七月的一个早上，北达科他州俾斯麦市天气晴朗炎热，布鲁斯·博伊的办公室里也只稍微凉快一些。办公室里塞满了电脑数据磁带、书籍、文件和关于天气的宣传册，坐落在一栋老旧的砖房里，与作为该州首府的冰冷水泥塔隔着一个停车场和一片绿地。
老旧空调的嗡嗡声几乎淹没了正常的谈话，但博伊，这位身材魁梧、身高6英尺5英寸的蒙大拿州本地人，穿着牛仔裤和牛仔靴，在匆匆处理一些文书工作时，对噪音置之不理。他正试图订购一种名为碘化银的黄色化合物。博伊需要这种盐类物质来完成一项长期以来被各种骗子、江湖郎中和神秘主义者承诺，但长期以来被持怀疑态度的科学家视为不可能的壮举。博伊说，他将利用这种化学物质让不情愿的云层降雨。同时，他将削弱猛烈冰雹的威力。
作为云物理学家和北达科他州大气资源委员会执行董事，博伊负责着美国运行时间最长的日常天气改造项目之一，该项目自1961年开始运作。每年夏天，当愤怒的暴风云在北达科他州西部上空翻滚时，一支小型空军部队就会从乡村简易机场起飞。当其中一架飞机到达威胁性雷雨云的底部时，飞行员会轻按一个开关，释放出微小的碘化银颗粒。理论上，当这些颗粒遇到云中的冷湿气时，它们会触发形成受欢迎的雨滴或微小的冰雹，这些冰雹会在有机会长成巨大的冰块之前从天而降。
在这个国家，核桃大小的冰雹像蝗虫群一样具有破坏性。一场冰雹风暴能在农民填写农作物保险表格所需的时间内，将一片健康的麦田变成一堆无用的绿色浆状物。
空中云播撒者的目标是在造成此类损害之前瓦解风暴。但在过去30年的大部分时间里，他们无法证明自己正在履行职责。“针对天气改造人员的一贯批评是，‘你们根本不知道自己在做什么，’”自1988年以来一直领导播撒项目的博伊解释道。“你播撒云层，然后下雨了，批评者可能会说，‘你不知道是你造成的。也许本来就要下雨。’”问题不仅仅在于证明因果关系——有时播撒过的云层什么也没发生。
风暴云的内部运作对科学家来说仍然是个谜。即使他们播撒后下了雨，也无法确切说明碘化银在云中是如何触发降雨的。播撒者所能做的，只是指着地上的水和空气中的化学物质，声称两者之间必然存在某种联系。
这不足以说服怀疑论者。“我不认为任何有声望的科学家会断言人工增雨真的能增加地面水量，”华盛顿大学大气科学教授彼得·霍布斯说，“可能有一些人会这么说，但他们不会得到科学界普遍的支持。”结果，在一位科学家偶然发现如何使用一些实验室化学物质在云中形成冰晶45多年后，天气改造变成了一门“孤儿科学”。事实证明，云很难控制，如今在美国，活跃在该领域的研究人员数量甚至不足以坐满一个大热水浴缸。
然而，在过去的十年里，那些一直坚持在这个领域的人终于开始揭开人工增雨一些最基本的奥秘。就像生物学家探索生命本质一样，天气改造研究人员也开始从分子层面研究云和播撒。通过使用新的高速分析仪和计算机程序跟踪播撒化学物质，他们能够追踪这些“种子”从释放到风暴云中到形成冰雨滴的路径。他们现在对最适合播撒的云、云短暂生命中最佳的播撒时间以及放置这些种子的最佳位置有了很好的了解。“我们不会终结干旱，也不会把撒哈拉变成雨林之类的，”博伊说，“但我们在理解冰和雨的演变方面取得了长足的进步。”
当然，为了让我们理解博伊和他的同事们所学到的知识，了解一些关于云的基本常识会有所帮助。首先，所有的空气都含有水分。当温暖的空气从地球表面上升并开始冷却时，一些水分会凝结成微小的水滴，从而形成云。这些水滴非常小，需要显微镜才能看到，而且非常轻，即使是最轻微的气流也能让它们漂浮起来。最终，云就是这些水滴和空气的集合体。每朵云超过99%是纯空气。
在它们变成雨滴、雪花或冰雹之前，水滴必须跨越彼此之间的空气间隙并聚集在一起，一次一百万个，直到它们足够重才能落到地面。在美国大陆，大自然通常通过一种称为“冷雨过程”的方式实现这一目标。冷雨只发生在温度低于冰点的云中。尽管极度寒冷，云滴仍能保持未冻结状态。“水在达到三十二度时不会自动结冰，”博伊说，“这是一种有趣的物质。如果它没有遵循某种模式，它就不会排列成晶体形式，直到温度远低于此，例如零下四十度。但是当一滴这种过冷液体水遇到一个像粘土这样的杂散颗粒时，它就会得到一个模式。它就像水在冰箱里粘到冰块托盘的侧面一样，形成一个小的冰晶。云中的水蒸气然后直接凝结到这个晶体表面，晶体增加重量并下落。其中一些下落的水滴相互碰撞并冻结在一起。最终，冻结的水变得太重而无法悬浮在云中并落到地面。”
