תהליכים רבים ומורכבים מתרחשים בעננים וגורמים לתופעות רבות, כגון ירידת גשם, ברד ושלג, או התחוללות ברקים ורעמים. חקר התהליכים המתרחשים בעננים, מטרתו לשפר את יכולת החיזוי ולשפר את יכולתנו להשפיע על חלק מהתופעות בצורה מלאכותית.
תהליכים רבים ומורכבים מתרחשים בעננים ואחראים לתופעות, להן אנו עדים כצופים מן הקרקע, כגון ירידת גשם, ברד ושלג, או התחוללות ברקים ורעמים. אנו מושפעים בחיינו מתופעות מזג אוויר אלה, וחקר התהליכים, המביאים ליצירתן, מטרתו לשפר את יכולת החיזוי שלהן ולשפר את יכולתנו להשפיע על חלקן בצורה מלאכותית. הגברת הגשם, או דיכוי הברד, הן דוגמאות להתערבות שכזו. מעבר לכך, עננים מהווים רכיב חשוב במערכת האטמוספירית והאקלימית, והבנה טובה יותר שלהם תתרום להבנת תפקידם בתהליכי שינוי האקלים.
מגדירים עננים כתרחיף של טיפות מים, גבישי קרח ואדי מים. עננים נוצרים כאשר אדי מים, המצויים באטמוספירה (כתוצאה מהתאדות ממקורות מים שונים), משנים את מצב הצבירה שלהם והופכים לטיפות מים או לגבישי קרח. המנגנון הבסיסי האחראי לכך הוא עליית חבילת אוויר, תוך כדי התפשטות והתקררות, עד להגעת האוויר לרוויה ושינוי מצב הצבירה של האדים העודפים מאדי מים לנוזל או מוצק.
היווצרות טיפות המים תלויה בהימצאותם של גרעיני התעבות באוויר - חלקיקים שסביבם יכולות להתאסף מולקולות אדי המים ולהפוך לטיפה (בתנאי על-רוויה המצויים בעננים). מבין כל החלקיקים המרחפים באוויר (המכונים אירוסולים) רק חלק קטן מהווה גרעיני התעבות טובים. חלקיקים אלה מכילים, על פי רוב, חומרים מסיסים (כגון נתרן-כלורי) והם בעלי רדיוס גדול מ- 0.3 מיקרון. ריכוזם הוא כ- 500 חלקיקים סנטימטר מעוקב באוויר יבשתי. באיור 1 מופיע צילום של אירוסולים, שנעשה במקירוסקופ אלקטרוני סורק (מוגדל פי 2000). לאחר שנוצרת טיפה עוברית כזו, בגודל אופייני של מיקרונים בודדים, עליה לעבור עוד כמה סוגים של תהליכי גידול לפני שתוכל ליפול כטיפת גשם, שרדיוסה המינימלי הוא כמילימטר. במילים אחרות, מרגע שטיפת ענן נוצרת עליה לגדול פי 1000, לפחות, על מנת להפוך לטיפת גשם, וכל זאת במהלך זמן החיים של הענן, שהוא כשעה. תהליך גידול ראשון הוא על ידי התעבות, משמע בדיפוזיה של אדי מים אל פני הטיפה. תהליך זה הוא המוביל בשלבי הגידול הראשוניים (עד כ- 20 מיקרונים). תהליך שני הינו גידול על ידי התנגשויות. טיפות בגדלים שונים נופלות בענן במהירויות שונות ולכן הן עשויות להתנגש האחת בשנייה. חלק מהתנגשויות אלה מסתיימות בהתלכדות שלהן, וכך הטיפות גדלות. יעילות תהליך זה תלויה בגודל הטיפות המשתתפות בהתנגשות: טיפות קטנות מ- 25 מיקרונים אינן יעילות בגידול על ידי התלכדות. תהליך יצירת גשם יעיל יושג על ידי שילוב נכון של שני תהליכי הגידול שתוארו לעיל.
