最常见的目的是增加降雪量，通常使用碘化银。
额外的降雪量对水资源可能是一个福音，尤其是在像遭受干旱困扰的西部地区。当春季融化时，积雪是全国数百万人重要的淡水来源。
增加积雪量正日益紧迫地被追求。美国西部大部分地区在过去 20 年中一直遭受干旱。
科学家们最近得出结论，过去二十年是该地区自至少 16 世纪末以来最干旱的时期。他们发现，这场“特大干旱”受到了气候变化的严重影响。
气温上升和持续干旱对西部水资源造成了重大损失。
最近的研究发现，过去几十年中，美国西部山区的大片地区经历了严重的积雪量下降（Climatewire，2018 年 12 月 13 日）。随着气候变暖和春季提前到来，降雪季节也在缩短。
与此同时，西部水资源管理者正在应对日益增长的短缺威胁。像格兰德河和科罗拉多河这样的主要水系的水流量已经减少，它们都为数百万人供水。
随着气温稳步上升，人工降雨构成了一个有吸引力的解决方案。
弗伦奇说：“水资源管理者基本上有两种选择，而且两种选择都在实施。一种是通过节约来某种程度上减少需求，另一种是通过某种方式增加供应。而人工降雨是一个相对廉价的方案。”
然而，证明它有效是另一回事。
天气实验是出了名的难以进行。科学的黄金标准是一项研究，该研究证明人工降雨产生了如果没有人工降雨肯定不会发生的结果。但这种研究需要专门的实验设计和高度先进的技术相结合。
对于人工降雨的漫长历史的大部分时间来说，这根本不可能。直到最近几年，技术才足够先进，研究人员才能真正深入研究这个问题。
弗伦奇说：“我们现在拥有更好的工具来尝试观察人工降雨的发生过程。因此，这有点像是将过去 20 年开发出来或在过去 20 年中改进的新技术应用于一个非常古老的问题。”
数十年的疑问
在过去一个世纪的大部分时间里，人类一直在尝试控制天气。
通用电气的研究员文森特·谢弗通常被认为是 20 世纪 40 年代首次进行人工降雨实验的人。谢弗在二战期间和之后的大部分工作都集中在防止飞机在空中结冰。因此，他设计了一个特殊的自制冰箱，以帮助他更好地了解冰在云层内部形成的方式。
故事是这样的，谢弗有一天走进实验室，发现他的冰箱被关掉了。为了尽快冷却冰箱，他将一块干冰放入箱子中。一团闪闪发光的冰晶立即在空气中形成。
1946 年，谢弗通过飞机进行了第一次真正的人工降雨实验。他将 6 磅碎干冰投入到纽约州阿迪朗达克山脉的一片云层中。几乎立即，开始下雪。
在后来的实验中，谢弗和其他通用电气同事发现，某些类型的颗粒更有效地帮助冰晶形成。他们发现，碘化银是最好的之一。
天气修改很快引起了美国政府的注意。在接下来的几十年里，它将资助从干旱管理到军事应用等各个方面的人工降雨实验。
1947 年，西拉斯项目——通用电气和美国军方之间的合作——创造了历史，成为科学家首次尝试改造飓风。10 月 13 日，该行动向在佛罗里达海岸附近翻滚的旋风倾倒了近 200 磅干冰。
在 20 世纪 60 年代和 70 年代初期，联邦政府继续尝试人工降雨飓风的想法——但收效甚微。科学家们最终得出结论，它没有效果。
从 20 世纪 60 年代初开始，垦务局资助了一系列名为“天水项目”的人工降雨实验，旨在增加西部各州的水资源。报告表明，该项目的结果好坏参半。
在 20 世纪 60 年代末和 70 年代初期，美国军方甚至尝试将天气修改作为战争武器。“波派行动”旨在产生足够的降雨来破坏越南的敌人补给线。
这些努力是短暂的。1977 年，一项国际条约禁止将天气修改用于军事目的。
许多早期实验中都存在一个共同点：要么它们没有用，要么很快就停止了，要么科学家无法判断它们的效果如何。
