Способ инициирования грозовых разрядов

Способ инициирования грозовых разрядов

Реферат

Изобретение относится к области активных воздействий на метеорологические процессы и предназначено для предупредительного разряда электрических зарядов при мощных кучевых и кучево-дождевых облаках. При благоприятных условиях способ можно использовать для защиты объектов топливно-энергетического комплекса, пусковых установок ракет, летательных аппаратов и др. объектов от поражения молнией, а также для борьбы с опасными природными явлениями, такими как смерчи, град, сильные ливни, лесные пожары, вызываемые грозами, и др. явления.

Заряженные частицы в атмосфере (электроны, генерируемые космическими лучами, радиоактивностью и другими факторами) являются основными источниками возникновения ионизации воздуха и играют существенную роль в процессе осадкообразования и возникновения грозового электричества в естественных условиях. Влияние заряженных частиц на интенсивность осадков в атмосфере рассматривалось в ряде работ [1, 2, 3]. Первые лабораторные опыты в СССР с целью исследования процесса коагуляции заряженным песком провел в 1921 г. В.И. Виткевич. Теоретические основы этого метода пытались объяснить в 40-х годах 20 века П. Вайнберг и Н.А. Булгаков. В 30-х годах В.Н. Оболенский испытывал методы воздействия на облака, включая высокочастотные разряды и ионные потоки. Первое изобретение по регулированию зарядов в облаке было сделано в СССР в 1931 г. (А.с. №30033). Теоретически вопросы влияния конденсационно-коагуляционных процессов на развитие грозового электричества в разные годы рассматривались И. Ленгмюром, Б.Дж. Мейсоном, И.М. Имянитовым, В.М. Мучником, Л.М. Левиным, Н.С. Шишкиным, Н.В. Красногорской и другими исследователями [1].

Имеется несколько способов искусственного воздействия на конвективные облака с целью предотвращения гроз. Исследования по искусственному вызыванию молний с помощью металлических нитей, поднимаемых к облаку ракетой, проводились в США, Франции, Японии, Китае и др. странах. Способ осуществляют путем запуска к грозовому облаку ракеты с прикрепленной к ней тонкой металлической проволокой с заземлением [2]. Запуск производят, когда измерения электростатического поля достигают критических значений от 4 до 7 кВ/м. Таким способом грозовое электричество разряжается на землю. Недостатком этого способа является использование металлической проволоки, засоряющей окружающую среду и необходимость заземления.

В работе [4] описан способ воздействия на электрическое состояние конвективных облаков посредством внесения в них электрических зарядов, генерируемых коронированием с тонкой проволоки, находящейся под высоким напряжением. Подача ионизированного воздуха в облако осуществлялась через полиэтиленовую трубу длиной 350 м, находящуюся под напором воздуха, нагнетаемого мощным вентилятором. Недостатком этого способа является неустойчивость конструкции для реализации при ветре, усиливающемся при конвективной облачности.

Другим способом для уменьшения зарядов в облаке является засев кучево-дождевых облаков «мякиной» - волокнами из диэлектрического материала. Такие волокна сбрасываются с самолета при напряженности электрического поля 50 кВ/м в количестве 4 кг/км [1]. Недостатком способа является необходимость проводить полеты в кучево-дождевом облаке, что небезопасно для воздушных судов.

Электростатический метод, обеспечивающий защиту от молнии, предложен во Франции с использованием устройства для рассеяния радиационных туманов посредством ионизации воздуха высоким напряжением по патенту Франции №2650938. Воздействие на электрические заряды в атмосфере предлагается осуществлять путем запуска привязанного аэростата с металлизированной оболочкой на высоту от 0,1 до 1 км. Металлизированный слой соединяют с тросом, намотанным на барабан лебедки. Нижний конец троса заземляют. В результате протекания тока по тросу уменьшается объемный электрический заряд в атмосфере, снижается вероятность молниевых разрядов. Недостатком метода является незащищенность от ветров, отсутствие мобильности, необходимость заземления.

Способ воздействия на облака электронными пучками из генераторов сильноточных релятивистских электронных пучков, как средство борьбы с грозами путем снижения напряженности электрического поля облаков до безопасных значений, рассмотрен в монографии [2]. Недостатком способа является большое рассеяние пучка электронов с потерей их энергии при прохождении через облачную атмосферу.