זרמים אנכיים חזקים, הקיימים בעננים ערמתיים, גורמים עלייה הדרגתית של גובה פסגת הענן. בשלב מסוים עשויה הפסגה להגיע לטמפרטורה שמתחת לאפס מעלות צלסיוס. גם כאן לא מתרחש תהליך של קיפאון מיידי ונחוצים גרעיני קיפאון כדי שהטיפות תקפאנה ותהפוכנה לגבישי קרח. גרעיני קיפאון יעילים הם לרוב אירוסולים בלתי מסיסים (בניגוד לגרעיני ההתעבות). חלקיקים אלה נדירים באטמוספירה ויעילותם היא גם פונקציה של הטמפרטורה (סדר גודל של חלקיק אחד לליטר ב- 12- מעלות צלסיוס). ענן המכיל קרח מכונה ענן קר (בניגוד לענן המכיל מים בלבד ונקרא ענן חם). ברוב המקרים ממשיכות טיפות מים להתקיים גם בטמפרטורות קרות מאפס מעלות כמים בקירור-יתר. תהליכי גידול גבישי הקרח, בדומה לגידול טיפות המים, הם גידול על ידי דיפוזיה של אדי מים ועל ידי התנגשויות. בתהליך הדיפוזיה גדל גביש הקרח על ידי כניסת אדים לגביש, ובשלב הזה הוא מקבל צורות קבועות ואופייניות של הגבישים על פי הטמפרטורה והעל- רוויה (למשל, פלטות ועמודים). גידול על ידי התנגשויות, לעומת זאת, כולל איסוף של טיפות והקפאתן, או איסוף של גבישי קרח אחרים. בשלב הזה מאבד הגביש את צורתו הגבישית המסודרת. בשלב מסוים יגיעו גבישי הקרח לגודל מספק, שיאפשר להם להתחיל ליפול כמשקעים. תנאי הסביבה יכתיבו האם יגיעו לקרקע כשלג או ברד (במידה והטמפרטורה עד לקרקע נמוכה מאפס מעלות והאוויר יבש יחסית), או שיימסו ויגיעו כטיפות.
תהליכי יצירת הגשם שונים, אם כן, בעננים חמים ובעננים קרים. בעננים חמים טיפות מים אוספות, תוך כדי תנועתן בענן, טיפות קטנות יותר, עד הגעתן לגודל קריטי ונפילתן כגשם. לעומת זאת, בעננים קרים, תהליכי הגידול של הטיפות ואחר כך של הקרח, יביאו לנפילה של גבישי הקרח כחלקיקי המשקעים של הענן, כאשר בדרכם הם עשויים להיות מומסים ולהפוך לטיפות גשם. בארץ, העננים הממטירים בחורף הם עננים קרים.
היווצרות ברקים ורעמים בענני סערה תלויה ביצירתו של שדה חשמלי. קצב הפרדת המטען בענן כזה הוא כקולון לקילומטר מעוקב בדקה, והמנגנון היעיל האחראי לזה קשור באינטראקציות שבין חלקיקי המשקעים השונים. קיימות תיאוריות שונות לגבי תהליך הפרדת המטען, כאשר כיום מקובל לחשוב, שהתהליך הדומיננטי הוא התנגשויות המסתיימות בניתור בין גבישי קרח בגדלים שונים בנוכחות טיפות מים בקירור-יתר. במהלך ההתנגשות מועבר מטען חשמלי מחלקיק אחד לחלקיק השני, וכך מופרד המטען בסקלה מיקרוסקופית. בסקלת הענן מופרד המטען על ידי התנועה הדיפרנציאלית של החלקיקים, הנובעת מהשוני במסתם. הצורה הבסיסית של השדה בענן היא כשל דיפול, כאשר מצבור המטען השלילי מצוי במרכז הענן (מעל למפלס הטמפרטורה-5 מעלות), ומצבור המטען החיובי מצוי בקרבה לפסגת הענן. כשעוצמת השדה החשמלי עוברת את ערך הסף לפריצה ( 4x105 וולט למטר באוויר רטוב) מתרחשת התפרקות חשמלית ונוצר ברק. ערוץ הברק הוא תעלת גז מיונן, דרכה עובר זרם חשמלי בין עננים, או מהענן לקרקע. קיימים שלושה סוגי ברקים: בעננים, שליליים לקרקע וחיוביים לקרקע (בהתאם לסוג המטען, המועבר מהענן לקרקע).
