Способ формирования конвективной облачности и устройство для формирования конвективной облачности

Способ формирования конвективной облачности и устройство для формирования конвективной облачности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для активного воздействия на атмосферу с целью искусственного формирования конвективной облачности.

В патентах RU №2357404, №2175185, №2061358 описаны способы воздействия на облака, основанные на искусственной конденсации паров воды путем использования специальных веществ (реагентов). Доставка реагентов и их распространения в облачности осуществляется с самолетов (см., например, патент США №2815928, МПК A01G 15/00, опубликованный 10.12.1957 г.), с помощью ракет (см., например, авторское свидетельство СССР №576839, МПК A01G 15/00), снарядов (см., например, Российская Федерация, патент №2034444, МПК 6 A01G 15/00, опубликованный 10.05.1995 г.).

В авторском свидетельстве СССР №71260 и патенте США №3456880 описаны способы электрического воздействия на облака. Эти способы основаны на доставке в аэрозольное облако коронирующих проводов, соединенных с источником высокого напряжения, что предопределяет большие затраты ресурсов и не всегда осуществимо по погодным условиям.

Известны способы воздействия на атмосферу, основанные на распространении ионизированного воздуха, путем обдува воздушным потоком коронирующих электродов, установленных у поверхности земли (см. авторское свидетельство СССР №29675, МПК A01G 15/00, опубликованное в 1948 г., а также устройство для разрушения тумана (см. опубликованную заявку ФРГ №4005304, МПК Е01Н 13/00)).

Известен способ активного воздействия на конвективные облака для увеличения осадков, при котором на конвективные облака с помощью распылителей воздействуют каплями жидких гигроскопических веществ с размерами (диаметрами) капель в диапазоне от 10 до 100 мкм (патент GB 1320679 , 20.06.1973; патент RU 2295231 С1). Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований показали высокую эффективность известных методов. Однако для реализации известного метода необходимо иметь уже сформированное облако.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ рассеивания тумана (пат. 2422584 РФ, МПК Е01H 13/00 (2006.01), A01G 15/00 (2006.01), заключающийся в определении направления распространения тумана относительно защищаемого объекта и последующей генерации коронного разряда ориентированным потоком электрически заряженных частиц, причем генерацию осуществляют с наветренной относительно защищаемого объекта стороны потоком заряженных частиц, ориентированным в сторону, направленную на защищаемый объект.

Известный способ позволяет путем генерации на большой территории направленного вверх ионного ветра формировать восходящие воздушные потоки. В условиях неустойчивой атмосферы известный способ может инициировать мощный восходящий воздушный поток и сформировать конвективное облако.

В описании способа рассеивания тумана (пат. 2422584 РФ, МПК Е01H 13/00 (2006.01), A01G 15/00 (2006.01) раскрыты также и технические средства, позволяющие реализовать известный способ, включающие установленные электрически изолированно с зазором относительно заземленной конструкции коронирующие электроды, электрически соединенные с высоковольтным источником питания. Вместе с тем, для формирования конвективного облака необходимо, чтобы в процессе подъема содержащаяся влага в восходящем воздушном потоке конденсировалась. Это позволило бы использовать энергию, содержащуюся в парах воды увлажненного приземного слоя воздуха, для создания мощных восходящих воздушных потоков. Как известно, конденсация паров воды в условиях малых пересыщений возможна только при наличии облачных ядер конденсации. Концентрация аэрозольных частиц, содержащихся в реальной атмосфере, способных конденсировать на себе влагу в условиях незначительных пересыщений, не всегда имеется в достаточном количестве. Образующиеся же вследствие коронного разряда аэрозольные частицы имеют нанометровый размер и смогут развиться до размеров облачных ядер конденсации в условиях реальной атмосферы только в течение длительного времени (от десятка минут до нескольких часов). В значительной степени они смогут развиться до размеров облачных ядер конденсации в условиях повышенной концентрации содержащихся в воздухе паров серной кислоты и различных органических соединений. (См., например, Almeida, et. al. Molecular understanding of sulphuric acid-amine particle nucleation in the atmosphere. - Nature. - Vol. 502. - 2013. - P. 359-363). Таким образом, эффективность реализации известного способа и устройства ограничена вероятностью наличия в атмосфере повышенной концентрации аэрозольных частиц, способных в условиях незначительного повышения пересыщения влаги служить облачными ядрами конденсации.

