Способ ослабления тропических циклонов

Способ ослабления тропических циклонов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Мечта управлять погодой владеет умами людей столько времени, сколько существует человечество. В настоящее время, несмотря на колоссальное количество систематизированной информации в климатологии, экоинформатике, геофизике и геохимии Земли и других науках об атмосферных процессах, за последние десятилетия возникли только предпосылки создания реальных инструментов воздействия на неблагоприятные погодные явления.

Предлагаемое изобретение относится к области искусственного изменения погоды и должно быть использовано для решения исключительно актуальной задачи - снижение вреда, приносимого природными катастрофами, в том числе защита жизнедеятельности человека от воздействия природных явлений (ураганов, тайфунов), вызываемых циклонами.

Например, стандартный тропический циклон обладает энергией 10000 одномегатонных водородных бомб. Поэтому проблема воздействия на столь мощные образования является весьма проблематичной.

Физические основы методов активного воздействия на тропические ураганы и возможные пути реализации такого воздействия достаточно полно изложены в статье «Возможные пути снижения рисков разрушительного воздействия ураганов (тайфунов)» (Пудов В.Д. Проблемы анализа риска, том 5, 2008, №1, стр. 62-72).

Известна недостаточная эффективность существующих и используемых на практике методов воздействия на циклоны. Эти методы: уменьшение испарения с поверхности океана с использованием поверхностно-активных веществ - депрессоров испарения; создание искусственного апвеллинга для охлаждения поверхности океана; симметричное и ассиметричное засеивание облачной стены «глаза» урагана йодистым серебром; вмешательство в электромагнитное взаимодействие между облачными структурами, поверхностью океана и брызгами воды; создание искусственных штормов на пути следования циклона путем использования большого количества ракетных двигателей, сопла которых направлены вверх и пр.

Решению задачи активного воздействия на неблагоприятные процессы в атмосфере посвящен также известный способ ослабления тропических циклонов (патент Российской Федерации №2150134 по заявке 99104389/28 от 02.03.1999), взятый нами за прототип предлагаемого изобретения.

По этому известному способу в сформировавшемся тропическом циклоне создают дополнительное движение воздуха путем взрывного и/или теплового воздействия на зоны максимальной неустойчивости в тропосфере после замеров ряда параметров, таких как температура и влажность над океаном, расчета набираемой потенциальной энергии зарождающегося циклона и сравнения с ее, также рассчитываемым, предельно допустимым значением. При этом само воздействие может быть дополнено или заменено засевом веществом, создающим центры конденсации влаги. Эти воздействия на циклон оказывают до того, как набираемая им потенциальная энергия наберет предельно допустимое значение. В результате этих воздействий инициируется образование циклона, мощность которого не достигает разрушительного уровня, а потенциальная энергия циклона преобразуется в кинетическую энергию воздушных потоков.

Предлагаемое в выбранном нами прототипе воздействие взрывом на зоны максимальной неустойчивости в тропосфере имеет ряд серьезных недостатков: взрыв в условиях набирающего силу циклона технически трудно осуществим, имеют место высокая экологическая опасность метода и невозможность проведения измерений параметров циклона в стадии урагана и особенно тайфуна ввиду чрезвычайно сильной штормовой деятельности.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в исключении катастрофического воздействия тропических циклонов (ураганов, тайфунов) или, по крайней мере, значительном снижении уровня их интенсивности.

Поставленная задача достигается на основе нового и ранее неизвестного способа использования преобразования тепловой энергии высоконагретой газообразной или парообразной среды в энергию вихревого движения этой среды (Пивкин Н.М. «Вибрационное горение твердых ракетных топлив как возможная модель процессов, формирующих природные катастрофы в атмосфере Земли», ж. Боеприпасы. - 2013, - №1, - с. 31-36).

В качестве хорошо изученного и наглядного примера эффективности такого преобразования авторы предлагаемого изобретения предлагают вибрационное горение твердых топлив в камере сгорания ракетного двигателя, которое сопоставляется с известным механизмом возникновения и развития тропического циклона, представленным в работе (Бондур В.Г., Крапивин В.Ф., Савиных В.П., Мониторинг и прогнозирование природных катастроф. - М.: Научный мир, 2009).

Очень важно, что там и там зарождение процессов и возбуждение акустических колебаний происходит при наличии переменного теплоприхода в рабочей системе.

Главным источником для вибрационного горения топлива в двигателе и зарождения тропических циклонов в природных условиях является достаточно высокая тепловая энергия, которая обеспечивается за счет сгорания топлива в ракетном двигателе и нагреве газообразной среды до температуры не ниже 2000°C, а в случае тропического циклона - за счет повышенного нагрева поверхности океана солнцем и химических реакций окисления водорода, поднимающегося со дна океана в локальной зоне местности, кислородом в морской воде, до температуры поверхности океана 26-28°C.

Преобразование этой энергии в энергию вихревого движения происходит по принципу термического возбуждения звука (Б.В. Раушенбах) через образование систем с регулярными колебаниями, вступающими в резонанс с другими факторами.