这些冻结的水是以雨、雪还是冰雹的形式落下，取决于多种因素，包括云外的温度和云内的气流。例如，在一个具有非常强上升气流的云中，冰晶可能会长成非常大的冰雹，然后才变得足够重，突破上升气流并落到地球。
大多数温带云要么寿命太短，要么太温暖，要么太小，要么根本没有足够的水滴以任何形式释放水分。然而，有些云寿命相对较长，达到20分钟或更久，拥有丰富的水滴，并且处于适合冰晶形成的正确温度，但显然没有足够的天然播种颗粒来启动冷雨过程。因此，人工增雨者引入模仿冰结构并作为晶体形成模板的化学物质。“这实际上是一种假冰晶，”博伊说，“我们正在寻找自然界基本存在缺陷的情况，我们所做的只是试图启动冰相。一旦开始，大自然就会接手。”
这个想法始于1946年。当时在纽约斯克内克塔迪通用电气研究实验室工作的文森特·谢弗，正在用一个深冷柜改造而成的冷室工作，试图找到一种化学方法来诱导人工云降雪或降雨。当时正值夏季，天气炎热潮湿。谢弗担心冷室变得太热，于是他放入了一块干冰（固态二氧化碳）。冰晶立即在干冰周围的云中形成，人工增雨就此诞生。不久之后，谢弗的同事伯纳德·冯内古特查阅文献，发现了一种分子结构几乎与冰完全相同的化学物质——碘化银，但它更容易携带和施用。（18年后，或许并非巧合，冯内古特的兄弟库尔特出版了反乌托邦小说《猫的摇篮》——一部关于名为“冰九”的超级种子化学物质冻结世界的编年史。）
在接下来的35年里，研究人员和政策制定者向人工增雨投入了数百万美元，而商业增雨公司则向缺水的社区推销这项技术，尽管这项技术当时知之甚少。未来的天气改造者进行了一系列昂贵的实地实验，在多个季节中，在美国不同地区对大规模风暴云进行播撒。他们通常会试图用地面上的杯状测量器收集落下的水——无论是何种形式。他们会将收集到的水量与未播撒云下类似测量器中的水量进行比较，然后试图得出关于天气改造效果的结论。
“设置水桶以试图统计性地确定结果一直令人非常沮丧，”北达科他大学的云物理学家杰弗里·史密斯说，他与博伊的云播撒团队合作。“当我们调查播撒区域和非播撒区域的云时，我们无法知道播撒的云是否真的得到了有效处理。因此，我们没有真正好的方法来说明我们很好地比较了处于发展不同阶段的两朵云。”
不出所料，这些实验的结果喜忧参半。到1970年代后期，很少有研究人员能就播种何时、如何，甚至是否有效达成一致。政府对天气改造的热情消退了，科学界的热情——这往往跟着研究经费走——也随之消退。到1980年代中期，联邦对改造研究的资助从1981年的近2500万美元一年骤降至每年几百万美元，科学家们也纷纷退出该领域。
那些留下来的，比如史密斯和博伊，决定他们的研究技术必须改变。他们需要一些基本问题的答案：他们注入碘化银的云是否真的接收到了播撒物？碘化银从飞机释放到离开云层期间做了什么？什么条件影响了播撒剂的性能？如何测量播撒效果才能使结果可靠且确定？
1984年，史密斯开始回答这些问题。在接下来的三年里，他开发并完善了一种技术，该技术利用示踪气体、敏感探测器和复杂的计算机程序来追踪碘化银穿过云层的路径。最初，一架飞机飞入云底，史密斯在那里释放了六氟化硫气体和碘化银。使用六氟化硫进行空气污染研究表明，极少量的化学物质可以在不到一秒的时间内被分析仪检测和测量，这比机载科学家单独寻找和分析碘化银的速度至少快60倍。“我们只在云中待了几秒钟，”史密斯说，“所以我们需要某种能够快速检测到的示踪剂。”
但当研究人员试图用传感器捕捉这种气体时，它实际上相当难以捉摸。“这类实验不多，有人在云中释放东西，然后试图用飞机追踪，”史密斯说，“我们发现，当我们试图回到云中寻找示踪剂时，我们却找不到。它不知何故消失在空气中了。”