שאלות שונות, הקשורות בתהליכי יצירת המשקעים ובתהליכים החשמליים, עדיין נותרו ללא מענה ומהוות נושאים למחקרים מדעיים. איך משפיע זיהום האוויר על התפתחות העננים ועל תהליכי יצירת גשם בהם? מהי מהות ההשפעה ההדדית בין עננים לגורמים אקלימיים אחרים? מדוע בוחר הברק לעבור דווקא בנתיב מסוים באוויר ולא באחר?
קיימות דרכים רבות ומגוונות לחקור ולנסות לעמוד על טיבם של התהליכים המתרחשים בעננים. חלק מהשיטות מתבססות על מדידות מתחת לבסיס העננים, או בתוך העננים עצמם. שיטות אחרות מתבססות על חישה מרחוק - משמע על מדידות ממרחק של תכונות העננים. המחקר בתחום נעזר גם בהרצת מודלים נומריים במחשב, המדמים את התהליכים המתרחשים בטבע. להלן סקירה קצרה של מספר שיטות מחקר הנהוגות בפיסיקת עננים.
א. ספקטרומטרים. מכשירים אלה מודדים, בשיטות אופטיות שונות, את גודלם ומספרם של חלקיקי הענן השונים. בגלל תכונות אופטיות שונות של החלקיקים, הנובעות מהשוני בגודלם ובמצב הצבירה שלהם (קרח/מים), קיימים מגוון מכשירים לכיסוי מרב גדלי החלקיקים. המכשיר הראשון מכסה את התחום של אירוסולים וטיפונות קטנות (קוטרם בין 0.1 ל- 3 מיקרון). מכשיר שני מכסה את תחום טיפות הענן (0.5 עד 47 מיקרון). שני מכשירים אלה מתבססים על מדידת עוצמת פיזור האור שמקורו בלייזר, המאיר את החלקיקים. שני מכשירים נוספים מיועדים למדידה של חלקיקי ענן גדולים וגשם (מעל 100 מיקרון). עיקרון הפעולה שלהם מתבסס על מדידת הצל, המוטל על מערך של חיישנים על ידי החלקיקים, העוברים בין מקור אור לחיישנים. מכשירים אלה מאפשרים "לצלם" כל חלקיק וחלקיק וללמוד על צורתו הגיאומטרית, בנוסף לגודל.
ב. דוגמי חלקיקים. מכשירים אלה מכילים מסננים, על גביהם נאספים החלקיקים, הנשאבים לתוך המכשיר במהלך הטיסה. קיימות שתי שיטות אנליזה עיקריות למדידות מסוג זה: הראשונה מסתכלת על סך כל החלקיקים שאספו וקובעת את מסתם ליחידת הנפח של אוויר ואת הרכבם הכימי הממוצע. הדבר נעשה בעזרת שימוש בכרומטוגרף יונים. השיטה השנייה בוחנת חלקיקים בודדים מבין אלה שנאפסו על המסנן, כשהדבר נעשה בעזרת מיקרוסקופ אלקטרוני לשם מציאת מסתם והרכבם הכימי.
ג. מונה גרעיני התעבות. במכשיר מסוג זה מבצעים מדידות מתחת לבסיס העננים או באוויר נקי מעננים. המכשיר בנוי מתא, בו שוררים תנאים של על-רוויה, הגורמים לחלק מן האירוסולים, המוזרמים לתוכו, ליצור טיפונות, שאותן סופרים. מדידה זו נותנת הערכה לכמות הטיפונות שניתן יהיה למצוא בעננים, שייווצרו באותם תנאים סביבתיים.
ד. מכשירים למדידת תכולת מים. מכשירים, המיועדים למדידה רציפה של סך כמות המים ליחידת נפח של אוויר. טיפות המים בענן פוגעות בחוט מחומם, המצוי במכשיר, וכאשר הן מתאדות הן מקררות את החוט, ולפי השינוי בטמפרטורה ניתן להעריך את כמות המים באוויר.
ה. מכשירים למדידת פרמטרים מטאורולוגים. מטוס הניסוי נושא מכשירים שמטרתם למדוד את התנאים השוררים בסביבת המדידה: תרמומטר ומד לחות.