Для вибрационного горения резонансным условием является совпадение частоты переменного теплоподвода с собственной акустической частотой полости камеры сгорания двигателя по модели толкающий субъект - качели.

Для зарождения тропического циклона условия резонанса более сложные, но они существуют и предварительно описаны в упомянутой выше работе Бондура В.Г., а также в (Алексеев В.В., Киселева С.В., Лаппо С.С. Лабораторные модели физических процессов в атмосфере и океане. - М.: Наука, 2005).

Эти авторы (Алексеев В.В. и другие) отмечают генерацию внутренних волн тайфунами и периодические колебания в следе тайфуна Вирджиния с частотой, почти совпадающей при перерасчете с резонансной частотой акустических колебаний при вибрационном горении.

В статье предлагается использовать уже накопленный опыт успешного подавления вибрационного режима горения топлива для снижения интенсивности тропических циклонов.

В настоящее время хорошо изучены условия возникновения циклонов, в том числе тропических. Современные космические средства слежения позволяют регистрировать эти условия над поверхностью океанов в режиме реального времени. Известны области над поверхностью океанов, где тропические циклоны зарождаются и формируются: в северной и южной частях Тихого океана, в Бенгальском заливе, в Аравийском море, в южной части Индийского океана, у берегов Мадагаскара и северо-западного побережья Австралии. Атлантические ураганы формируются в зоне, ограниченной координатами (10-20° с. ш., 20-60° з.д.) и (7,5-17,5° с. ш., 30-100° з.д.). Природное явление Эль-Ниньо, вызывающее раз в 3-6 лет сильнейшие циклоны, определяющие неблагоприятные погодные условия как в Северной, так и в Южной Америке, происходит над одной из самых активных мировых сейсмических зон - Восточно-Тихоокеанским поднятием.

По предлагаемому нами способу ослабления тропических циклонов определяют частоту колебаний теплоприхода на поверхности океана в районе, где зарождается бедствие, с помощью системы малоинерционных датчиков давления или температуры. По этой частоте или частоте, кратной ей, выбирают оптимальный диаметр частиц засеиваемых реагентов для гашения (диссипации энергии) рассматриваемых колебаний по законам акустики, а также намечают пути исследования факторов, которые могут вступать в резонанс с переменным теплоприходом в образующейся автоколебательной системе.

Выбор диаметра частиц для гашения колебаний производят на основе решения уравнений Навье-Стокса по формуле (Доббинс, Темкин, Экспериментальное определение влияния частиц на затухание акустических колебаний, Журнал AJAA, 1964, №6).

где η - динамическая вязкость среды, в которой находятся частицы;

ω - круговая частота колебаний (Гц);

ρ_p - массовая плотность частицы.

Например, для капелек воды, распыляемых над поверхностью океана, оптимальный диаметр частиц должен соответствовать приведенной таблице в зависимости от частоты теплоприхода.

Первая строка:

Частота колебаний теплоприхода в автоколебательной системе, кГц.

Вторая строка:

Оптимальный диаметр частиц для гашения колебаний, мкм.

Далее по предлагаемому способу ослабления тропических циклонов над поверхностью океана в области зарождения тропических циклонов по периферии поверхности с аномально высокой температурой воды (выше 26°С) распыляют частицы с рассчитанными оптимальными размерами для поглощения или ослабления акустических возмущений в области зарождения циклона.

По предлагаемому изобретению на площадках для засеивания паровоздушной среды над поверхностью океана частицами с целью поглощения акустической энергии размещают дополнительные устройства (например, вихревые трубы, рукава между площадками, вакуумные насосы и холодильные камеры, вихревые холодильно-нагревательные установки, карбюраторы, ветродвигатели, ветроэнергетические установки) для преобразования тепловой энергии среды над поверхностью океана в механическую энергию вихревого движения газового потока. Количество и схема размещения устройств зависят от рассчитанного (например, по методу, предложенному в прототипе) значения доступной потенциальной энергии в тропосфере. Общее количество размещённых в данном районе океана устройств должно обеспечивать диссипацию максимальной потенциальной энергии тайфуна для данной области до безопасного (предельно допустимого) уровня. Расчёт безопасного уровня потенциальной энергии в тропосфере можно также проводить по методу, предложенному в прототипе, или другому методу, использование которого будет подтверждено развитием атмосферных явлений.

Кроме того, указанные устройства создают дополнительные воздушные потоки, препятствующие горизонтальным и вертикальным потокам зарождающегося циклона.

Таким образом, исключается возможность развития тропических циклонов до стадии урагана и тем более тайфуна. При этом не прерывается поступление влаги с ослабленными циклонами на сушу, а преобразованная тепловая энергия поверхности океана используется для охлаждения газовых потоков, генерации электричества или дальнейшего преобразования в механическую энергию.