Теоретическое обоснование предотвращения града инициированием искусственных молний отрицательно заряженными частицами предложил М.Н. Бейуганов. Градовые явления происходят преимущественно в условиях сильной грозы. Из 2000 случаев градобитий молнии не отмечались только в 4% из них. Искусственное инициирование грозовых разрядов препятствует зарождению града в грозовых облаках [5].

Наиболее близким прототипом заявляемому способу является способ искусственного вызывания осадков по патенту РФ №2112360 [6]. Авторами этого изобретения было изучено влияние естественных потоков заряженных частиц в атмосфере на интенсивность осадков. Эти результаты показали, что потоки заряженных частиц играют существенную роль в процессе образования осадков. В нижней атмосфере естественный поток заряженных частиц преимущественно вторичного космического излучения состоит в основном из электронов. Авторами способа предложено проводить вызывание осадков путем воздействия на облака потоками ионизирующего излучения. Поток заряженных частиц, направляемых в облако, генерируется ускорителем элементарных частиц, устанавливаемым на борту самолета, облетающего облако. Недостатком данного способа является необходимость установки на самолете линейного ускорителя весом 10 т, большая вероятность электрического разряда из облака в самолет по ионизированному каналу, создаваемому самим самолетом.

Согласно современным представлениям о строении грозовых облаков, концентрация заряженных частиц со значениями напряженности 10⁵-10⁶ В/м происходит в небольших объемах, формируемых восходящими и нисходящими струями [7]. Чтобы вызвать грозовой разряд на землю или между внутриоблачными образованиями, необходимо достижение критических значений напряженности поля и создание электропроводящего канала для прохождения электрического заряда. Критические значения напряженности для искусственно инициируемого разряда могут составлять 4-7 кВ/м, минимальная длина искусственно создаваемого канала должна быть 100-200 м, а минимальная концентрация электронов в нем 10⁷-10⁸/см³ [2].

Предлагаемый способ для инициирования грозовых разрядов отличается тем, что для инициирования грозовых разрядов в атмосфере создают ионизированный канал в виде потока заряженных частиц термоионизационным методом. Известно, что молниевому разряду в естественных условиях предшествует образование быстро протекающего процесса формирования длинного, с малым поперечным сечением ионизированного канала, состоящего из электронов, называемого лидером [7]. Разработка искусственных источников ионизации для создания искусственного ионизированного канала основывается на пиротехническом способе диспергирования реагента. Пиротехнический состав (ПС) для генерации заряженного аэрозоля получают из смеси порошкообразного металлического горючего (магний или его сплавы), окислителя (селитра калиевая или других щелочных металлов) и небольших добавок органического вещества (карбомид и др.) по патенту РФ №2090548 [8]. Эффективным источником искусственной ионизации являются твердые аэрозольные частицы, образующиеся при температурах горения металлического горючего 3500-4000 К и испускающие электроны за счет термоэлектронной эмиссии.

Схематично происходящие реакции горения ПС при температуре порядка 3500-4000 К можно представить следующим образом:

Mg+KNO₃→K⁺+MgO+N₂+O₂+e→K₂O+MgO+N₂→KOH+MgO→K₂CO₃+MgO→K₂CO₃×2H₂O+MgO.

ПС для использования с воздушных судов применяют в макетах модернизированных пиропатронов ПВ-26 ФХС в количестве 40 г с капсюлем центрального боя или с электровоспламенителем. Горение ПС в атмосфере при таком количестве реагента длится 16-18 с, образующийся термоионизационный канал по траектории движения горящей ПС составляет 800-900 м [3]. Основным механизмом ионизации в термоионизационном канале является термоэлектронная эмиссия с горячих аэрозольных частиц по траектории движения их источника - горящей ПС. Общее количество электронов эмиссии определяется продолжительностью сохранения высокой температуры образовавшихся частиц и достигает количества 10¹⁸ на 1 г реагента. Потеря электронов горячими частицами обуславливает их положительный заряд. Электроны, сталкиваясь с окружающими молекулами воздуха (в основном кислорода), образуют отрицательные ионы. Прилипание электронов к молекулам кислорода происходит в тройных столкновениях:

e+O₂+M→O₂+M,

где M - молекула H₂O или др. газов.