מדידות, המתבצעות תחת בסיס העננים, יכולות לתת מידע חשוב על פרמטרים, המשפיעים על התפתחות העננים מעל. יתרון מדידות מסוג זה, לעומת המדידות המוטסות, הוא בעלותן הנמוכה וביכולת למדוד לאורך זמן. על פי רוב, המדידות עוסקות באיסוף ובדגימה של אירוסולים, או חלקיקי משקעים באוויר, על מנת לקבוע את ריכוזם והתפלגות הגדלים שלהם. האירוסולים נלקחים, אחר כך, למעבדה על מנת לקבוע את הרכבם הכימי ולקבוע כמה גרעיני התעבות וגרעיני קיפאון קיימים באטמוספירה. מכשירים, שבעזרתם נאסף מידע קרקעי זה, דומים למכשירים המוטסים וכוללים ספקרומטרים, מסננים, מונה גרעיני התעבות ומכשירים מטאורולוגיים סטנדרטים.
אחד מהפרמטרים החשובים, הנמדדים על הקרקע, הוא כמות הגשם - הן הכמות הכוללת והן קצב ירידת המשקעים והתפלגות גודלי הטיפות.
אנו מסוגלים לדמות בתנאי מעבדה חלק מן התהליכים המתרחשים בענן. אנו יוצרים בקירוב את התנאים הקיימים בענן ובודקים את אופן התרחשותם של תהליכים מסויימים בתנאים אלה. אחד היתרונות של ניסויים אלה הוא ביכולת למדוד את הפרמטרים הפיסיקליים בתנאים מבוקרים.
א. מנהרות רוח. חלקיקי משקעים מוכנסים לצינורות אנכיים, בהם ניתן לשלוט על מהירות זרימת האוויר, על מנת למדוד את מהירויות הנפילה שלהם (כנגד זרמים עולים בעוצמות אופייניות לאלה הקיימות בעננים). דבר נוסף, שניתן לדמות, הוא תהליכי התנגשויות בין חלקיקים בגדלים שונים ומסוגים שונים, כדי לבדוק את יעילות גידול הטיפות בתהליך זה.
ב. תאי הקפאה. מטרתם היא בדיקת תכונות ההקפאה (יצירת הקרח) של חלקיקים שונים באטמוספירה, העשויים לשמש כגרעיני קיפאון. המכשיר בנוי מתא, בו ניתן לשלוט על הטמפרטורה, ולאחר קירור התא ניתן לעקוב אחר תהליכי יצירת חלקיקי הקרח.
ג. תאי כליאה אלקטרומגנטיים. בתאים אלה ניתן להחזיק באוויר חלקיקים טעונים בעזרת הפעלה של שדות אלקטרומגנטיים. מיועדים לבדיקה של תכונות חשמליות של החלקיקים.
קיים לעיתים קושי טכני לבצע מדידות בתוך העננים עצמם (למשל הקושי לטוס בתוך ענן סערה בשל הזרמים האנכיים החזקים שבו, חלקיקי המשקעים הגדולים והברקים) ואז משתמשים בטכניקת מדידה שונה - מדידה ממרחק. בשיטה זו ניתן למדוד במרחב גדול ולאורך זמן. דוגמה למכשיר שכזה הוא מכ"ם העננים.
א- המכ"ם מאתר את המיקום (מרחק וזווית) של חלקיקי המשקעים בעננים על ידי שידור פולס של קרינה אלקטרומגנטית בתחום גלי המיקרו, וקליטת ההחזרים מהחלקיקים. ניתן לתרגם את עוצמת הקרינה המוחזרת לעוצמת משקעים בענן או מתחתיו (אם כי תרגום זה בעייתי). חלק מהמכמי"ם הם בעלי יכולת למדוד את המהירויות של החלקיקים בענן, ומכאן ניתן להסיק על הרוחות בענן (מכ"מ דופלר). טווח הכיסוי היעיל של מכ"מ תלוי באורך הגל של הקרינה המשודרת, ועבור אורך גל של 5.6 סנטימטרים הוא כ- 200 קילומטרים. לכיסוי אזורים נרחבים ניתן להקים רשת של מכמי"ם ולאחד את נתוניהם לתמונה כוללת.