Целью предполагаемого изобретения является повышение вероятности формирования конвективной облачности.

Для достижения заявленной цели в известном способе воздействия на атмосферу, заключающемся в определении направления движения ветровых воздушных потоков относительно области планируемого воздействия с последующей генерацией в объеме воздушного потока, проходящего через область планируемого воздействия, коронного разряда, в процессе генерации коронного разряда в объем проходящего воздушного потока добавляют продукты горения аэрозолеобразующего состава;

Для реализации заявляемого способа известное устройство для воздействия на атмосферу, включающее установленные электрически изолированно с зазором относительно заземленной конструкции коронирующие электроды, электрически соединенные с высоковольтным источником питания, снабжено горелкой для сжигания аэрозолеобразующего состава, а заземленная конструкция выполнена в виде окружающих выходящие из сопла горелки продукты горения аэрозолеобразующего состава кольцевых концентрических электропроводящих элементов, при этом кольцевые концентрические электропроводящие элементы смонтированы с зазором друг относительно друга по конической образующей, расходящейся от сопла горелки для сжигания аэрозолеобразующего состава под углом не более 90° и не менее 20°.

Технический результат в предлагаемом техническом решении достигается тем, что инициированный ионным ветром, генерируемым коронным разрядом, воздушный поток насыщается адсорбирующим аэрозолем, образуемым в результате горения аэрозолеобразующего вещества. В результате конденсации пара на адсорбирующем аэрозоле выделяется теплота парообразования и воздух нагревается. Воздух становится более легким и начинает всплывать более интенсивно. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет использовать накопленную во влажном воздухе скрытую теплоту парообразования для формирования конвективного облака.

Реализация заявляемого способа воздействия на атмосферу следующая.

В области планируемого воздействия заблаговременно монтируются устройства для воздействия на атмосферу со средствами генерации коронного разряда и горелками для сжигания аэрозолеобразующего состава. Путем проведения сценарных расчетов определяют направления движения ветровых воздушных потоков относительно области планируемого воздействия. Расчеты могут быть проведены с использованием известных численных моделей (A Description of the Advanced Research WRF Version 3 / Skamarock W.C. [и др.], NCAR Technical Note, NCAR/TN-475+STR. Mesoscale and Microscale Meteorology Division, NCAR, Boulder, Colorado, USA. - 2008 г. - www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/arw_v3.pdf).

Определяют время, когда в области планируемого воздействия формируются условия вероятного образования восходящих воздушных потоков, и включают устройство для воздействия на атмосферу. Для определения условий возникновения конвекции могут быть использованы известные методики (см., например, П.Б. Руткевич, П.П. Руткевич. Конвективная неустойчивость в свободной атмосфере. - iki.rssi.ru>earth/articles06/voll-301-306.pdf). В установленное время включают устройства воздействия на атмосферу. Генерируемый коронным разрядом ионный ветер в условиях неустойчивой атмосферы и вероятного образования конвективной ячейки инициирует восходящий воздушный поток, насыщенный адсорбирующим аэрозолем, образуемым в результате горения аэрозолеобразующего вещества. Так как продукты горения аэрозолеобразующего состава добавляются в проходящий воздушный поток в процессе генерации коронного разряда, образуемый адсорбирующий аэрозоль насыщается электрическими зарядами и становится электрически заряженным. Помимо того что адсорбирующий аэрозоль сам обладает повышенной способностью конденсировать на себе влагу в условиях малых пересыщений, электрические заряды, локализующиеся на его поверхности, дополнительно повышают его конденсационную активность. В инициированном восходящем воздушном потоке вследствие адиабатического расширения понижается температура и повышается влажность. На электрически заряженных аэрозольных частицах конденсируется влага, в результате чего выделяется энергия парообразования, нагревающая восходящий воздушный поток. При достаточном количестве добавляемых в воздушный поток электрически заряженных адсорбирующих аэрозолей количество выделяемой энергии будет достаточно для того, чтобы в условиях неустойчивой атмосферы развить конвективную ячейку таких размеров, которая обеспечит устойчивое формирование конвективного облака. Количество устройств для воздействия на атмосферу, используемых для формирования конвективного облака на контролируемой территории, расстояние между ними, требования к их взаимному расположению на местности, интенсивность коронного разряда и требования к объему добавляемых в поток продуктов горения аэрозолеобразующего состава определяются в зависимости от конкретных гидрометеорологических и орографических условий местности. Могут быть использованы известные численные модели с добавлением блоков, описывающих микрофизические процессы, происходящие в восходящем воздушном потоке, насыщенном электрически заряженным адсорбирующим аэрозолем.