怀俄明大学的科学家弗伦奇说：“在 60 年代、70 年代和 80 年代进行了大量研究。但所有这些都停止了，我认为当时人们意识到各机构年复一年地花费数百万美元，但结果仍然不确定。”
他说，问题在于天气修改研究真的很难设计和实施。
为了证明人工降雨具有实际效果，科学家必须证明它产生的任何结果如果没有人工降雨就不会发生。这需要设置一个实验，至少进行两次测试——一次进行人工降雨，一次不进行人工降雨——在同一地点和相同的天气条件下。
由于天气变化如此之快，这真的很难做到。即使有可能，此类研究也需要先进的监测技术，包括高科技雷达。这种技术直到最近才被广泛使用。
这意味着人工降雨研究主要依赖于统计研究。这些研究测量在一个地点进行人工降雨产生的降水量，然后将其与未进行人工降雨的另一个地点进行比较。
在这类研究中，这两个设置并不相同。这意味着它们不能明确证明在一个地区进行人工降雨产生的降水量如果没有人工降雨就不会发生。
2003 年，国家研究委员会发布了一份关于天气修改的综合报告，强调了这些问题。它得出结论，“仍然没有令人信服的科学证据证明有意进行天气修改的努力是有效的。”
尽管如此，国家研究委员会建议继续进行天气修改研究——很大程度上是因为它有可能解决美国西部日益恶化的水资源问题。
同样的希望也促使各州水务机构继续资助人工降雨行动，即使在 20 世纪 80 年代联邦研究工作减少之后也是如此。
弗伦奇说：“我认为对于它为什么会继续存在有一个非常简单的解释。人工降雨根植于一个相当扎实、广为人知的物理基础上，即它应该有效。”
各州接受不确定性
如今，在美国西部至少八个州都在进行人工降雨作业，各州机构、公用事业公司和山区度假村等私营公司通常分担不同程度的投资。
例如，科罗拉多河上游流域的人工降雨计划每年花费约 150 万美元。费用由科罗拉多州、犹他州和怀俄明州的州机构分摊，这些州是大部分作业的所在地，以及内华达州、加利福尼亚州、新墨西哥州和亚利桑那州，这些州也将从科罗拉多河流量增加中受益。
在过去几年中，人工降雨在美国西部各州的干旱管理策略中占据了更突出的地位。科罗拉多河流域的成本分摊协议于 2018 年最终确定，此前各州已单独管理其人工降雨作业多年。该协议有效期至 2026 年秋季。
自 2018 年以来，怀俄明州和科罗拉多州通过投资空中人工降雨作业——即通过飞机进行的人工降雨——加强了他们的计划，除了他们已经散布在山区的地面机器之外。
考虑到所有因素，这些都是相对廉价的投资——对于潜在的高回报而言，风险较低。但它真的在起作用吗？
大多数计划都引用统计研究来证明其努力的合理性。这些研究表明，与未进行人工降雨的地区相比，播撒云层可以产生大约 5% 到 15% 的降雪量。
如果这是正确的，那么人工降雨的成本约为每英亩英尺水几美元（相当于约半个奥林匹克尺寸的游泳池）。这远低于许多其他节水干预措施的成本，例如节约用水、循环利用或海水淡化，这些措施的成本可能高达每英亩英尺数百美元。
尽管如此，统计研究并不能证明人工降雨实际上正在导致更重的降雪。这需要更专业的科学实验——直到最近几年，科学家们才终于能够做到这一点。
早在 2015 年，为垦务局准备的一份广泛的报告得出结论，继续研究仍然是必要的，但它指出，“科学界几十年来一直在寻求的‘证据’仍然没有掌握。”
前沿研究
2017 年 1 月 19 日，一架研究飞机轰鸣着穿过爱达荷州佩耶特河流域上空的灰色天空，向空中喷洒碘化银。在下方白雪皑皑的山峰上组装起来的雪量计和便携式雷达机器已准备好测量科学家们希望随之而来的降雪。
