Brevet 3613992 – Méthode de modification du temps – 1971

1. Procédé de production de précipitation à partir d’un nuage atmosphérique naturel constitué de gouttelettes d’eau surfondues, lequel procédé comprend l’introduction dans lesdites particules de nuage d’une substance solide finement divisée présentant une solubilité élevée dans l’eau et une grande chaleur endothermique de solution et sélectionnée dans le groupe composé d’urée, de nitrate de potassium, de nitrate de potassium et de nitrate d’ammonium.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la substance solide est l’urée.

3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la substance solide est le nitrate de potassium.

4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la substance solide comprend du nitrite de potassium.

5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la substance solide comprend du nitrate d’ammonium.

6. Procédé pour provoquer la formation de cristaux de glace dans une masse de gouttelettes d’eau ayant une température inférieure à + 6 ° C, qui comprend l’introduction dans ladite masse de particules d’une substance solide finement divisée ayant une solubilité élevée dans l’eau et une grande chaleur endothermique de solution et choisi dans le groupe constitué par l’urée, le nitrate de potassium, le nitrite de potassium et le nitrate d’ammonium.

7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la substance solide est l’urée.

8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la substance solide est le nitrate de potassium.

9. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la substance solide est le nitrite de potassium.

10. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la substance solide est le nitrate d’ammonium.

11. Procédé de formation de cristaux de glace dans une masse constituée de gouttelettes d’eau surfondues, procédé consistant à introduire dans une masse triste un mélange intime de substances solides finement divisées, l’une desdites substances solides consistant en un matériau cristallin capable de servir de glace formant un noyau, une autre desdites substances solides consistant en un matériau ayant une solubilité élevée dans l’eau et une grande chaleur endothermique de solution dans l’eau.

12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le matériau ayant une solubilité élevée dans l’eau et une grande chaleur endothermique de solution est l’urée.

13. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le matériau ayant une solubilité élevée dans l’eau et une grande chaleur endothermique de solution est le nitrate de potassium.

14. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le matériau ayant une solubilité élevée dans l’eau et une grande chaleur endothermique de solution est le nitrite de potassium.

15. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le matériau ayant une solubilité élevée dans l’eau et une grande chaleur endothermique de solution est le nitrate d’ammonium.

16. Procédé selon la revendication 12, dans lequel l’urée forme un revêtement sur le matériau cristallin capable de jouer le rôle de noyau de glace.

17. Le procédé de provoquer la formation de cristaux de glace dans une masse de gouttelettes d’eau en suspension dans l’air et ayant une température inférieure à + 6 ° C, procédé qui comprend l’introduction dans lesdites particules de masse d’urée finement divisé de sorte que les gouttelettes d’eau sont simultanément condensés sur et refroidi par les particules d’urée provoquant ainsi la cristallisation de l’eau dans la masse de gouttelettes d’eau susmentionnée.

18. Procédé pour provoquer la précipitation d’un nuage atmosphérique naturel constitué de gouttelettes d’eau surfondues qui comprend l’introduction dans lesdites particules de nuage d’un matériau solide finement divisé étranger audit nuage ayant une solubilité élevée dans l’eau et une grande chaleur endothermique de solution dans l’eau et choisi dans le groupe constitué par l’urée, le nitrate de potassium, le nitrite de potassium et le nitrate d’ammonium, les gouttelettes d’eau étant simultanément condensées et refroidies par lesdites particules provoquant ainsi la cristallisation des gouttelettes d’eau dans le nuage atmosphérique naturel susmentionné.

L’invention décrite ici peut être fabriquée et utilisée par le gouvernement des États-Unis d’Amérique ou à son intention à des fins gouvernementales, sans le paiement de redevances à cet égard.

La présente invention concerne la modification du temps et plus particulièrement la production de pluie ou de neige en introduisant dans des nuages ​​atmosphériques naturels des agents d’ensemencement présentant une solubilité élevée dans l’eau et une grande chaleur endothermique de solution dans l’eau.

La précipitation sous la forme de pluie ou de neige commence par la formation de nuages ​​par la condensation de la vapeur d’eau en petites gouttelettes stables et, pour que la vapeur d’eau se condense, les noyaux de condensation doivent être présents dans l’atmosphère. Ces noyaux sont composés de sel marin, de sulfates ou de débris de sol, et les plus petits sont communément appelés noyaux d’Aitken. Selon la théorie largement acceptée de Bergeron, la pluie ou la neige est précipitée d’un nuage lorsque les particules se forment dans le nuage. Les particules de glace, en raison de conditions d’équilibre favorables, peuvent augmenter en taille au détriment des gouttelettes d’eau liquide, et lorsque les particules de glace augmentent en taille, on atteint un point où elles deviennent suffisamment lourdes pour tomber au sol. La formation de particules de glace dans les nuages ​​nécessite la présence de noyaux de glace; Cependant, la source des noyaux de glace naturels est actuellement inconnue.