Как известно, в тропических широтах над поверхностью океана (особенно при аномальном нагреве воды) образуются большие перепады как давления, так и температуры (и влажности) воздуха на относительно небольших расстояниях в горизонтальной и вертикальных плоскостях. Если соединить эти области (например, вихревыми трубами) на подвижных или стационарных устройствах над поверхностью воды, то можно обеспечить циркуляцию воздуха и перераспределение тепла на поверхности океана.

Как было показано выше, природа возникновения и развития циклонов близка к природе возникновения акустических вихрей при вибрационном горении твёрдого топлива. Физическое подобие этих процессов открывает новые возможности в изучении и прогнозировании процессов развития циклонов. Изучение вибрационного горения твёрдого топлива с прямыми замерами баллистических характеристик газового потока продуктов сгорания уже сейчас может помочь, например, в оценке влияния вихревого движения газа внутри потока на понижение уровня выделяемой энергии циклона на механическое движение газа.

Так, вибрационное горение твёрдого топлива, появляющееся при резонансе акустических колебаний с поверхности пороха в канале заряда с собственными акустическими колебаниями тангенциальной формы для внутренней полости заряда, понижает тепловую энергию, выделяющуюся при горении пороха, до 50%, и часто даже приводит к гашению пороха.

Аппроксимация полученных данных на существующие технические устройства, также использующие вихревые движения газовых потоков (и далее на сами циклоны), при резонансных процессах позволяет ожидать уменьшение тепловой энергии используемого газа в таких же пропорциях.

Как было показано выше, по предлагаемому нами способу преобразования тепловой энергии на поверхности океана в области зарождения тропических циклонов размещают сеть технических устройств для создания дополнительных потоков воздуха над поверхностью океана и диссипации накопленной в атмосфере над поверхностью воды тепловой энергии. При этом в этих устройствах формируют регулярные волновые импульсы тепла сравнительно малой амплитуды, переводят процесс теплообмена в режим резонанса волновых импульсов тепла с собственными акустическими колебаниями тангенциальной формы для внутренней полости используемых устройств.

Этот резонансный режим позволяет закручивать газовый (воздушный) поток с эффектом максимального преобразования тепловой энергии газа в механическую энергию движения. В результате такого воздействия не только организуются дополнительные потоки воздуха, препятствующие или ослабляющие потоки воздуха, приводящие к зарождению циклона, но и снижается потенциальная тепловая энергия воздуха над океаном в области его зарождения.

Важнейшим преимуществом предлагаемого нового способа ослабления тропических циклонов является то, что он используется при зарождении процесса резонансного акустического возмущения. Когда тропический циклон развился, задача его ослабления многократно усложняется, т.к. для этого требуются огромные затраты энергии, соразмерной энергии циклона (стандартный тропический циклон обладает энергией 10 000 одномегатонных водородных бомб, как уже было отмечено выше).

Важным преимуществом предлагаемого нового способа ослабления тропических циклонов является также то обстоятельство, что при засеивании области зарождения циклона малоразмерными конденсированными частицами (вплоть до нано размеров), увеличивается время пребывания этих частиц в воздухе, что, в свою очередь, позволяет только периодически засеивать эти зоны, не прибегая к сложным замерам и расчетам параметров зарождения циклонов.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в исключении катастрофического воздействия тропических циклонов (ураганов, тайфунов) или, по крайней мере, значительном снижении уровня их интенсивности.

1. Способ ослабления тропических циклонов, включающий предварительную оценку опасности возникновения циклона и последующее засеивание циклона конденсированными частицами, отличающийся тем, что на поверхности океана с аномально высокой температурой воды 26-28°С замеряют частоту колебаний теплоприхода, вызванного суммарным нагревом воды, определяют внешние резонансные условия и в случае угрозы усиления ветра засеивают ближайший к воде паровоздушный слой конденсированными частицами оптимального диаметра согласно приведённой формуле, используемой в ракетостроении для борьбы с вибрационным горением для гашения рассматриваемых колебаний по законам акустики где η - динамическая вязкость среды, в которой находятся частицы; ω - круговая частота колебаний, Гц; ρ_р - массовая плотность частицы.

2. Способ ослабления тропических циклонов по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности океана в областях зарождения тропических циклонов с аномально высокой температурой воды на размещённых подвижных и неподвижных площадках помещают технические устройства, соединяющие области воздуха над водой с разной температурой, и создают дополнительные к естественным воздушные потоки, препятствующие или ослабляющие потоки воздуха, вызывающие зарождение циклона, и обеспечивают диссипацию накопленной в атмосфере над поверхностью воды тепловой энергии.

3. Способ ослабления тропических циклонов по п. 2, отличающийся тем, что в устройствах, размещённых на поверхности океана, или в природных условиях в области зарождения циклона формируют регулярные волновые импульсы тепла сравнительно малой амплитуды, переводят процесс теплообмена в режим резонанса волновых импульсов тепла с собственными акустическими колебаниями тангенциальной формы для внутренней полости используемых устройств или с частотой внешних по отношению к океану волновых процессов в природных условиях и таким образом обеспечивают явление закрутки газового потока с эффектом максимального преобразования тепловой энергии в механическую.