每年，當雪雲使美國西部天空陰暗時，山頂都會以非自然的方式轟鳴起來。
火焰從金屬煙囪的喉嚨中噴出，這些煙囪安裝在矮胖的塔樓上，坐落在山峰之間。隨著低沉的嘶嘶聲，顆粒狀煙霧從它們的口中噴入空氣，風將它們捲走。
這些不是普通的顆粒。它們是微小的碘化銀碎片，一種晶體狀的光敏物質，曾用於攝影。
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但它不是用來在山裡拍照的。它是用來造雪的。
當風將顆粒吹過山頂時，氣流將它們掃到更高的空中——高到足以使其中一些最終接觸到雲層。在那裡，一種優雅的轉變發生了。
晶體碘化銀顆粒具有類似於冰的結構——在雲層中，同性相吸。水滴開始聚集在顆粒周圍，在聚集在一起時凝結成固體。
這些凍結的團塊最終變得太重而無法停留在空中。它們從雲層中落下，輕輕地飄向地球，用新鮮的雪覆蓋山頂。
這不是科幻小說中的一頁。“人工降雨”是一種真實的做法——事實上，它已經存在了幾十年。如今，在美國西部至少八個州和全球數十個國家都在使用它來增加降水。
隨著氣溫穩步上升，人工降雨的興趣正在增長，這增加了像美國西部山區等地發生乾旱的風險。但有一個問題。科學家們不確定人工降雨在今天的效果如何，更不用說在氣候變暖的情況下了。
由於對美國西部水資源的擔憂日益增長，科學家們正在努力回答這些問題。今天，人工降雨研究代表了天氣和氣候科學的前沿——彙集了關於氣候變暖對我們日益減少的水資源的影響以及我們控制這些後果的能力的問題。
懷俄明大學的大氣科學家傑夫·弗倫奇說：“當然，與 10 年前相比，我們現在更有能力解決這個問題。科學的發展已經到了我們可以而且應該努力解決這個問題的地步。”
人工降雨可以採取幾種不同的形式。在某些地方，它被用來增加降雨量或防止冰雹。但在美國，它最常見的目的是增加降雪量，通常使用碘化銀。
額外的降雪量對水資源可能是一個福音，尤其是在像遭受乾旱困擾的西部地區。當春季融化時，積雪是全國數百萬人重要的淡水來源。
增加積雪量正日益緊迫地被追求。美國西部大部分地區在過去 20 年中一直遭受乾旱。
科學家們最近得出結論，過去二十年是該地區自至少 16 世紀末以來最乾旱的時期。他們發現，這場“特大幹旱”受到了氣候變化的嚴重影響。
氣溫上升和持續乾旱對西部水資源造成了重大損失。
最近的研究發現，過去幾十年中，美國西部山區的大片地區經歷了嚴重的積雪量下降（Climatewire，2018 年 12 月 13 日）。隨著氣候變暖和春季提前到來，降雪季節也在縮短。
與此同時，西部水資源管理者正在應對日益增長的短缺威脅。像格蘭德河和科羅拉多河這樣的主要水系的水流量已經減少，它們都為數百萬人供水。
隨著氣溫穩步上升，人工降雨構成了一個有吸引力的解決方案。
弗倫奇說：“水資源管理者基本上有兩種選擇，而且兩種選擇都在實施。一種是透過節約來某種程度上減少需求，另一種是透過某種方式增加供應。而人工降雨是一個相對廉價的方案。”
然而，證明它有效是另一回事。
天氣實驗是出了名的難以進行。科學的黃金標準是一項研究，該研究證明人工降雨產生了如果沒有人工降雨肯定不會發生的結果。但這種研究需要專門的實驗設計和高度先進的技術相結合。
對於人工降雨的漫長曆史的大部分時間來說，這根本不可能。直到最近幾年，技術才足夠先進，研究人員才能真正深入研究這個問題。
弗倫奇說：“我們現在擁有更好的工具來嘗試觀察人工降雨的發生過程。因此，這有點像是將過去 20 年開發出來或在過去 20 年中改進的新技術應用於一個非常古老的問題。”
數十年的疑問
在過去一個世紀的大部分時間裡，人類一直在嘗試控制天氣。
通用電氣的研究員文森特·謝弗通常被認為是 20 世紀 40 年代首次進行人工降雨實驗的人。謝弗在二戰期間和之後的大部分工作都集中在防止飛機在空中結冰。因此，他設計了一個特殊的自制冰箱，以幫助他更好地瞭解冰在雲層內部形成的方式。
故事是這樣的，謝弗有一天走進實驗室，發現他的冰箱被關掉了。為了儘快冷卻冰箱，他將一塊乾冰放入箱子中。一團閃閃發光的冰晶立即在空氣中形成。
1946 年，謝弗透過飛機進行了第一次真正的人工降雨實驗。他將 6 磅碎乾冰投入到紐約州阿迪朗達克山脈的一片雲層中。幾乎立即，開始下雪。
