Tehnologije unošenja reagensa u oblak

Zasijavanje oblaka, kao osnovni vid antropogene modifikacije vremena, predstavlja složen tehnički problem, koji je rješen izradom raznih vrsta i tipova generatora za zemaljsko i avionsko zasijavanje, izradom raketa i artiljerijskih granata punjenih reagensom, kao i drugih pirotehničkih sredstava takođe punjenih reagensom.

Ova tehnologija koristi se prije svega u preventivi sprečavanja padanja grada, ali ima i mogućnost za primjenu u stimulaciji padavina i sprečavanju jakih oluja. Rakete su dizajnirane za ispuštanje nukleidnog materijala (reagensa) duž putanje oblaka. Posada za lansiranje dobija pojedinosti o potrebnoj elevaciji i uglovima azimuta od operatora radara, ili nišanjenje može biti automatizovano tako se lanseru telemetrijom šalju instrukcije o ciljanju i ispaljivanju. Najveća prednost sistema sa raketama jeste njegova sposobnost da dosegne bilo koji region sa ćelijama grada u veoma kratkom vremenu. Rakete stižu do zone zasijavanja za nekoliko sekundi, dok će cijela putanja biti zasijana reagensom za manje od jedne minute.

To dozvoljava skoro trenutni odgovor na prijetnju od grada, kao i mogućnost ispaljivanja višestrukih raketa kako bi se količina reagensa istovremeno i kontinuirano isporučivala u rastuće ćelije ili u jezgru ćelija. Takođe, rad ovog sistema je moguć 24 sata dnevno, u svim vremenskim uslovima. Najvažniji nedostaci i mane ove tehnologije su ograničenja pri ispaljivanju zbog kontrole vazdušnog saobraćaja, a u nekim slučajevima i zbog blizine naseljenog područja (zabranjena zona). Zabranjene zone su neophodne zato što se dešavalo da samo-uništavajući mehanizam ponekad zakaže, tako da se mora obratiti pažnja da se raketa lansira u smjeru u kojem neće biti ugroženi ljudi ili imovina. Uslov za uspješnost je i taj da mora postojati dovoljan broj lansirnih mjesta kako bi se pokrilo područje zasijavanja. Svaki poligon za gađanje mora imati najmanje jedan radar i nekoliko lansirnih mjesta, kao i mjesto za smještanje raketa. Valja napomenuti da je u svakom od ovih projekata baziranim na raketama neophodan veći broj ljudi, kako za radarom, tako i na lansirnim mjestima, kad god se predviđa oluja, ponekad i 24 sata dnevno. Ovdje treba na kraju dodati da su veliki napredak postigli istraživači u bivšem SSSR-u na konstrukciji raketa i artiljerijskih granata za zasijavanje oblaka u cilju sprečavanja padanja grada. Oni su iz ekonomskih razloga u mnogim uređajima umesto AgJ koristili olovo jodid PbJ2.