La production artificielle de pluie ou de neige a consisté principalement en tentatives d’initiation de la formation de particules de glace dans les nuages ​​atmosphériques naturels. En général, deux approches ont été utilisées avant la présente invention. Dans la première, des matériaux étrangers ayant une structure cristalline hexagonale semblable à la glace sont introduits dans les nuages ​​afin de stimuler par un mécanisme épitaxial la croissance en cristaux de glace dans les nuages. La croissance des cristaux de glace épitaxiale se produit par l’accrétion de molécules d’eau sur un germe cristallin avec une structure de réseau correspondante et des distances moléculaires similaires. Des exemples typiques de matériaux capables de jouer le rôle de noyau de glace de cette manière sont l’iodure d’argent, l’iodure de plomb, le sulfure cuivrique et la kaolinite. L’iodure d’argent a été le noyau d’ensemencement artificiel le plus largement utilisé en raison de sa température seuil élevée. La température de seuil est la température la plus élevée à laquelle un agent d’ensemencement est efficace pour produire des cristaux de glace dans un nuage de gouttelettes d’eau. La seconde approche a consisté à super-refroidir radicalement une zone locale du nuage, provoquant ainsi une nucléation homogène de la glace dans le nuage. Un matériau typique utilisé de cette manière est le dioxyde de carbone solide ou « glace sèche ».

Bien que ces approches se soient révélées utiles, elles n’ont pas été entièrement satisfaisantes dans toutes les conditions. L’iodure d’argent est coûteux et nécessite un équipement de production spécial; de plus, il a tendance à se décomposer après une courte exposition à l’atmosphère. L’iodure de plomb, le sulfure cuivrique et la kaolinite sont caractérisés par des températures de seuil basses. De plus, tous les noyaux de glace connus nécessitaient une surfusion du nuage. Le dioxyde de carbone solide présente l’inconvénient de se sublimer facilement dans les conditions atmosphériques. En outre, il est relativement insensible car le nombre de particules de glace produites par particule de dioxyde de carbone solide est relativement faible.

Le but général de la présente invention est de fournir un procédé de modification du temps qui englobe tous les avantages des approches de l’art antérieur et qui ne possède aucun des inconvénients susmentionnés. Pour atteindre ceci, la présente invention envisage l’utilisation d’agents d’ensemencement qui ont une solubilité élevée dans l’eau et une grande chaleur endothermique de solution dans l’eau. Par chaleur endothermique de solution, on entend l’absorption de chaleur lors de la dissolution qui entraîne le refroidissement de la solution. Un tel agent d’ensemencement est capable d’agir à la fois comme noyau de condensation et comme noyau de glace. Les matériaux typiques qui ont une grande solubilité dans l’eau couplée à une grande chaleur endothermique de solution dans l’eau sont le nitrate de potassium, le nitrite de potassium, le nitrate d’ammonium et l’urée. Des expériences en laboratoire et sur le terrain ont montré que l’urée cristalline finement divisée est un agent d’ensemencement efficace ayant une température seuil au moins aussi élevée que l’iodure d’argent et étant au moins aussi puissante que l’iodure d’argent.

Un objet de la présente invention est de fournir des agents d’ensemencement pour la modification du temps qui ont une solubilité élevée dans l’eau et une grande chaleur endothermique de solution dans l’eau.

Un autre objet de la présente invention est de fournir des agents d’ensemencement qui fonctionnent à la fois comme noyaux de condensation et comme noyaux de glace.

Un autre objet de la présente invention est la fourniture d’agents d’ensemencement qui ont une température seuil élevée et qui ne nécessitent pas de surfusion pour être efficaces.

Encore un autre but est de fournir des agents d’ensemencement qui sont peu coûteux et facilement disponibles.

Un autre objet de la présente invention est la fourniture d’agents d’ensemencement qui sont facilement dispersés dans l’atmosphère et qui sont relativement non affectés par l’exposition aux conditions atmosphériques.

Des expériences en laboratoire menées dans une chambre de Bigg-Warner ont montré que l’urée était un noyau de glace très efficace avec une température seuil de + 6 ° C. Une chambre de Bigg-Warner est essentiellement une chambre fermée qui peut être refroidie à une température contrôlée et qui a les moyens nécessaires pour introduire de la vapeur d’eau et un agent d’ensemencement. La nucléation de la vapeur d’eau dans la chambre est observée à l’aide d’une solution sucrée saturée. Une description complète de la construction et du fonctionnement d’une chambre Bigg-Warner similaire à celle utilisée dans ces expériences, apparaît dans « Elements of Cloud Physics » par Horace Robert Byers (University of Chicago Press).