在後來的實驗中，謝弗和其他通用電氣同事發現，某些型別的顆粒更有效地幫助冰晶形成。他們發現，碘化銀是最好的之一。
天氣修改很快引起了美國政府的注意。在接下來的幾十年裡，它將資助從乾旱管理到軍事應用等各個方面的人工降雨實驗。
1947 年，西拉斯專案——通用電氣和美國軍方之間的合作——創造了歷史，成為科學家首次嘗試改造颶風。10 月 13 日，該行動向在佛羅里達海岸附近翻滾的旋風傾倒了近 200 磅乾冰。
在 20 世紀 60 年代和 70 年代初期，聯邦政府繼續嘗試人工降雨颶風的想法——但收效甚微。科學家們最終得出結論，它沒有效果。
從 20 世紀 60 年代初開始，墾務局資助了一系列名為“天水專案”的人工降雨實驗，旨在增加西部各州的水資源。報告表明，該專案的結果好壞參半。
在 20 世紀 60 年代末和 70 年代初期，美國軍方甚至嘗試將天氣修改作為戰爭武器。“波派行動”旨在產生足夠的降雨來破壞越南的敵人補給線。
這些努力是短暫的。1977 年，一項國際條約禁止將天氣修改用於軍事目的。
許多早期實驗中都存在一個共同點：要麼它們沒有用，要麼很快就停止了，要麼科學家無法判斷它們的效果如何。
懷俄明大學的科學家弗倫奇說：“在 60 年代、70 年代和 80 年代進行了大量研究。但所有這些都停止了，我認為當時人們意識到各機構年復一年地花費數百萬美元，但結果仍然不確定。”
他說，問題在於天氣修改研究真的很難設計和實施。
為了證明人工降雨具有實際效果，科學家必須證明它產生的任何結果如果沒有人工降雨就不會發生。這需要設定一個實驗，至少進行兩次測試——一次進行人工降雨，一次不進行人工降雨——在同一地點和相同的天氣條件下。
由於天氣變化如此之快，這真的很難做到。即使有可能，此類研究也需要先進的監測技術，包括高科技雷達。這種技術直到最近才被廣泛使用。
這意味著人工降雨研究主要依賴於統計研究。這些研究測量在一個地點進行人工降雨產生的降水量，然後將其與未進行人工降雨的另一個地點進行比較。
在這類研究中，這兩個設定並不相同。這意味著它們不能明確證明在一個地區進行人工降雨產生的降水量如果沒有人工降雨就不會發生。
2003 年，國家研究委員會發布了一份關於天氣修改的綜合報告，強調了這些問題。它得出結論，“仍然沒有令人信服的科學證據證明有意進行天氣修改的努力是有效的。”
儘管如此，國家研究委員會建議繼續進行天氣修改研究——很大程度上是因為它有可能解決美國西部日益惡化的水資源問題。
同樣的希望也促使各州水務機構繼續資助人工降雨行動，即使在 20 世紀 80 年代聯邦研究工作減少之後也是如此。
弗倫奇說：“我認為對於它為什麼會繼續存在有一個非常簡單的解釋。人工降雨根植於一個相當紮實、廣為人知的物理基礎上，即它應該有效。”
各州接受不確定性
如今，在美國西部至少八個州都在進行人工降雨作業，各州機構、公用事業公司和山區度假村等私營公司通常分擔不同程度的投資。
例如，科羅拉多河上游流域的人工降雨計劃每年花費約 150 萬美元。費用由科羅拉多州、猶他州和懷俄明州的州機構分攤，這些州是大部分作業的所在地，以及內華達州、加利福尼亞州、新墨西哥州和亞利桑那州，這些州也將從科羅拉多河流量增加中受益。
在過去幾年中，人工降雨在美國西部各州的乾旱管理策略中佔據了更突出的地位。科羅拉多河流域的成本分攤協議於 2018 年最終確定，此前各州已單獨管理其人工降雨作業多年。該協議有效期至 2026 年秋季。
自 2018 年以來，懷俄明州和科羅拉多州透過投資空中人工降雨作業——即透過飛機進行的人工降雨——加強了他們的計劃，除了他們已經散佈在山區的地面機器之外。
考慮到所有因素，這些都是相對廉價的投資——對於潛在的高回報而言，風險較低。但它真的在起作用嗎？
大多數計劃都引用統計研究來證明其努力的合理性。這些研究表明，與未進行人工降雨的地區相比，播撒雲層可以產生大約 5% 到 15% 的降雪量。
如果這是正確的，那麼人工降雨的成本約為每英畝英尺水幾美元（相當於約半個奧林匹克尺寸的游泳池）。這遠低於許多其他節水乾預措施的成本，例如節約用水、迴圈利用或海水淡化，這些措施的成本可能高達每英畝英尺數百美元。