Ova tehnologija se koristi kod preventive sprječavanja padanja grada, stimulacije padavina i sprečavanja jakih oluja. Za efektivno zasijavanje kod primjena iz vazduha mogu se koristiti ice nucleus generatori koji se nalaze ispod krila ili na krajevima krila, spremišta sa mamcima postavljena na dnu avionskog trupa, mamci koji se ne ispuštaju, nego gore u mjestu, a smješteni su u spremište na krilu aviona, kao i suvi led koji se iz posebnih spremnika izbacuje iz aviona. Kada se raspršuje na rastuću bazu oblaka (sa generatora na krajevima krila ili mamcima koji gore u mjestu), materijal za zasijavanje se mora dovesti u uzlazne struje novonastajućih oblaka na rubovima potpuno razvijenih oluja, kao i oblaka koji se razvijaju nezavisno od razvijenih oluja, a kod kojih postoji vjerovatnoća da će se sami razviti u gradonosnu oluju, ili koje treba zasijati radi stimulacije padavina. Avion obično mora biti u stanju da leti u području uzlaznih struja podoblaka i pri tom da raspršuje reagens direktno u uzlaznu struju oblaka. Dok je ciljanje u ovoj primjeni relativno pouzdano, zbog identifikacije priticaja, potrebno je određeno vrijeme (od 10 od 20 minuta) da se aerosol kojim se zasijava, prebaci u super-ohlađene dijelove oblaka. Kada se baze (podnožja) oblaka nalaze na manjim visinama (višim temperaturama), prenos reagensa do super-ohlađenih dijelova oblaka zahtjeva više vremena, tako da zasijavanje obavezno treba započeti dovoljno rano. Zasijavanje uzlaznih struja potpuno razvijenih oluja treba izbjegavati, zato što brzina tih struja često prelazi 20 m/s, pa bilo kakav led koji može rezultirati, nema nikakve šanse da naraste do veličine padavina prije nego se prenese na vrh oblaka. Dodatno, tako jake uzlazne struje mogu, a često i proizvode veliki grad, što je velika opasnost i za avion i za posadu. Tokom direktnog zasijavanja rastućih super-ohlađenih dijelova oblaka avionom (približno na nivou 10°C), sa mamcima za izbacivanje ili suvim ledom, u obzir se moraju uzeti brzine vertikalnih vjetrova (uzlaznih i silaznih) od 10 m/s ili više. Jake turbulencije nisu neobične, posebno u zoni između silaznih struja na granicama vrhova oblaka i unutrašnjih uzlaznih struja. Kada se koriste mamci za izbacivanje ili suvi led, reagensi za zasijavanje se mogu izbaciti za vrijeme letenja kroz oblak, ili mogu biti ispušteni na vrh oblaka sa gornje strane. U samo nekoliko sekundi moguće je izbaciti veliku količinu materijala za zasijavanje. Efekti ovakvog načina isporuke su gotovo trenutni, ako je zona zasijavanja super-ohlađena, a zasijavanje razvijajućih oblaka je potvrđeno vizualnom identifikacijom. Mamci za izbacivanje koji izgaraju 20 gr nukleant-a u približno 35 sekundi se najčešće koriste za zasijavanje sa vrha (blizu nivoa od –10 °C). Manji tornjevi (vrhovi, ) sa slabim uzlaznim strujama i super-ohlađenom vodom u tečnom stanju zahtjevaju samo jedan mamac (baklju). Dodatni mamac (baklja) se izbacuje svakih nekoliko stotina metara u šire ili brzo rastuće tornjeve (vrhove, ), ili svakih 4 do 5 sekundi, ako se leti brzinom od 67 do 100 m/s. Ovakvo mjerilo zasijavanja zasniva se na posmatranju miješanja turbulencija u aktivnim rastućim Cumulus-ima, koje je pokazalo da preklapanje smjese za zasijavanje u vremenu od 250 sekundi (4 minuta) i generisanje dovoljnog broja ledenih kristala, mogu iscrpsti svu vodu u tečnom stanju iz uzlazne struje od 10 m/s. Svrha ovog načina zasijavanja jeste započinjanje formiranja leda prije nego se on prirodno sam stvori, kako bi se napravile značajno veće koncentracije leda, kao što su zasijani razvijeni tornjevi (turrets). Iz tog razloga, postupak se mora provesti na vrhovima oblaka koji su u fazi razvoja a koji su i super-ohlađeni i bez leda. Jednom kada led počne da se razvija, on se brzo razmnožava unutar vrha oblaka, tako da je tretiranje vrhova koji sadrže značajne količine (prirodnog) leda nepotrebno, pa predstavlja gubitak dragocjenog vremena i resursa. Veći toranj je obično bliži tome da sam prirodno razvije led, a cilj je dati svakom tornju što je moguće veću početnu prednost. Zasijavanje bi se trebalo ponavljati svake 3 – 4 minute kako bi se pravilno zasijao novi oblak u fazi razvoja, sve dok se pri letenju kroz oblak nailazi na super-ohlađenu vodu u tečnom stanju i uzlazne struje.

