Способ изменения температуры воздуха

Способ изменения температуры воздуха

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемый способ относится к метеорологии, а именно к активным воздействиям на погоду, и может быть использован в интересах сельского хозяйства и города.

К способу изменения температуры воздуха атмосферы относится нагрев воздуха путем сжигания в нем горючих веществ. Такой способ применялся, в частности, для рассеяния тумана в аэропорту [Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978, с.257-271]. Горючее сжигалось при работе на земле авиационных двигателей. В данном способе нагрева отношение количества тепла, поступившего в атмосферу, к энергозатратам на нагрев равно единице.

Недостатками способа являются большие энергозатраты на нагрев единичного объема воздуха, загрязнение атмосферы продуктами горения, невозможность понижения температуры воздуха.

Известен также "Способ изменения температуры воздуха атмосферы" (патент РФ №2107428, А 01 G 15/00, 1998), который выбран в качестве прототипа.

Данный способ заключается в усилении или ослаблении выделения тепла при конденсации водяного пара на ионах проводимости атмосферы. Изменение тепловыделения осуществляется изменением тока проводимости через атмосферу. Создавая на некоторой высоте от земной поверхности отрицательный относительно нее электрический потенциал, увеличивают ток проводимости через атмосферу и тем самым увеличивают температуру воздуха. Создавая там более положительный потенциал, понижают температуру воздуха.

Следует отметить, что выброс дымовых и/или промышленных газов при введении в них химических реагентов может быть использован для образования облаков в холодное время года.

Известно, что наличие облачности оказывает существенное влияние на степень радиационного выхолаживания подстилающей поверхности, приводя к повышению температуры в слое от поверхности Земли до уровня облаков. Предварительные расчеты показывают, что величина повышения температуры воздуха в этом случае может достигать 10°С и более. Естественно, что такое повышение температуры воздуха у поверхности Земли позволит существенно снизить расход топлива, идущего на обогрев крупных мегаполисов, и приведет к значительной экономии материальных средств.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа путем образования облачности в холодное время года и повышение эффективности изменения температуры воздуха атмосферы.

Поставленная задача достигается тем, что согласно способу изменения температуры воздуха атмосферы, заключающемуся в усилении или ослаблении процесса конденсации атмосферного водяного пара на ионах проводимости атмосферы и создании в приземном слое атмосферы на площади электрического потенциала, отличного от потенциала земной поверхности, дымовые и/или промышленные газы очищают от загрязнений и отводят в приземный слой атмосферы над населенным пунктом, вводят в очищенные дымовые и/или промышленные газы на выходе дымовых труб химические реагенты для образования кристаллов льда и создания над населенным пунктом сплошного защитного облачного покрова, обеспечивающего сохранение температуры воздуха атмосферы.

Предлагаемый способ основан на следующих сведениях в области физики атмосферы и теоретических построениях:

1. Известно, что значение температуры воздуха и ее изменения отражают вариации мощности поступления в атмосферу и оттока из нее тепла. Средняя мощность поступления тепла в атмосферу на единицу площади вертикального столба (Р=185 Вт/м²) складывается из трех частей:

Р=88 Вт/м² - из тепла, выделяющегося при конденсации пара на аэрозольные частицы;

Р=80 Вт/м² - из мощности, поглощенной в атмосфере солнечной волновой радиацией;

P=17 Вт/м² - из тепла, поступающего в атмосферу через турбулентный обмен с земной поверхностью.

2. Между земной поверхностью и ионосферой существует электрическая разность потенциалов около 3·10⁵ В, под действием которой в атмосфере течет вертикальный ток проводимости средней плотности j=3·10^-12 А/м². Ток проводимости формируется из отрицательных ионов, стекающих с земной поверхности, из положительных ионов, перемещающихся вниз из ионосферы, и из ионных пар, возникающих в атмосфере при ионизации воздуха коротковолновой и корпускулярной радиацией внеземного происхождения.

3. Согласно модели атмосферного электричества, построенной с учетом экранирования электростатического поля нейтральной материей, тропосфера объемно заряжена отрицательно, причем плотность отрицательного объемного заряда падает по абсолютной величине с высотой от приземного значения до значения в ионосфере по экспоненциальному закону.

4. Аэрозольные частицы возникают в атмосфере и вырастают на ядрах конденсации.

5. Ион, попадая в атмосферу, через доли секунды превращается в аэрозольную частицу радиусом r_a=10^-9÷10^-8 м.

6. Согласно модели Томсона рост аэрозольной частицы на ионе в атмосфере возможен лишь при пересыщении воздуха паром более чем в 2 раза в диапазоне радиусов r_a=10^-10÷10^-9 м из-за большой кривизны поверхности частицы.