ב- מערכות לאיתור ברקים. קיימות מערכות מסוגים שונים למדידה ולאיתור של ברקים. מערכת אחת (פשוטה יחסית) מונה את הברקים לסוגיהם (ברקים בתוך עננים, ברקים שליליים לקרקע וברקים חיוביים לקרקע) באופן רציף. עיקרון הפעולה של מכשיר זה מתבסס על הגדרת ברק לפי שינוי המתח, שמושרה על ידי הברק בחוט האנטנה, מעבר לערך סף מוגדר. שטח הקליטה של המכשיר מוגבל לרדיוס של כ- 15 קילומטרים. המערכת השנייה מורכבת מחמישה קולטים, העוקבים אחר השינוי בעוצמת השדה החשמלי בזמן. ברגע ששלושה גלאים, לפחות, מאתרים שינוי חד בעוצמת השדה מעבר לערך סף קבוע, נרשם ברק. שטח הגילוי שלה הוא מאות קילומטרים רבועים. מערכת זו מתוחכמת יותר, ולכן יכולה לאתר את מיקומם במרחב ולהגדיר את זמן התרחשותם של הברקים, תוך זיהוים. עבור ברקים לקרקע מודדת המערכת את הזרם המכסימלי של הברק. מערכת מסוג זה (LPATS) מופעלת על ידי חברת החשמל לישראל מאז 1994.
ג- לווינים מטאורולוגים. מזה שנים רבות משמשים לווינים לשימושים מטאורולוגיים. קיים שימוש נרחב בנתונים מסוגים שונים המתקבלים מלווינים אלה.
ישנם שני סוגים של לווינים: לווינים גיאוסטציונרים, החגים בגובה 36,000 קילומטרים. הם מצויים מעל לנקודה קבועה על קו-המשווה ומצלמים את פני כדור הארץ מדי 30 דקות.
הסוג השני הם הלווינים הפולריים, הנעים בגובה 800 קילומטרים, מקיפים את כדור הארץ וחולפים מעל לנקודה מסוימת 2-4 פעמים ביום.
יתרון הלווינים הגיאוסטציונרים הוא ביכולתם לצלם את אותו האיזור מדי חצי שעה, ויתרון הלווינים הפולריים הוא בכושר ההפרדה הגבוה שלהם (בסדר גודל של קילומטר).
הלווינים המטאורולוגים מצלמים במספר ערוצים בתחומים של האור הנראה (בין 0.4 ל- 0.7 מיקרון) והאינפרא-אדום (בין 10 ל- 12.5 מיקרון). צילום לווין מעל לאיזור מסוים מהווה מקור מידע לגבי תפרושת העננות, סוגי העננות וגובה הפסגות. על ידי השוואה בין הערוצים השונים, ובהתחשב בתכונות האופטיות של החלקיקים ניתן להסיק על תכונות הענן ומנגנון היווצרותו.
זוהי הדמיה של התהליכים הפיסיקליים, המתרחשים בענן בעזרת חישובים מתמטיים המבוצעים במחשב. בניית מודל נומרי של ענן דורשת ניסוח של משוואות מתמטיות, המתארות חוקים פיסיקליים של שימור מסה ואנרגיה ושל תנועה עבור האוויר וחלקיקי הענן. בשלב השני ממירים את המשוואות ממרחב רציף לנקודות הסריג, בהן נפתור את המשוואות. בשלב האחרון מתרגמים את המשוואות לקוד מחשב. באמצעות הדמיות אלה ניתן לעקוב אחר שלבי ההתפתחות של הענן כדי לקבל תמונה מלאה על כל הפרמטרים, המתארים אותו. מידת ההתאמה של המודל לטבע תלויה בכמה גורמים: מידת הפירוט של התהליכים הפיסיקליים, המתבטאת במשוואות (הזנחת תהליכים, אי-דיוק בניסוחם, אי-ידיעה של תהליכים ואי-דיוק בהגדרת גדלים פיסיקליים), כוח החישוב של המחשבים (קובע את מידת הפירוט של המודל בזמן ובמרחב), והשיטות המתמטיות (בעזרתן ממירים את המשוואות הרציפות למשוואות בנקודות הסריג).