Moderna GPS tehnologija satelitske navigacije je relativno jeftin način praćenja položaja letjelice i zemaljskih vozila na terenu. Sa odgovarajućom radio-vezom, pozicija letjelice se može poslati zemaljskom radaru i automatski ucrtati na ekran radara. To pruža drugi važan izvor dokumetacije kod operacija zasijavanja oblaka avionom. Moguće je tačno automatski zabilježiti kada i gdje je postupak obavljen, pa to prikazati zajedno sa radarskim ili drugim slikama. Iz praćenja leta aviona i iz verbalnih izvještaja preko radio-veze (odnosno, vizualnih izvještaja pilota), zasijavanje može biti znatno pouzdanije, posebno kada se reagens za zasijavanje ispušta direktno u toranj oblaka. Letjelice koje se koriste za zasijavanje direktnim ciljanjem moraju biti opremljene instrumentima potrebnim za letenje, uključujući i modifikacije napravljene kako bi se smjestila oprema, a ova sertifikacija za sobom povlači određena ograničenja i zabrane. Generalno, privatne kompanije koje obavljaju projekte protivgradne zaštite i stimulacije padavina koriste avione sa dva turbo-motora. U obzir se mora uzeti brzina i brzina penjanja, kao i to da letjelice moraju biti u stanju da se brzo približe oblacima u fazi razvijanja. Avioni sa dva motora su bolji zbog razloga performansi i sigurnosti. Nedostaci svih sistema sa letjelicama su ti da se istovremeno samo jedan avion može koristiti za zasijavanje vrhova oblaka u razvoju (približno na –10°C nivou), a drugi za zasijavanje baze oblaka. Letjelice takođe imaju ograničeno vrijeme leta, pa tako mogu postojati kašnjenja u koordiniranju promjena kod zasijavanja ili kada avion mora putovati između oluja. Zato zasijavanje možda ne može biti kontinuirano, a neke ćelije se možda ne mogu tretirati između uzastopnih zasijavanja oblaka proletanjem ili ulaskom u oblak. Materijalu za zasijavanje koji se ispusti na bazi oblaka, potrebno je nekoliko minuta da dostigne dovoljnu visinu za raspršivanje i nukleaciju. Dalje, operacije mogu biti ograničene uslijed mraka ili loših vremenskih uslova, kada je vidljivost ograničena, ili kada višestruke ćelije sprečavaju siguran let unutar željenih, novonastajućih područja oluje.

Ova tehnologija se koristi kod antropogene modifikacije vremena u procesima preventivne zaštite od grada i stimulacije padavina. Isparavanja AgJ aerosoli mogu se izvesti generatorom koji izgara tečnost sastavljenu od acetona, AgJ i drugih sastojaka. U generatorima obično isparava AgJ u plamenu, koji može biti neprekidan ili iniciran eksplozivom. Pri tome se mora voditi računa da ne dođe do razlaganja AgJ na metalno srebro i paru joda J2 sa naknadnom reakcijom u kojoj se obrazuje jodid vodonika HJ. Najčešće su rasprostranjeni acetonski i pirotehnički generatori. Acetonski agregat je sačinio Vonegut. Ukoliko se AgJ ne rastvara u acetonu, u njega se stavlja „nosač” ili rastvarajući reagens. Najčešće se koriste nosači kao na primjer: natrijum jodid (NaJ), kalijum jodid (KJ) ili amonijak jodid (NH4J). Rastvor acetona se ubrizgava u plamen i sagorjeva bilo bez dodatka bilo sa propanom ili gasolinom da bi ispario AgJ i nosač. U nekim slučajevima acetonski generatori ne razvijaju dovoljnu toplotu za potpuno isparenje AgJ. Tada je u svakoj čestici sadržan pored AgJ i ostatak smješe, odnosno pojedinačna kapljica rastvora. Pokazalo se da su takvi rastvori pogodni za produkciju čestica koje su aktivne kao jezgra kristalizacije na temperaturama bliskim 0˚S. Međutim, glavni nedostatak ovog metoda je što daje relativno mali broj čestica. Drugi tip generatora koristi tečno gorivo u kojem se AgJ lako rastvara. Ovi generatori nisu dobili širu primjenu zbog toksičnosti (npr. ohlađeni suvi amonijak). Prvi generatori na čvrsto gorivo bili su zasnovani na sagorjevanju kokosovih tableta prethodno natopljenih rastvorom AgJ. Treći tip generatora zasnovan je na uvođenju fitilja natopljenog sa AgJ u plamen propana. Isparavanje AgJ je kontrolisano satnim mehanizmom. Pirotehnički generatori u početku su bili napravljeni za korišćenje sa aviona, gdje su zapaljivi rastvori predstavljali određenu opasnost. Prvi generatori su predstavljali jednostavno eksplozivna sredstva koja su se koristila kao prasak, sa dodatkom izvjesne količine AgJ standardnoj smjesi.