Расчетным методом получено количество положительных ионов размером 10^-7-10^-5 см порядка 10¹³ г^-1, количество отрицательных ионов до 10¹⁸ г^-1[3].

Методика применения пиропатронов ПВ-26 ФХС с легкомоторных самолетов для борьбы с лесными пожарами изложена в руководящем документе [9]. Высота запуска изделия ПВ-26 ФХС с пиротехническим составом для образования термоионизационного канала составляет 1200 м.

Пример реализации способа состоялся 18 августа 2008 г. над Финским заливом. Над акваторией залива во второй половине дня (15-16 ч) располагалась гряда конвективной облачности с нижней границей на высоте 600 м и верхней границей 3000 м. Вдоль гряды с северной стороны у боковой границы облаков с легкомоторного самолета на высоте 2900 м с интервалом 7 км были выпущены 5 изделий ПВ-26 ФХС. В результате в 4-х случаях наблюдался молниевый разряд с верхней границы облаков к нижней границе в течение горения ПС, под облаками наблюдался слабый ливневый дождь, естественных молниевых разрядов не наблюдалось.

Перспективными устройствами ввода в атмосферу могут служить устройства для отстрела пиропатронов АСО-2И с воздушного судна, противоградовые ракеты типа «Ас», «Алан-3», «Алазань-9»[10], предназначенные для запуска с противоградовых установок «Элия МР-60» и «Элия-2-60», а также изделия фейерверочного типа с пусковыми одноствольными и многоствольными установками [11] и др. изделия, снабженные пиротехническим составом по патенту РФ 2090548, описанному выше.

Термоионизационный способ для создания ионизированного канала является оперативным и безопасным для окружающей среды.

Использованные источники информации

1. Мучник В.М. Физика грозы. Л.: ГМИ. - 1974. - 352 с.

2. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Л.: ГМИ. - 1990. - 464 с.

3. Клинго В.В., Козлов В.Н., Щукин Г.Г. Физические основы образования заряженных гигроскопических частиц для искусственного регулирования осадков.//Тр. НИЦ ДЗА (Филиал ГГО). - 2002. - Вып.4 (552). - С.76-86.

4. Tilson S. Electricity and weather modification. I. A survey of scientific relationships/-IEEE Spectrum.- 1969. - V. 6 - No. 4. - P. 25-46.

5. Бейтуганов M.H. Метод предотвращения града инициированием искусственных молний.//Труды ВГИ. - 1999. - Вып.90. - С.56-58.

6. Покровский П.Е., Стожков Ю.И. Способ искусственного вызывания осадков.// Патент №2112360 - Россия. - МПК A01G 15/00. - № заявки 97105415/13. - Опубл. 10.06.1998.

7. Бекряев В.И. Молнии, спрайты и джеты. - Санкт-Петербург. - РГГМУ. - 2009. - 98 с.

8. Козлов В.Н., Лихачев А.В., Окунев С.М., Фомин В.А. Пиротехнический состав для вызывания осадков.//Патент №2090548. - Россия. - МПК C06D 3/00, C06B 31/02, A01G 15/00. - №заявки 94004563/02. - Опубл. 20.09.1997 г.

9. Козлов В.Н., Клинго В.В., Лихачев А.В., Окунев СМ., Щербаков А.П. Щукин Г.Г. РД 52.04.628-2001. Инструкция. Порядок проведения работ по искусственному вызыванию осадков из конвективных облаков при борьбе с лесными пожарами с борта легкомоторных воздушных судов // - СПб.: ГМИ. - 2002.- 24 с.

10. Абшаев М.Т. Состояние и перспективы развития работ по активному воздействию на гидрометеорологические процессы в странах СНГ// «Метеоспектр» - 2013. - №1. - С.124-138.

11. Колосков Б.П., Корнеев В.П., Щукин Г.Г. Методы и средства модификации облаков, осадков и туманов. - Санкт-Петербург.- РГГМУ.- 2012. - 342 с.

Способ инициирования грозовых разрядов при активных воздействиях на конвективные облака, заключающийся в том, что на конвективные облака воздействуют потоком заряженных частиц, отличающийся тем, что поток заряженных частиц для инициирования электрического разряда облака создают пиротехническим путем в виде термоионизационного канала.