Устройство инициирования осадков в атмосфере

Устройство инициирования осадков в атмосфере

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области метеорологии и может найти применение в региональных центрах МЧС для изменения естественной циркуляции воздушных масс при антициклональных погодных условиях.

Аномальные климатические изменения последнего времени - длительные засухи или продолжительные циклоны, вызывающие наводнения, делают актуальными задачи локальной корректировки погодных условий.

Известно два основных способа искусственного вызывания осадков:

- рассеивание в облаках химических реагентов с самолетов или обстрел облаков высокоточным оружием с химическими реагентами;

- электрический метод генерации в атмосферу ионов коронирующего электрического заряда [см., например, патенты RU №2218750, 2003 г., №2154371, 2000 г., №2333578, 2004 г.].

Известна промышленная установка «Атлант», реализующая электрический метод воздействия на метеопроцессы [см. Интернет, http//come.to/atlant.ru] - аналог. Недостатком аналога является большая временная задержка выпадения осадков после включения установки (до 12 ч).

Известно «Устройство инициирования процессов в атмосфере», Патент RU №2502256, 2013 г. - аналог. Устройство аналога содержит генератор высоковольтного напряжения и присоединенную к нему систему коронирующих электродов, выполненных в виде соленоидов, с венчиком игл на концах, помещенных во внутренний нижний торец соленоидов, создающих ионизированный газ, в режиме завихрения генерируемых ионов магнитным полем в объеме соленоидов, каждый из соленоидов соосно охвачен витками в плоскостях, образующих осевую результирующую диаграмму направленности спиральной антенны, подключенной к высоковольтному передатчику электромагнитных волн с длиной волн больше критической длины волны ионизированного газа и плотностью тока смещения, обеспечивающего восходящий конвективный поток ионов с концентрацией, вызывающей лавинный процесс конденсации водяных паров в атмосфере.

Недостатками аналога следует считать малую величину тока коронирования венчика игл (порядка единицы мкА) и как следствие необходимость длительного интервала (до 6 ч) времени воздействия для какого-либо существенного выпадения осадков.

Атмосферные процессы столь энергоемки, что для существенного их изменения необходима значительная энергетика источника возмущений как по объему пространства возмущений, так и турбулентности процесса ионизации. Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является «Устройство коррекции погодных условий», Патент RU №2516223, 2014 г.

Устройство ближайшего аналога выполнено в виде геометрического зонтика из десяти радиальных проводов коронирующих электродов, создающих антенное поле, длиной 100 м, подвешенных каждый на центральной опорной мачте из составных колен полимерного композитного материала высотой 30 м с узлом крепления проводов на вершине через высоковольтные изоляторы с защитной оболочкой из силиконовой резины, изолирующие радиальные провода от центральной мачты и десяти вспомогательных мачт из того же материала, высотой 10 м подвески радиальных проводов, электрически соединенных по периметру окружности зонтика, изолированных от мачт стержневыми высоковольтными изоляторами, одна из мачт содержит узел крепления проводов запитки коронирующих электродов от источника высоковольтного напряжения, в регулируемом режиме изменения полярности питающего напряжения посредством высоковольтного переключателя и заземлителя питающего источника, выполненного из одиночных свайных винтовых труб, заглубленных в грунт и соединенных по параллельной лучевой схеме геометрии зонтика.

Недостатком ближайшего аналога является несущественное изменение турбулентности восходящего конвективного ионного потока при переключении полюса питания коронирующих электродов, поскольку в обоих случаях носителями электрических зарядов остаются свободные электроны, стекающие с электродов при коронировании. В результате выпадение осадков происходит с задержкой 2…3 ч.

Задача, решаемая заявленным устройством, состоит в увеличении мощности и турбулентности восходящего ионного потока, создаваемого системой коронирующих электродов, путем его дополнительной накачки пучком высокоэнергетичных элементарных частиц с последующей ударной ионизацией молекул воздуха от линейного ускорителя, работающего в импульсном режиме, поочередно, с системой коронирующих электродов, за счет переключения полярности общего источника питания. Поставленная задача решается тем, что устройство инициирования осадков в атмосфере выполнено из двух разнородных источников ионизации молекул воздуха в охватываемом рабочем объеме, работающих поочередно в синхронизованном по мощности и времени импульсном режиме путем переключения полярности питающего напряжения высоковольтным переключателем общего источника питания в составе коронирующих электродов из радиальных проводов геометрического «зонтика», подвешенных на центральной опорной мачте из композитного материала и вспомогательных мачт растяжек радиальных проводов, соединенных по периметру окружности «зонтика», узла запитки коронирующих электродов от источника питания и линейного ускорителя элементарных частиц, размещенного возле центральной мачты, для бомбардировки молекул воздуха коллимированным пучком высокоэнергетичных элементарных частиц в вертикальной плоскости в составе секции инжекции и выходной секции, работающей в режиме регулировки энергии элементарных частиц и заземлителя питающего источника, выполненного из винтовых труб, заглубленных в грунт по параллельной лучевой схеме геометрии «зонтика».