儘管如此，統計研究並不能證明人工降雨實際上正在導致更重的降雪。這需要更專業的科學實驗——直到最近幾年，科學家們才終於能夠做到這一點。
早在 2015 年，為墾務局準備的一份廣泛的報告得出結論，繼續研究仍然是必要的，但它指出，“科學界幾十年來一直在尋求的‘證據’仍然沒有掌握。”
前沿研究
2017 年 1 月 19 日，一架研究飛機轟鳴著穿過愛達荷州佩耶特河流域上空的灰色天空，向空中噴灑碘化銀。在下方白雪皚皚的山峰上組裝起來的雪量計和行動式雷達機器已準備好測量科學家們希望隨之而來的降雪。
這是一個實驗的開始，該實驗將顛覆人工降雨科學。這項研究被稱為 SNOWIE 專案——“播撒和自然地形冬季雲”的縮寫——該研究提供了一些首次量化證據，證明人工降雨實際上是有效的。
在那年一月的三個日子裡，天氣條件將一致，以建立完美的人工降雨實驗。天空陰冷多雲——但沒有下雪。在這三天裡，研究飛機將在山頂上空飛行十幾次以上，每次釋放相同量的碘化銀。
科羅拉多大學博爾德分校的大氣科學家卡佳·弗里德里希幫助領導了 SNOWIE 專案，她說：“三天來，天空都被雲層覆蓋，但沒有降雪，沒有自然降水。我們將播種材料放入過冷的液態雲中，我們能夠產生降水。這非常具有革命性。”
由於有了高科技雷達裝置，科學家們能夠監測雲層的反應，從碘化銀釋放到空氣中的那一刻起，直到開始下雪的那一刻。在這三天裡，科學家們估計，他們播撒的雲層中降下了大約 286 個奧林匹克游泳池的水量的雪。
弗里德里希和她的同事，包括來自科羅拉多州、懷俄明州、伊利諾伊州和愛達荷州的科學家，在去年發表在美國國家科學院院刊上的一篇開創性的論文中發表了他們的發現。
SNOWIE 出現在美國人工降雨研究復興浪潮中。在多年來對天氣修改相對缺乏科學興趣之後，過去十年的系列專案為新的見解鋪平了道路。
懷俄明州天氣修改試點專案於 2008 年啟動，是其中最早的專案之一。該專案由懷俄明州資助，旨在評估在全州山脈的三個目標區域進行的人工降雨工作的成功程度。
弗倫奇說：“該專案的結果——它們是積極的，但它們並不是 100% 完全確定的。”
但該專案確實突出了過去幾十年人工降雨研究的一些重大進展，包括雷達和其他觀測工具的改進，以及計算機建模的重大飛躍。
藉助這些新的和改進的技術，SNOWIE 專案將人工降雨研究推向了天氣和氣候科學的前沿。
國家大氣研究中心的另一位科學家莎拉·泰森多夫也參與了 SNOWIE 專案，她說：“問題不再是‘人工降雨是否有效？’真正的問題是，‘它在何時以及如何有效？在不同條件下，它的效果如何？’”
隨著乾旱和氣候變暖擠壓美國西部的供水，科學家們正忙於回答這些問題。
泰森多夫說，SNOWIE 專案在結束後四年仍在提供見解。由於計算機模型的最新進展，科學家現在可以模擬碘化銀對雲層的影響——他們可以使用這些模擬來進行受控實驗，這正是人工降雨研究一直缺失的那種研究。
與此同時，SNOWIE 專案收集的資料正在幫助科學家驗證他們的模型，並確保他們的模擬是真實的。
泰森多夫說：“我真的覺得，在今天這個時代，我們正處於人工降雨科學的一個非常激動人心的階段，因為我們能夠在過去幾年中收集到一些非常好的資料。憑藉計算機能力，在這個領域取得進展真的很有希望。”
但專家們也建議保持對期望的控制。到目前為止的科學表明，在應對乾旱方面，人工降雨遠非萬能藥。
首先，SNOWIE 實驗產生了相當適量的降雪。
弗里德里希說：“正如我們在論文中展示的那樣，我們真的無法產生大量的雪。我們可以產生雪，但不足以真正克服乾旱局面。”
此外，SNOWIE 專案是在愛達荷州一小片地區進行的，僅持續了三天。
憑藉 SNOWIE 專案帶來的強勁勢頭，科學家們希望他們能夠回答關於人工降雨效果如何的許多最大疑問。但這可能需要時間和更多的研究。
懷俄明大學的科學家弗倫奇也為 SNOWIE 專案做出了貢獻，他說：“更大的問題是它是否在整個季節、整個山脈的範圍內‘有效’——我給‘有效’加上了引號？
“我們真的能產生有影響力的差異嗎？在我看來，我們離回答這個問題還有很長的路要走。”
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