Dans ces expériences, la température de la chambre Bigg-Warner a d’abord été abaissée aux températures désirées et une vapeur d’eau suffisante a ensuite été introduite dans la chambre pour produire un nuage artificiel ayant une teneur en eau liquide de 2 à 3 grammes par mètre cube. L’urée utilisée dans ces expériences était de qualité industrielle obtenue à partir d’une source commerciale et qui contenait environ 0,1% d’impuretés, y compris de l’eau. Avant utilisation, cette urée a été broyée de sorte qu’environ 103 -104 particules étaient contenues dans 0,1 mg, la quantité d’urée utilisée pour ensemencer dans ces expériences. La nucléation du nuage dans la chambre a été considérée comme ayant été effectuée lorsqu’un cristal de glace a été observé dans la solution de sucre.

Ces expériences en laboratoire ont indiqué que l’urée générait des particules de glace d’une température de + 6 ° C à bien au-dessous de -15 ° C. Alors qu’un cristal de glace qui se formait dans un nuage avec une température supérieure à 0 ° C commence à fondre, l’indication positive de la nucléation des nuages ​​nécessaire seulement qu’il survit assez longtemps pour tomber dans la solution de sucre. Des essais préliminaires ont révélé que la solution de sucre ne serait pas affectée par des particules d’urée ou des gouttelettes de liquide en surfusion. L’observation visuelle des cristaux de glace dans le nuage, qui nécessite l’existence de faces cristallines non obstruées, pourrait être faite à des températures de -8 ° C et moins. Au-dessus de -8 ° C, les faces cristallines sont obscurcies car l’eau et la glace sont formées ensemble.

Les agents d’ensemencement de la présente invention fonctionnent à la fois en tant que noyaux de condensation et en tant que noyaux de glace. A des températures supérieures et inférieures au point de congélation de l’eau, elles agissent comme des noyaux de condensation car leur grande solubilité dans l’eau les rend hygroscopiques. Lorsque l’eau est absorbée, le refroidissement résulte de la grande chaleur endothermique de la solution. Au fur et à mesure que le refroidissement progresse, un point est atteint où une particule de glace est formée, ce qui entraîne la nucléation des nuages ​​de la manière conventionnelle. Par exemple, avec de l’urée, les solutions aqueuses en vrac seront refroidies au point eutectique à -11,5 ° C, et les petites gouttelettes aqueuses seront refroidies à -20 ou -25 ° C. En supposant que le refroidissement maximum possible est à l’eutectique point, les calculs thermochimiques basés sur la solubilité de l’urée et sa chaleur de solution indiquent que l’urée peut nucléer un nuage à une température de 18 ° C.

Pour former une particule de glace, l’urée doit refroidir la gouttelette à une température à laquelle la nucléation de la glace peut avoir lieu. Les températures de congélation des solutions d’urée ont été déterminées en congelant des gouttelettes de solution, de 100 à 120 microns de diamètre, en suspension dans de l’huile de silicone. On a observé que les gouttelettes de 0,83 et 6,8 solutions d’urée molaire avaient des températures médianes de congélation de -42 ° C et -48 ° C. En comparaison, les gouttelettes d’eau pure d’une taille similaire ont une température de congélation médiane de -36 ° C. aucune preuve que les solutions d’urée peuvent se refroidir au-dessous de -40 ° C. Alors que l’urée a un comportement cristallin tétragonal, il peut, dans des conditions appropriées, favoriser la croissance des cristaux de glace par un mécanisme épitaxial. En supposant que + 6 ° C est la limite supérieure pour la nucléation de la glace par l’urée, on peut montrer que la température seuil épitaxiale est -20 ° C. On a observé de petites quantités de solutions d’urée saturée se refroidir à -20 ° 25 ° C, la formation de cristaux de glace dans un nuage ensemencé d’urée peut être expliquée sur la base d’un mécanisme épitaxial.