为了提高寻找气体的能力，史密斯的小组定制了一个计算机程序，该程序使用飞机飞行时捕获的风力测量数据，希望该程序能够预测释放气体的路径，并规划飞机如何移动才能跟随。史密斯说：“它给了我们一种机载的信鸽。”
一旦掌握了示踪剂追踪技术，史密斯的小组终于能够开始研究人工增雨的细节。1987年，研究人员使用三架飞机协同工作，更全面地描绘了示踪剂在云中的样子。史密斯发现，一旦碘化银从飞机释放到风暴云底部，上升气流通常会将其像狭窄的带状流一样迅速推向云顶。在顶部，碘化银分散并与水蒸气混合；然后它会重新漂流到云层下方。
这并非他们所预期。他们曾以为这种化学物质会更早、在云层更低处扩散。“我们有一个概念模型，”博伊解释说，“它基本的意思是，如果我们在上升气流中释放这些物质，它会——合乎逻辑地——上升并扩散，这样当它到达云顶时，就会很好地分散在一个大区域。云层里如此湍流，每个人都知道这会把东西混合在一起，对吧？好吧，错了。它没有那样做。当我们找到示踪剂时，它的浓度不是万亿分之二十，而是万亿分之二百或万亿分之两千。它要浓缩得多，而且云层较低处的混合作用要少得多。”
这是一个重大发现。混合作用，当然，是促使碘化银与云中的过冷水接触，从而启动冰晶形成过程的关键。发现混合作用被延迟，意味着冰晶的形成也被延迟，这让博伊及其团队对为何他们曾试图播撒的某些云层仍然会产生巨大冰雹有了新的认识。这也告诉他们，如果想阻止冰雹，应该播撒哪种云层。
几乎所有大型雷暴的核心都是一个巨大无比的雷暴云，从底部到顶部可能高达4万或5万英尺。这个主云周围环绕着几个较小的“馈送云”，它们最终会并入主云，成为巨大冰雹或暴雨的一部分。馈送云中的上升气流相对温和，但主暴风云中的上升气流则是一股猛烈的狂风，通常速度超过每小时100英里。“如果你在其中放置人工种子，”博伊说，“它们会在开始生长之前直接射向顶部，这没有任何好处。强大的上升气流只会让它们在云顶四处弹跳；它们永远不会长得足够大，从而从云中落下并带走一部分云的水分。”
“如果你试图在冰雹实际形成的主上升气流处进行打击，”博伊说，“那就太晚了，因为那里释放的能量太多了。如果你从热力学角度来看，它的规模大约相当于一枚小型原子弹。与那种规模的能量释放争论很难获胜，所以你必须下调规模，到微物理学开始的地方。而这发生在馈送云中。”
博伊说，这个游戏的目的是利用播撒技术，在能量注入主云之前，将其从馈送云中消耗掉。“我们尝试做的是让过冷水更快地转化为冰，在更年轻的云中，”博伊继续说道，“我们这样做有四个原因。第一个是当水蒸气凝结形成水，或当液态水凝结形成冰时，会释放出热量。如果这种热量在主上升气流中释放，只会增加主上升气流的浮力，使其更强。如果我们将其释放到充满过冷液态水的较小云层中，它将增强它们较温和的上升气流。这会剥夺主上升气流可能获得的某些能量。第二个原因是，如果我们在冰形成得更早，这些颗粒就不会是冰雹。它们可能是我所说的爆米花雪：小的、轻的雪粒，颗粒仍然足够大，可以从温和上升气流的云中落下。这会导致云层过早降雨，否则这些云层根本不会降水。”
第三个原因是，如果我们制造出大量中等大小的冰晶，它们大到足以从云中落下但又未能完全落下，反而与主上升气流合并，那么它们的数量将比自然形成的多出数万亿倍。这是上升气流必须支撑的额外降水质量。上升气流所承受的物理负荷，即额外的质量，必然会减缓它的速度。主上升气流越慢，它能产生的颗粒的最大尺寸就越小。每小时一百英里的上升气流可以形成可怕的冰雹。而每小时五十英里的上升气流将产生一个远小于前者的冰雹。因此，您正在限制冰雹颗粒的最大尺寸。第四个原因是，您基本上提前迫使云层降雨，雨水会覆盖更广阔的区域，而且更温和。因此，主上升气流下方发生倾盆大雨的可能性较小——至少我们是这样希望的。
当然，下一步是证明播撒过的云最终降下的水量有多少可以归因于播撒，这项工作正在内华达山脉进行，研究人员使用了一种不同类型的示踪技术。由雷诺内华达大学沙漠研究所的约瑟夫·沃伯顿领导，这些研究人员正在观察冬季雪云。他们试图寻找一种替代老式杯状方法来测量播撒效果的方法——即使用地面测量仪比较播撒期间和非播撒期间的降雨或降雪量。