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - функциональная схема устройства;

фиг. 2 - содержание водяного пара в воздухе;

фиг. 3 - рабочие характеристики излучателей: а) системы коронирующих электродов, б) линейного ускорителя элементарных частиц;

фиг. 4 - циклограмма импульсной работы излучателей;

фиг. 5 - вероятность процесса выпадения осадков от времени после включения: в) ближайшего аналога, г) заявленного устройства.

Устройство инициирования осадков в атмосфере (фиг. 1) содержит два типа излучателей, работающих поочередно, в импульсном режиме посредством переключения полюсов общего источника питающего напряжения (1), высоковольтным переключателем (2), с одновременным изменением полюса источника питания на заземлителе (3), выполненного по параллельной лучевой схеме из одиночных свайных винтовых труб, заглубленных в грунт. Излучатель первого типа выполнен в виде геометрического зонтика из десяти радиальных проводов - коронирующих электродов (4), подвешенных через изоляторы на центральной мачте (5), и десяти вспомогательных мачт (6), расчаленных двухъярусными оттяжками (7) для подвески радиальных проводов (4), электрически соединенных по периметру окружности зонтика коронирующими электродами (8) узла (9) запитки «зонтика» от источника питания.

Излучатель второго типа содержит линейный ускоритель (10) для бомбардировки молекул воздуха коллимированным пучком высокоэнергетичных электронов в вертикальной плоскости, в составе секции инжекции электронов (11), выходной секции (12) для регулировки энергии пучка посредством аттенюатора (13), стойку-стеллаж (14) для монтажа и размещения устройства на местности из профильного композитного высокопрочного материала.

Динамика функционирования элементов устройства состоит в следующем. Установленным является физическое явление гидратации первичных ионов, состоящее в присоединении дипольных молекул воды (из водяного пара воздуха) к несущим электрический заряд ионам. Концентрация водяного пара в атмосфере воздуха иллюстрируется фиг. 2. Процесс гидратации ионов и последующей коагуляции (обволакивание) сопровождается выделением энергии (скрытой теплоты испарения), что и создает конвективный поток в тропосфере [см., например, Лаверов Н.П. и др. «Использование теплового эффекта ионизации атмосферы для дистанционной диагностики радиоактивного заражения окружающей среды», статья в журнале «Геофизика», Доклады Академии наук, том 441, с. 1-4, 2011 г.]. Критическими факторами, определяющими инициирование лавинообразных процессов в атмосфере, являются мощность ионного потока и его температурный градиент. Мощность потока пропорциональна величине ионного тока, а температурный градиент определяется скоростью образования ионных пар в единице объема или величиной высвобождаемой энергии скрытой теплоты конденсации. В одном кубическом метре воздуха содержится (фиг. 2) примерно один моль водяного пара H₂O (моль водяного пара равен 18 г), при конденсации которого выделяется энергия ≈10 ккал. (Теплота парообразования воды 539 ккал/кг, в пересчете на один моль 539 ккал/кг*18 г=9,7 ккал).

При токе коронирования ближайшего аналога (фиг. 3) порядка единицы мкА количество образуемых ионов составит величину:

Расчетное количество выделенной скрытой теплоты при коагуляции иона несколькими молекулами водяного пара оценивается величиной:

,

т.е. процесс конденсации водяного пара существенно инерционен.

В заявленном устройстве для резкого ускорения процесса конденсации водяного пара используют облучение объема воздуха мощным пучком элементарных частиц, при котором гидратация ионов приобретает взрывной характер. Процесс ударной ионизации молекул воздуха при облучении пучком высокоэнергетичных частиц носит название ионостимулированной нуклеации, приводящей к образованию крупных ионных кластеров размером несколько микрон. Сравнительная характеристика рабочих режимов (токов ионизации) ближайшего аналога и заявленного устройства иллюстрируется фиг. 3.

Для генерации ионов путем ударной ионизации используют ускорители элементарных частиц (позитронов, электронов, ионов) получивших название «Pelletron», работающих при электрических напряжениях порядка нескольких MB и тока сотни мкА [см., например, импульсный генератор дейтронов - линейный ускоритель BWALD (Blockward Wale Linear Accelerator of Denterons) с регулируемой мощностью, Патент US. №4118853, развитие концепции Pelletron на сайте URL: http://www.pelletron.com/pellet.htm].