7. Поскольку в крупных городах существует много дымовых труб различных предприятий и объектов, которые в зимнее время года выбрасывают дымовые и/или промышленные газы в течение нескольких часов, а некоторые практически круглые сутки, то непрерывный ввод в образующиеся облака химических реагентов будет способствовать созданию над городами "облачного одеяла", сплошного облачного покрова на значительной площади.

8. Важно отметить, что такие облака будут располагаться в пограничном слое атмосферы (до 1000 м) и существовать практические круглые сутки. Вследствие этого можно ожидать существенного изменения теплового баланса в этом слое атмосферы, приводящего к значительному повышению температуры у поверхности Земли, т.е. в пределах городской территории. Предварительные расчеты показывают, что величина повышения температуры воздуха в этом случае может достигать 10°С и более. Естественно, что такое повышение температуры воздуха у поверхности Земли в пределах городской территории позволит существенно снизить расход топлива (угля, мазута, электрической энергии и т.д.), идущего на обогрев городов, и приведет к значительной экономии материальных городских средств.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

На некоторой высоте h над земной поверхностью на площади, размеры которой сравнимы с радиусом экранирования электростатического поля (400 м) или превышают его, создают электрический потенциал, отличающийся от потенциала земной поверхности. Между плоскостью на высоте h и ионосферой устанавливается разность потенциалов Ф_i-Ф_h, которая создает электрический ток проводимости

J˜(Ф_i-Ф_h).

Для увеличения тока проводимости через атмосферу потенциал Ф_h устанавливают более отрицательным, чем потенциал земной поверхности; для уменьшения потока проводимости потенциал Ф_h на высоте h устанавливают более положительным, чем на Земле. В первом случае мощность выделения тепла конденсации возрастает, во втором падает. Соответственно этому при более отрицательном потенциале на высоте h относительно Земли температура атмосферного воздуха возрастает, а при более положительном потенциале температура воздуха падает.

На фиг.1 показано изменение метеорологической дальности видимости (МДВ) в результате увеличения температуры воздуха согласно заявленному способу в ходе экспериментальных работ.

Для реализации способа используют устройство для введения объемного заряда в атмосферу. Устройство представляет собой сеть проводов, натянутых горизонтально или наклонно на высоте 6 м и более на площади 100×100 м. На провода подают высокий постоянный потенциал, знак которого зависит от желания поднять или понизить температуру воздуха. Для поднятия температуры на провода подают отрицательный относительно земли потенциал. При этом между проводом и атмосферой возникает электрический ток, в результате которого естественный объемный заряд в приземном слое воздуха до сотен метров становится более отрицательным и ток проводимости атмосферы увеличивается. В итоге непрерывной работы устройства в течение часов или суток добиваются изменения средней температуры воздуха в радиусе до 100 км на 5-10°С при потенциалах на проводе U≥-160 Кв.

Для понижения температуры воздуха на провода устройства подают положительный постоянный потенциал. Ток в атмосферу при работе описанного устройства составляет порядка 2 мА, что равно естественному току проводимости атмосферы на площади круга радиусом 30 км.

Известно, что изменение температуры приводит к нарушению естественного хода метеорологических процессов. В частности, повышение температуры способно привести к рассеянию тумана, к приостановке выпадения осадков и т.д., а понижение температуры - к образованию или усилению осадков, возникновению тумана.

Для образования облачности в холодное время года используют устройство, структурная схема которого представлена на фиг.2.

На конце дымовой трубы 1 установлен уловитель, состоящий из металлической цилиндрической обечайки 2, опущенной нижней частью в трубу сверху. Внутри обечайки на треть ее высоты снизу вставлен и приварен разбортовкой к обечайке патрубок 3, отделяющий периферийный цилиндрический слой дыма с включениями от центрального "чистого" потока. В этой части обечайки 2 находятся заборные окна 4 петлевых скрубберов 5. Скрубберы располагаются на срезе трубы 1 по окружности, и прошедший через них газ возвращается в общий поток через выходные окна 6. Внутри скрубберов 5 находятся в нижней части улавливающие пластины 7, а в верхней - отражающие пластины 8. Снаружи скрубберы 5 имеют отводные трубы 9. Последние сгруппированы в течки 10, трансформирующие пылинки самотеком в сборник 11. Многолопастный спиральный завихритель потока 12 расположен непосредственно ниже уловителя (кроме случаев утилизации особо вредных частиц, когда между ними находится центральная крыльчатка с электрическим приводом), направляющие пластины 13 располагаются ниже завихрителя. Генераторы 14.i (i=1, 2, ..., n) химических реагентов размещены снаружи по окружности корпуса с возможностью выброса химических реагентов в дымовые газы на выходе дымовой трубы. Пульт управления 15 установлен у основания дымовой трубы 1. Пульт управления 15 подключен электрически к генераторам 14.i (i=1, 2, ..., n).