בפיסיקת עננים, מעבר לתיאור המצב הדינמי והתרמודינמי של האטמוספירה (רוחות, טמפרטורה וכד') יש צורך לתאר את חלקיקי הענן מעבר לתיאור המצב הדינמי והתרמודינמי של האטמוספירה (רוחות, טמפרטורה וכדומה). התהליכים הפיסיקליים המתרחשים בענן ונוגעים לחלקיקים שבו, נקראים תהליכים מיקרופיסיקליים. רמת הפירוט שלהם במודל יכולה להשתנות מרמה פשטנית, המתייחסת לסך-כמות המים בענן ומצריכה כוח חישוב קטן, יחסית, ועד לרמת פירוט גבוהה, שבה מתוארים החלקיקים השונים לפי סוגם וגודלם, כשזה מגדיל כמובן את כוח החישוב הנדרש, אך נותן אפשרות טובה יותר לדמות את התהליכים המתרחשים בטבע. כמו כן, ניתן לתאר את הענן בצורה חד- מימדית, דו-מימדית או תלת-מימדית, כשגם זה, כמובן, משפיע על כוח החישוב הנדרש. בשנים האחרונות, עם העלייה בעוצמת החישוב, ניתן לבצע סימולציות מחשב של מערכות עננים בעזרת מיקרופיסיקה מפורטת ומעל לטופוגרפיה מורכבת.
האם קיימת אפשרות להתערב ולהשפיע על כמות המשקעים היורדת מעננים, ועל גודל אבני הברד? תחום הגברת הגשם מעסיק חוקרים, חקלאים ואנשי משק המים מזה כ- 50 שנה. משאבים רבים הושקעו במקומות שונים בעולם בתכנון, בביצוע ובהערכת התוצאות של פעולות להגברת גשם ודיכוי ברד. העיקרון שמאחורי הניסיונות להגברת הגשם הוא הגברת יעילות התהליכים הטבעיים, ההופכים מי ענן למי גשם, באמצעות הכנסת חלקיקים מלאכותיים. קיימות שתי שיטות עיקריות: הראשונה היא הכנסת חלקיקים, המהווים גרעיני קיפאון (כגון יודיד הכסף), כדי להגדיל את ריכוז הקרח בענן. בשיטה השנייה מוחדרים לענן גרעיני התעבות גדולים, היכולים ליצור, במהירות יחסית, טיפות ענן גדולות, היכולות להמשיך לגדול לטיפות גשם על ידי התנגשויות בטיפות אחרות והתלכדות עימן. החלקיקים הנזרעים מפוזרים, לרוב, על ידי מטוסים, החודרים לענני הגשם. במספר מקומות משתמשים לצורך זה במפזרים מהקרקע (תנורים).
בנושא הגברת גשם בארץ - ראה מאמרו של ד"ר דניאל רוזנפלד ב"מים והשקיה" מספר 387 (ינואר 1999).
לצורך הקטנת נזקי ברד נהוג לפזר גרעיני קיפאון לתוך הענן על מנת להגדיל את ריכוז חלקיקי הקרח בענן ועל ידי כך ליצור חלקיקי ברד רבים יותר, אך קטנים יותר בגודלם, הגורמים פחות נזק בפגיעתם בקרקע.
* מדידות בעננים ובפלומות אבק באמצעות מטוס מחקר.
* הדמיות מחשב של זריעת עננים בארץ.
* מחקר על מקור האובך באיזור ים-המלח.
* אנליזות של הרכב כימי של חלקיקים בודדים.
* מחקר על תהליכי אינטראקציה בין עננים לחלקיקי אבק מדברי.
* קלימטולוגיה של סופות ברקים בארץ.
* שיטות התראה בפני סופות ברקים באמצעות מכ"ם מטאורולוגי.
למרות שהעננים והתופעות הקשורות בהם מסקרנים את האדם מזה שנים רבות, עדיין קיימות שאלות רבות פתוחות בתחום זה והמחקר בנושא מתפתח עם ההתקדמות הטכנולוגית של מכשירי המדידה והתעצמות כוח החישוב של המחשבים. הבנת התהליכים בעננים והמשובים הקיימים בינם לבין גורמי אקלים אחרים יעזרו בהבנה עתידית טובה יותר של האופן שבו משתנה האקלים ברמה הגלובלית וברמה האזורית, וכן כיצד ניתן להשפיע עליהם באופן מלאכותי.
לאתר הירחון "מים והשקיה"
הערות לפריט זה: 1. אורית אלטרץ וד"ר תמיר רייסין - החוג לגיאופיסיקה ולמדעים פלנטריים בפקולטה למדעים מדוייקים, אוניברסיטת תל אביב.