Une série d’essais sur le terrain utilisant l’urée comme agent d’ensemencement pour les nuages ​​super-refroidis a été effectuée pendant l’hiver dans des zones hors-voies du centre-nord des États-Unis. Un avion spécialement instrumenté a été utilisé pour libérer l’urée et pour surveiller les résultats. Dans trois des expériences sur le terrain, l’urée a été libérée manuellement en lui permettant de sortir un tube en plastique de 4 pouces de diamètre qui a été inséré dans un trou dans le fuselage de l’avion. Vingt livres d’urée ont été lâchées dans ces rejets sur le terrain et le taux moyen de semis était compris entre 5 et 10 livres par mille. Dans les première et deuxième expériences sur le terrain, l’urée utilisée était similaire à celle utilisée dans les tests de laboratoire. Avant d’être utilisé dans les expériences sur le terrain, il a été broyé de manière à avoir un diamètre de particule moyen de 25 à 30 microns, et chaque gramme contenait environ 107 à 108 particules. Les essais en soufflerie ont indiqué que l’urée broyée et agglutinée ne constituerait pas un problème sérieux dans les rejets dans l’air. Dans la troisième expérience sur le terrain, l’urée utilisée était un matériau de qualité réactif obtenu auprès d’un fournisseur de produits chimiques. Cette urée avait un diamètre moyen de particule de 150 microns. Dans le quatrième essai sur le terrain, de l’urée de qualité industrielle a été libérée au moyen d’un mécanisme de pulvérisation spécialement conçu monté sur l’aéronef.

Dans tous les tests, l’urée a été libérée dans les 200 pieds supérieurs du nuage. L’expérience antérieure a indiqué qu’il était préférable d’utiliser des gouttes de «glace sèche» pour faciliter la navigation lors de l’analyse d’agents d’ensemencement non éprouvés. Une goutte de «glace sèche» a été faite lors de la première expérience sur le terrain, mais n’a pas été utilisée dans des essais subséquents en raison des effets visuels marqués qui accompagnent l’ensemencement d’urée.

Dans la première expérience de terrain, le nuage ensemencé était du type stratus. Son sommet était estimé à 6,7 kilomètres au-dessus du niveau du sol, alors que sa base était estimée à 2,5 kilomètres au-dessus du niveau du sol. La teneur en eau liquide de ce nuage était de 0,5 gramme par mètre cube et sa température était de -16 ° C. De l’urée a été introduite dans ce nuage à un taux de semis de 9,3 livres par mille. Après une courte période, un trou s’est formé dans le nuage avec l’apparition de sundogs et une forte averse de neige a été observée à tomber au sol.

Dans la deuxième expérience, un nuage de stratus a été à nouveau ensemencé. Son sommet et sa base étaient respectivement de 6,0 et 3,3 kilomètres au-dessus du niveau du sol. Sa température était de -13,8 ° C et sa teneur en eau liquide était de 0,6 gramme par mètre cube. L’urée a été introduite dans ce nuage à un taux de semis de 4,8 livres par mile, et une averse de neige très dense et un trou brisé dans le nuage ont été observés après l’ensemencement.

Dans la troisième expérience, un nuage d’altostratus, avec un sommet de 10,8 kilomètres au-dessus du niveau du sol, a été ensemencé. La base de ce nuage était à 9,8 kilomètres au-dessus du niveau du sol, et sa température et sa teneur en eau liquide étaient de -13,1 ° C et de 9,2 grammes par mètre cube. De l’urée a été ajoutée à ce nuage à raison de 12,2 livres par mille et a produit une averse de neige bien définie qui a été fortement cisaillée par le vent au-dessous de la base du nuage.

Dans la quatrième expérience de terrain, un épais nuage de stratus avec une base à environ 0,9 km au-dessus du niveau du sol a été ensemencé et la température de ce nuage a été observée à -10 ° C. Dix grammes d’urée ont été ensemencés dans le nuage. trajectoire de vol -mile. Environ 1011 particules ont été produites par le pulvérisateur, et une averse de neige définie a été observée à tomber du nuage.

Les agents d’ensemencement de la présente invention ont non seulement une utilité en soi mais sont également utiles lorsqu’ils sont mélangés avec des agents d’ensemencement classiques. Par exemple, un mélange de nitrate de potassium et de sulfure cuivrique a été observé dans des essais dans une chambre Bigg-Warner pour avoir une température seuil de plusieurs degrés supérieure à celle observée pour le sulfure cuivrique seul. Les agents d’ensemencement de la présente invention peuvent être utilisés sous la forme de mélanges mécaniques avec des agents d’ensemencement classiques, mais ils peuvent être utilisés plus efficacement en tant que revêtement extérieur sur des agents d’ensemencement classiques.

La présente invention propose un procédé de modification du temps utilisant des agents d’ensemencement caractérisés par une solubilité élevée dans l’eau et une grande chaleur endothermique de solution dans l’eau. Un exemple typique d’un matériau pouvant être utilisé dans cette invention est l’urée. Il est peu coûteux, facilement disponible et très efficace et peut agir à la fois comme un condensateur et comme un noyau de glace. Evidemment, de nombreuses modifications et variantes de la présente invention sont possibles à la lumière des enseignements ci-dessus. Il est donc entendu que, dans le cadre des revendications annexées, l’invention peut être mise en pratique autrement que de manière spécifiquement décrite.