Od 1959. godine otpočeli su razradu i ispitivanja pirotehničkih sredstava, namjenjenih specijalno za zasijavanje oblaka. Neki od razrađenih sredstava izbacivani su sa aviona, dok se u drugima palio i sagorjevao reagens u uređajima na samom avionu. Za dobro pirotehničko sredstvo postavljaju se mnogi zahtjevi. Ono treba da sagorjeva ravnomjerno i da ne dovede do iznenadne eksplozije. Ti pirotehnički uređaji koji sagorjevaju neposredno u sebi reagens, treba da imaju dovoljnu postojanost. Pirotehnika koja vrši izbacivanje reagensa treba da u potpunosti sagori kako ne bi nikakvi ostaci pali na zemlju. U pirotehničkim generatorima jedinjenja koja sadrže AgJ pakuju se zajedno sa drugim jedinjenjima u reagensnu vezujuću materiju, obično nitro celulozno gorivo sa plastifikatorom. Od stotinak vrsta smjesa koje su dosad isprobavane, najširu primjenu su našle smjese koje se korioste u sastavu svjetlećih raketa LNJ-83 i ENJ-20. U sastavu ovih raketa nalazi se 78% AgJO3, 12% Al, 4% Mg i 6% vezujuće materije. Obično efektivnost pirotehničkog sastava ocjenjuje se brojem jezgara na 1 gram AgJ. U mnogim slučajevima broj čestica zametaka, koje su se formirale u generatorima, premašuje broj čestica reagensa koji dospjeva u okružujući vazduh. Čestice zametci koaguliraju u procesu braunovog kretanja, stoga u konačnom rezultatu dobijaju se čestice koje se sastoje iz cjelog niza kristala. Rentgenska analiza je pokazala da generator obrazuje agregatnu česticu sa prečnikom 0,15 do 1 , koja se sastoji iz odvojenih kristala, čiji je razmjer u prosjeku 80 nm. Odnos linearnih razmjera pokazuje da takve čestice sadrže od 10 do 1000 kristala. Broj čestica koje se obrazuju pomoću generatora kontroliše se u osnovi obimom vazduha koji iz njega izlazi u oblast koja se zasijava, gdje se iz pare reagensa obrazuju čestice. Takođe, broj čestica zavisi od brzine hlađenja vazduha koji ističe iz generatora. Promjena količine AgJ koja se koristi u generatoru, utiče na srednju razmjeru čestica, a ne i na njihovu količinu. Ove opšte postavke važe kako za pirotehničke, tako i za generatore na tečno gorivo. Najčešći metod je korištenje ovih generatora u fiksnom položaju na površini zemlje, pri čemu su oni formirani u mrežu. Ovakva tehnika isporuke ima duže vrijeme potrebno za reagovanje, a često koristi veće količine reagensa za zasijavanje. Zavisi od lokalnih prenosnih struja koje prenose reagense u rastuće oblake. 
Jedan od pristupa ovoj tehnologiji jeste smještanje zemaljskih generatora na udaljenost usporedivu sa dijametrom manjih konvektivnih ćelija, sa međusobnim razmakom od 8 km. Time se osigurava da će bilo koja oluja u razvoju imati mogućnost prihvatanja aerosol-a sa najmanje jednog zemaljskog generatora. Neophodno je izraditi model raspršivanja reagensa za zasijavanje kako bi se mogao odrediti broj i smještaj generatora potrebnih za isporuku dovoljne količine vještačkih jezgara na visinu Cumulus-nog oblaka. Generatori se obično ostave da izbacuju aerosol za vrijeme dok se unutar njihovog područja djelovanja kreću oblaci pogodni za djelovanje. Unutar tog vremenskog perioda potroši se značajna količina reagenasa za zasijavanja, obično mnogo više nego što bi se koristilo da se oblaci direktno zasijavaju. Mreža koja se koristi u južnoj Francuskoj, u svrhu protivgradne preventive sačinjena je od 467 generatora postavljenih na preko 40,000 km2.

