Контролируемые эксперименты по засеву облаков

Одна из трудностей оценки результатов большинства описанных выше исследований состоит в невозможности удовлетворительного использования методов статистики.

Важным исключением была большая работа, проведенная группой ученых Чикагского университета под руководством Г. Байерса и Р. Брахэма. Цель работы состояла в исследовании воздействия сухого льда на хо-лодные кучевые облака и мелких капелек воды на теплые кучевые облака. Поскольку эта работа дала убедительные результаты, имеет смысл рассказать о ней более подробно.

Проект исследований был тщательно разработан статистиками В. Крушалом и А. Браунли.

В начале исследований было решено засевать отдельные облака и использовать радиолокационную установку на борту самолета для регистрации образования в облаках частиц осадков. При этом выяснилось, что некоторые из облаков, выбранных для изучения, давали типичное радиолокационное эхо от осадков, даже если они не засевались. Важно было найти сначала способ, позволяющий отличать группу засеваемых облаков с "дождевым" эхо от группы облаков, которые не засевались, но тоже давали эхо.

Как уже упоминалось, для правильного использования статистики опыты необходимо ставить так, чтобы исследователи никак не могли влиять на их результаты. Поэтому в работу специально ввели случайную выборку. Было решено, что облака будут изучаться парами. Схема случайной выборки была использована для того, чтобы решить, какое облако из пары будет засеваться, а какое - нет.

Исследование в течение небольшого периода времени двух облаков, близко расположенных друг к другу, имело то преимущество, что позволяло применить довольно простые статистические приемы. Однако при статистической обработке парных наблюдений следует принять некоторые предосторожности, иначе все результаты эксперимента могут оказаться сомнительными.

Наиболее важная предосторожность состоит в том, что ученый, выбирающий облако для исследования (этого ученого мы будем называть контролером), не должен знать, будет ли данное облако засеваться. Если первое облако из пары засевается, тогда второе не будет засеваться, и наоборот. Поэтому если контролер знает, что воздействию подвергнется первое облако, он знает также, будет или не будет засеваться второе облако.

Скажем, первое облако из пары не было засеяно и не дало радиолокационного эха. Если контролер склонен доказать, что засев эффективен, он может выбрать в качестве второго (засеваемого) облака наиболее массивное из имеющихся. Даже если контролер совершенно не предубежден, знание того, что должно произойти, может оказать на него влияние при выборе облаков.

В экспериментах Чикагского университета была принята следующая схема работы. Использовался самолет Б-17 с достаточно хорошей бортовой радиолокационной установкой. В полете контролер сидел позади пилота. Его работа состояла в выборе направления полета и облаков, подлежащих исследованию.

После того как самолет достигал высоты засева и все оборудование было проверено, начинались испытания. Когда контролер замечал растущее кучевое облако, развившееся до высот, где возможны естественные осадки, самолет пролетал через облако или вблизи него. Оператор радиолокатора отмечал наличие или отсутствие эха от облака. Если эха не было, контролер давал инструкцию пилоту, чтобы он летел от облака примерно в течение 20 секунд, затем поворачивал на 180° и направлялся через облако. Одновременно остальному экипажу сообщалось, что облако отобрано для изучения.

Другой исследователь, находившийся в хвостовом отделении самолета, тоже получал указания. Этот исследователь, инженер-метеоролог по специальности, управлял комплексом электронных приборов для выполнения многочисленных измерений в облаках. Он также управлял оборудованием для засева. Важно заметить, что этот исследователь был отделен от контролера бомбовым отсеком и радиорубкой. Контролер не мог знать, что происходит в задней кабине.

Когда инженеру-метеорологу сообщали, что первое облако выбрано, он вскрывал запечатанный конверт. В конверте была карточка с указанием: "Засевать первое облако; не засевать второе облако", или наоборот. Карточки в конвертах были заготовлены заранее по принципу случайной выборки.

Когда самолет снова направлялся к облаку, инженер был готов выполнить то, что предписано в инструкции.

Если в карточке указывался засев, инженер принимал исходное положение для засева и ждал окончательного сигнала.

Когда самолет был примерно в 10 секундах полета от облака, контролер начинал считать: "Десять, девять, восемь, семь..." На счете "ноль" инженер-метеоролог нажимал выключатель, и облако засевалось. Контролер вообще не знал, был ли нажат выключатель или нет. Затем самолет несколько раз заходил в облако, пока оно не рассеивалось или не давало дождя. Экран радиолокатора фотографировали для получения непрерывной записи и установления, появилось ли эхо от осадков.

После того как первое облако было полностью исследовано, контролер искал другое облако, подобное первому. Следовала та же процедура, за исключением того, что инженер-метеоролог выполнял противоположное действие: если он засевал первое облако, то второе уже не засевалось.

Подчеркнем еще раз, что контролер не знал, какое облако из пары засевалось. Поэтому он мог без вреда для дела выбирать облака, непохожие друг на друга. Однако, даже если они резко различались (в некоторой степени облака различались почти всегда), схема случайного отбора давала уверенность в том, что после длительной серии опытов группы засеваемых и незасеваемых облаков будут статистически однородными.

Холодные кучевые облака над центральными и юго-западными районами США засевались сухим льдом. Число радиолокационных эхо в засеваемых облаках было больше, чем число эхо в незасеваемых облаках, но различие оказалось небольшим.

При других полетах оказался эффективным засев теплых облаков. Облака над океаном вблизи Пуэрто-Рико были засеяны капельками воды, большая часть которых имела диаметр в несколько сотен микрон. Эти капельки образовывались при сбрасывании 1800 литров воды через бомбовый люк самолета Б-17 примерно в течение тех 20-секундных интервалов, за которые самолет пролетал сквозь облако. В засеваемых облаках дождевое эхо отмечалось почти в два раза чаще, чем в незасеваемых. Вероятность того, что результаты этих наблюдений являются случайным совпадением, составляла всего 2 лишь 2/100. Было также обнаружено, что в засеваемых облаках дождевое эхо возникает примерно за половину того времени, которое требуется для формирования эха в незасеваемых облаках.

Эта серия экспериментов четко показала, что засев облаков водяной пылью может вызвать осадки в тропических кучевых облаках. Это важный шаг вперед. Однако остался без ответа вопрос, может ли засев облаков увеличить количество осадков на земле.