“正如你可以想象的，无论你是否播撒云层，云层和风暴之间都存在大量的自然变化，”沃伯顿说。此外，他表示，测量仪在测量降水方面 notoriously 不可靠，因为它们没有考虑到风向变化如何影响特定地点的雨雪量读数。
沃伯顿在1980年代中期开始探索替代测量方法。他选择了一种示踪剂——氧化铟，它不会形成冰核，但像大气中许多其他杂散颗粒一样，可以通过降雨或降雪从云中洗涤出来。他将等量的这种示踪剂和碘化银释放到雪云中。降雪后，他的团队乘坐滑雪板和直升机赶往偏远地点，收集新鲜雪样，然后将其带回洁净实验室，用原子吸收光谱仪进行分析。“这些仪器可以测量样品中化学物质的含量，精确到万亿分之一，”沃伯顿说。
1985年，沃伯顿在雪样中发现的碘化银是氧化铟的十倍。这意味着更多的碘化银参与了雪的形成。沃伯顿说：“这并不是一个令人惊讶的结果，但无论如何，这是第一次被证实。所以现在我们有证据表明，碘化银确实像我们想象的那样参与了这一过程。”
当沃伯顿在内华达州研究雪云时，几百英里外的德克萨斯州，云物理学家威廉·伍德利正在使用一个复杂的计算机程序来分析雷达云图，从而提供确凿证据，证明碘化银播撒确实能使云层降雨。今年一月，他在一次气象会议上报告说，他已经做到了这一点。
伍德利播撒的云与大型风暴系统无关；它们只是在德克萨斯州上空飘荡的、半心半意的水蒸气集合。通过向这些云中倾倒碘化银“种子”，伍德利促使冰晶形成，这个过程中释放的热量增强了云的上升气流。暖空气上升得更高，这使得云变得更大。伍德利说，与人类不同，云越“胖”，寿命就越长。更大的云含有更多的水，这意味着有更多的水可以冻结成晶体。更强的上升气流使这些晶体在空中停留更长时间，因此它们长得更大，更有可能以雨的形式从云中落下（这些云一开始太小，无法形成冰雹）。
伍德利使用地面雷达追踪了播撒过和未播撒过的云。密度更大的物体会发出更强的雷达回波，因此伍德利能够每五分钟用雷达扫描云层，并确定哪些云正在变大。这款软件于1987年由耶路撒冷希伯来大学的丹尼尔·罗森菲尔德开发，让他能够在一群云中聚焦于特定的云，并追踪其进展。他发现，播撒过的云合并的频率是未播撒云的两倍。不仅如此，雷达还显示播撒过的云产生的降雨量是未播撒云的两倍多。伍德利说：“这有点像那句老生常谈：团结则存，分裂则亡。合并的云越多，它们产生的降雨就越多。”
鉴于人工增雨工作已重获信心，研究人员现在正致力于找出最具成本效益的方法，并凭借对人工增雨物理学更深入的了解，缩小候选云的范围。博伊非常想知道，在一朵云中究竟需要使用多少播撒剂才能让它释放水分。“要使播撒奏效，它必须及时，必须在空间上正确——在正确的云上，正确的地点——并且必须使用足够的播撒剂来改变云的微物理性质，”博伊说，“要同时做到这三点并不容易。”
尽管所有答案尚未揭晓，但迄今为止的结果已开始挽回天气改造曾经“不靠谱”的名声。“1989年，世界气象组织统计到32个国家有118个天气改造项目在运作，而1983年只有80个，”博伊说，“这项科学在早期损害了自己。我想，当你发现像文斯·谢弗的实验那样戏剧性的事情时，你会想，‘哇，这真的很棒，我们迟早会弄清楚如何用所有云层做到这一点。’结果云层比任何人想象的都要复杂得多，所以很多虚假的希望被激发起来。当有人向你承诺什么却没能兑现时，你就会变得怀疑，天气改造就是这样。”
如今，人们更懂得我们能做什么，你几乎再也听不到——至少我的朋友中没有——那些声称能结束干旱之类的夸大言辞。现在当有人询问是否应该启动一个项目时，我们会说：“嗯，让我们看看您所在的地区，进行可行性研究，然后看看是否值得。”
播撒人员首先寻找的特征是具有良好上升气流和足够长寿命的云。然后他们必须确定这些云中的水是否是过冷水，这可以通过飞机飞过进行确认。如果云中有过冷水，那么就值得考虑一个项目，但这显然不会是万灵药。
在北达科他州，博伊说：“我们看到了降水量的增加以及冰雹下降量的减少，但这并不巨大。大概是百分之十。所以这项技术应用有限。但额外增加一英寸的降雨仍然是有益的，它价值数千万美元的农作物。”