Iz toga se jasno može zaključiti da razvijanje mreža zemaljskih generatora nije jednostavno raspoređivanje nekoliko desetina generatora i slično. Zemaljski generatori mogu se ručno uključivati i isključivati, svaki od strane imenovanog pojedinca, ili se to može obavljati automatski, sa centralne kontrolne stanice. U oba slučaja neophodno je servisno održavanje, kako bi se obnovile zalihe ako je to potrebno, i da bi se svaki generator održao u radnom stanju. Količina izbacivanja aerosol-a kod zemaljskih generatora obično varira od 15 do 40 grama AgJ-a po satu. Ako uzmemo u obzir da najmanje jedan fragment mreže generatora mora ispuštati materijal za zasijavanje kad god postoji rizik od oluja, neophodno je da projekat može da računa na preciznu prognozu vremena. To je naročito važno kada mreža generatora nije automatska, jer tu uvijek postoji neminovno kašnjenje nastalo zbog uključivanja generatora, moraju se upozoriti pojedinci odgovorni za svaki uređaj, koji zatim moraju otići do lokacije sa generatorom da bi ga pokrenuli. Kod automatskih mreža, međutim, generatori mogu biti aktivirani ili deaktivirani unutar nekoliko minuta. Gradonosne oluje ne nanose štetu samo u brdovitim ili planinskim područjima. Sjevernoameričke ravnice redovno bivaju pogođene snažnim gradonosnim olujama. Prema tome, može biti poželjno rasporediti zemaljske generatore na relativno ravnim terenima, pri čemu je moguće osloniti se na to da će prenošenje topline (konvektivnost) miješati reagens za zasijavanje sa vlažnim graničnim slojem iz kojeg se nastajuća oluja hrani. Međutim, iako je dokumentovano da se ovakvo miješanje i podizanje materijala može dogoditi, zemaljski generatori su ograničeni u svojim mogućnostima da zasijavaju oluju koja nastaje iz prethodne konvektivne aktivnosti, zato što za stvaranje i raspršivanje zemaljskih vještačkih jezgri, nema dovoljno vremena. Postoje okolnosti kada pretjerano niske baze oblaka, mrak, ili stanje meteoroloških instrumenata čine raspršivanje reagensa ispod baze oblaka nesigurnim za avion. U takvim slučajevima, mreža zemaljskih generatora ima prednost.Čestice aerosola koje proizvode generatorska pirotehnička sredstva su visokoefikasni aerosoli. Pirotehnička sredstva izgaraju sa finim dimom, a imaju postojano vrijeme izgaranja od 37 sekundi. Formiranje kristala leda odvija se veoma brzo, zajedno sa brzim procesom zamrzavanja kondenzacije. Visokoproizvodni i brzoreaktivni reagensi su važni za protivgradnu zaštitu, iz razloga što je vrijeme koje je na raspolaganju za uspješnu intervenciju na proces rasta grada, često manje od 10 minuta.

IZVORI:

1. C. Donald Ahrens, Meteorology today: an introduction to weather, climate, and the environment, Thomson Learning Academic Resource Center, Belmont, 2007.
2. L.G.Kačurin,Fizičeskie osnovi vozdeйstviя na atmosfernыe processы, Gidrometeoizdat, leningrad,1978.
3. World meteorlogical organization, Rumen D.Bojkov,G.Brant Foote, Meeting of the experts on hail suppression, Nalchik,27. september-2.october 2003. WMO, Nalchik, 2003.
4. Dr Mlađen Ćurić, Zoran Babić, Rajko Popović, Stimulacija padavina Republike Srpske, odnosno BiH, projektna studija, JODP PGZ RS, Beograd, avgust 2004.
5. Nada Pavlović dipl.met., Pregled projekata veštačkog uticaja na vreme u toku 1977.godine, Glasnik Protivgradne zaštite, br.12,Str 7-12., RHMZ SR Srbije, Beograd,1979.
6. www. meteoradar.hit.bg/pbv_bme.html: Antihail rocket and hail suppression methodology used in Bulgaria
7. www. en.wikipedia.org/wiki/Cloud_seeding History/
8. www. geofizika-journal.gfz.hr/Vol_08/Karacostas2.pdf: Theodore S. Karacostas:The Greek National Hail Suppression Program (NHSP)
9. www.highbeam.com/doc/ Dessens, Jean : A physical evaluation of a hail suppression project with silver iodide ground burners in Southwestern France
10. Makitov & Krauss, Technology for delivery of seeding material, Meeting of experts on hail suppression, Nalchik 2003.