Горячий газ, поднимаясь в трубе 1 и обходя направляющие пластины 13, начинает вращаться вокруг оси трубы, отчего всякие твердые включения оттесняются на периферию потока, а центральная часть потока очищается от них. Заканчивается процесс концентрации включений в периферийной зоне газового потока уже в многолопастном завихрителе потока 12, из которого чистый газ проходит напрямую в атмосферу, а 8-10% дымовых газов вместе с загрязнениями поступают через заборные окна 4 в камеры скрубберов 5, где направляются вниз на управляющие пластины 7 и одновременно на всем пути движения охлаждаются. На пластинах 7 общий поток прекращается и газ теряет скорость, так как резко меняет направление снизу вверх и выходит, обойдя отражающие пластины 8, через выходные окна 6 большего сечения, через заборные окна 4. Все тяжелые включения, потеряв скорость движения, застревают на пластинах 8 и далее через отводные трубы 9 поступают по течке 10 в сборник 11.

Отделение частиц за счет вращения в трубе приводит к значительному уменьшению объема газа с загрязнениями, нуждающего в очистке в скрубберах, что позволяет установить их на верхней части трубы, не особенно ее нагружая дополнительным весом и не слишком увеличивая ветровую нагрузку. Практически возможно выполнение скрубберов и всего уловителя в наружных габаритах кирпичной дымовой трубы.

В холодное время года с помощью пульта управления 15 включаются генераторы 14.i (i=1, 2, ..., n), которые выбрасывают химические реагенты в "чистые" дымовые и/или промышленные газы, выходящие из дымовой трубы 1. Диспергированные частицы реагентов, попадая в насыщенную область дымовых и/или промышленных газов, способствуют образованию в них кристаллов льда в количестве, достаточном для стабилизации образующихся облаков.

Следует отметить, что в ясные морозные дни и ночи вблизи дымовых труб образуются облака, которые, как правило, быстро исчезают. Для стабилизации образующихся облаков служат химические реагенты, в качестве которых можно использовать, например, йодистое серебро.

Вследствие значительного выхода активных частиц, способствующих образованию кристаллов льда, с помощью 1 г реагента йодистого серебра (AgI), равного 10¹³÷10¹⁵ частиц, возможно стабилизировать искусственную облачность на больших площадях. Расчеты показывают, что 1 г реагента AgI достаточно для стабилизации облака объемом 10⁸÷10¹⁰ м³ в течение нескольких часов.

В зависимости от метеоусловий и температуры окружающего воздуха количество и интенсивность химических реагентов, выбрасываемых в дымовые и/или промышленные газы дымовых труб, регулируются пультами управления.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение эффективности изменения температуры воздуха атмосферы. Это достигается использованием дымовых и/или промышленных газов, выбрасываемых из дымовых труб, и химических реагентов для образования искусственных облаков, обеспечивающих значительное повышение температуры окружающего воздуха в пределах городской территории в холодное время года.

Кроме того, предлагаемый способ позволяет утилизировать многие тонны цемента или других продуктов, уберечь от загрязнений воздушную среду, предохранить людей от заболеваний и существенно снизить расход топлива (угля, мазута, электрической энергии и т.п.), идущего на обогрев городов, что приводит к значительной экономии материальных городских средств.

Экономическая эффективность предлагаемых способа и устройства состоит в том, что появляется реальная возможность уже в настоящее время, даже силами технических служб заводов, фабрик, коммунальных городских хозяйств, изготовить и установить на дымовые трубы предлагаемое устройство, реализующее предлагаемый способ.

Простота и экономическая эффективность предлагаемого способа очевидны. Экономичен он и в эксплуатации.

Тем самым функциональные возможности способа расширены.

Способ изменения температуры воздуха атмосферы, заключающийся в усилении или ослаблении процесса конденсации атмосферного водяного пара на ионах проводимости атмосферы и создании в приземном слое атмосферы на площади электрического потенциала, отличного от потенциала земной поверхности, отличающийся тем, что дымовые и/или промышленные газы очищают от загрязнений и отводят в приземной слой атмосферы над населенным пунктом, вводят в очищенные дымовые и/или промышленные газы на выходе дымовых труб химические реагенты для образования кристаллов льда и создания над населенным пунктом сплошного защитного облачного покрова, обеспечивающего сохранение температуры воздуха атмосферы.