这是一个实验的开始，该实验将颠覆人工降雨科学。这项研究被称为 SNOWIE 项目——“播撒和自然地形冬季云”的缩写——该研究提供了一些首次量化证据，证明人工降雨实际上是有效的。
在那年一月的三个日子里，天气条件将一致，以建立完美的人工降雨实验。天空阴冷多云——但没有下雪。在这三天里，研究飞机将在山顶上空飞行十几次以上，每次释放相同量的碘化银。
科罗拉多大学博尔德分校的大气科学家卡佳·弗里德里希帮助领导了 SNOWIE 项目，她说：“三天来，天空都被云层覆盖，但没有降雪，没有自然降水。我们将播种材料放入过冷的液态云中，我们能够产生降水。这非常具有革命性。”
由于有了高科技雷达设备，科学家们能够监测云层的反应，从碘化银释放到空气中的那一刻起，直到开始下雪的那一刻。在这三天里，科学家们估计，他们播撒的云层中降下了大约 286 个奥林匹克游泳池的水量的雪。
弗里德里希和她的同事，包括来自科罗拉多州、怀俄明州、伊利诺伊州和爱达荷州的科学家，在去年发表在美国国家科学院院刊上的一篇开创性的论文中发表了他们的发现。
SNOWIE 出现在美国人工降雨研究复兴浪潮中。在多年来对天气修改相对缺乏科学兴趣之后，过去十年的系列项目为新的见解铺平了道路。
怀俄明州天气修改试点项目于 2008 年启动，是其中最早的项目之一。该项目由怀俄明州资助，旨在评估在全州山脉的三个目标区域进行的人工降雨工作的成功程度。
弗伦奇说：“该项目的结果——它们是积极的，但它们并不是 100% 完全确定的。”
但该项目确实突出了过去几十年人工降雨研究的一些重大进展，包括雷达和其他观测工具的改进，以及计算机建模的重大飞跃。
借助这些新的和改进的技术，SNOWIE 项目将人工降雨研究推向了天气和气候科学的前沿。
国家大气研究中心的另一位科学家莎拉·泰森多夫也参与了 SNOWIE 项目，她说：“问题不再是‘人工降雨是否有效？’真正的问题是，‘它在何时以及如何有效？在不同条件下，它的效果如何？’”
随着干旱和气候变暖挤压美国西部的供水，科学家们正忙于回答这些问题。
泰森多夫说，SNOWIE 项目在结束后四年仍在提供见解。由于计算机模型的最新进展，科学家现在可以模拟碘化银对云层的影响——他们可以使用这些模拟来进行受控实验，这正是人工降雨研究一直缺失的那种研究。
与此同时，SNOWIE 项目收集的数据正在帮助科学家验证他们的模型，并确保他们的模拟是真实的。
泰森多夫说：“我真的觉得，在今天这个时代，我们正处于人工降雨科学的一个非常激动人心的阶段，因为我们能够在过去几年中收集到一些非常好的数据。凭借计算机能力，在这个领域取得进展真的很有希望。”
但专家们也建议保持对期望的控制。到目前为止的科学表明，在应对干旱方面，人工降雨远非万能药。
首先，SNOWIE 实验产生了相当适量的降雪。
弗里德里希说：“正如我们在论文中展示的那样，我们真的无法产生大量的雪。我们可以产生雪，但不足以真正克服干旱局面。”
此外，SNOWIE 项目是在爱达荷州一小片地区进行的，仅持续了三天。
凭借 SNOWIE 项目带来的强劲势头，科学家们希望他们能够回答关于人工降雨效果如何的许多最大疑问。但这可能需要时间和更多的研究。
怀俄明大学的科学家弗伦奇也为 SNOWIE 项目做出了贡献，他说：“更大的问题是它是否在整个季节、整个山脉的范围内‘有效’——我给‘有效’加上了引号？
“我们真的能产生有影响力的差异吗？在我看来，我们离回答这个问题还有很长的路要走。”
转载自E&E News，经 POLITICO, LLC 许可。版权所有 2021 年。E&E News 为能源和环境专业人士提供重要新闻。