Скорость образования ионных пар в единице объема зависит от начальной энергии электронов в пучке Е₀ (МэВ), энергии ионизации одной пары ΔE_ion≈0,035 кэВ, концентрации молекул воздуха (плотность воздуха у поверхности земли ~1,3 кг/м³, что составляет ≈43 моль/м³) и величины тока ионизации [см., например, журнал Известия ВУЗов, Радиофизика, том XLV, №4, 2002 г., стр. 291-292, Расчет скорости ионизации]. Применительно к параметрам вышеперечисленных ускорителей Е₀≈14 МэВ, ток 50 мкА, скорость образования ионных пар оценивается величиной:

Увеличение турбулентности восходящего ионного потока в рабочем объеме достигается также разнонаправленностью электростатических полей излучателей системы коронирующих электродов и ускорителя элементарных частиц, работающих в импульсном режиме, путем переключения полярности питающего напряжения. Электростатические поля в рабочем объеме создаются за счет использования мобильного заземлителя второго полюса источника питания, выполненного из одиночных свайных винтовых труб, заглубленных в грунт и соединенных по параллельной лучевой схеме геометрии зонтика. Мобильный винтовой свайный элемент типа СВС-17/1650 представляет собой металлическую трубу с приваренной с одной стороны лопастью специальной конфигурации. С противоположной стороны трубы приваривается оголовок для подключения заземленного провода. Винтовые сваи могут оперативно вкручиваться в грунт и выкручиваться из него. Одновременно с переключением полюсов общего источника питания излучателей переключается и второй полюс источника, подключенный к заземлителю. Для переключения полюсов используют переключатель заземления - серийный образец типа В1007 (линейка изделий с напряжением до 450 кВ) фирма BOSS ENGINEERING CORPORATION (Campbell, California, см. Internet, http://www.ntnk.ru/rosindex.shtml).

Синхронизация излучателей достигается импульсным режимом работы: [см. Справочник по радиоэлектронике, том 2, под ред. А.А. Куликовского, М., Энергия, 1968 г., стр. 102. «Параметрическая накачка»]. Отношение частот выбирается равным отношению мощностей излучателей.

Ускорители элементарных частиц работают в импульсном режиме при длительности импульсов зондирования несколько мкс [см., например, «Устройство идентификации делящихся материалов». Патент RU №2393464, 2009 г.]. При соотношении концентрации ионов, создаваемых системой коронирующих электродов ≈10¹⁸ 1/с и линейного ускорителя ≈10²⁴ 1/с, длительности импульсов их включения должны соотноситься в пропорции ≈1:10⁵, т.е. длительность рабочего импульса системы коронирующих электродов должна составлять ≈100 с.

Циклограмма импульсной работы заявленного устройства иллюстрируется графиком фиг. 4. Накачка рабочего объема пучком высокоэнергетичных элементарных частиц, а также изменение полярности электростатических полей излучателей обеспечивает увеличение мощности и турбулентности восходящего конвективного потока. При превышении числа Ричардсона (градиента скорости теплового потока на концентрацию ионов) [см., например, Труды института прикладной геофизики им. академика К.Е. Федорова, РАН, М., Госгидромет, выпуск 90, 2011 г., т. 150, стр. 149] происходит выпадение осадков и сдвиг антициклонов.

Эффективность устройства характеризуется большой скоростью новообразования и, как следствие, сокращением интервала времени до выпадения осадков после включения установки.

Сравнительные характеристики инерционности ближайшего аналога и заявленного устройства иллюстрируются графиками фиг. 5.

Устройство инициирования осадков в атмосфере выполнено из двух разнородных источников ионизации молекул воздуха в охватываемом рабочем объеме, работающих поочередно в синхронизованном по мощности и времени импульсном режиме путем переключения полярности питающего напряжения высоковольтным переключателем общего источника питания в составе коронирующих электродов из радиальных проводов геометрического «зонтика», подвешенных на центральной опорной мачте из композитного материала и вспомогательных мачт растяжек радиальных проводов, соединенных по периметру окружности «зонтика», узла запитки коронирующих электродов от источника питания и линейного ускорителя элементарных частиц, размещенного возле центральной мачты, для бомбардировки молекул воздуха коллимированным пучком высокоэнергетичных элементарных частиц в вертикальной плоскости в составе секции инжекции и выходной секции, работающей в режиме регулировки энергии элементарных частиц и заземлителя питающего источника, выполненного из винтовых труб, заглубленных в грунт по параллельной лучевой схеме геометрии «зонтика».