На фиг. 1 представлено устройство, реализующее предлагаемый способ воздействия. Устройство воздействия на атмосферу включает в себя горелку для сжигания аэрозолеобразующего состава с соплом 1. Коронирующие электроды 2, выполненные в виде остроконечных игл, закрепленных на кольцевых опорах 3 и 4, смонтированных с шагом h друг относительно друга концентрично вокруг выходного сопла горелки для сжигания аэрозолеобразующего состава 1 на изоляторах 5. Кольцевые опоры 3 и 4 монтируются по конической образующей, расходящейся от сопла горелки для сжигания аэрозолеобразующего состава, под углом α. Угол α устанавливается в диапазоне значений от 20° до 90°. Короиирующие электроды 2 соединены с высоковольтным источником питания, условно обозначенным на фиг. 1 знаком U. Заземленная конструкция выполнена в виде отстоящих друг от друга с шагом h кольцевых концентрических электропроводящих колец 6, 7 и 8, концентрично окружающих выходное сопло горелки для сжигания аэрозолеобразующего состава 1. Кольцевые электропроводящие элементы 6, 7 и 8 смонтированы с шагом h друг относительно друга и концентрично вокруг выходного сопла горелки для сжигания аэрозолеобразующего состава 1. Так же, как и кольцевые опоры 3 и 4, они смонтированы по конической образующей, расходящейся от сопла горелки для сжигания аэрозолеобразующего состава 1, под тем же углом α. При этом обеспечивается равенство расстояния между образующими конусов для кольцевых концентрических электропроводящих элементов 6, 7 и 8 и образующей кольцевых опор 3 и 4. Зазор между кольцевыми концентрическими электропроводящими элементами 6, 7 и 8 так же, как и между кольцевыми опорами 3 и 4, выбирается с шагом h. При этом кольцевые опоры 3 и 4, на которых выполнены коронирующие электроды 2, монтируются в промежутке, посередине между кольцевыми коцентрическими электропроводящими элементами 6, 7 и 8 на равноудаленном от них расстоянии. Таким образом, обеспечивается равенство зазоров между коронирующими электродами 2 относительно заземленной поверхности, образованной кольцевыми концентрическими электропроводящими элементами 6, 7 и 8. На фиг. 1 представлены две кольцевые опоры 3 и 4, на которых выполнены коронирующие электроды 2. В зависимости от конкретного выполнения конструкции количество опор может быть различным и определяется индивидуально для каждой конкретной горелки для сжигания аэрозолеобразующего состава 1. При этом необходимо, чтобы было обеспечено соответствующее количество кольцевых концентрических электропроводящих элементов.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В установленное время поджигается аэрозолеобразующий состав и одновременно на коронирующие электроды 2 через кольцевые опоры 3 и 4 подается высокое напряжение. Для горения аэрозолеобразующего вещества могут быть использованы различные известные технические устройства, использующие как известные пиротехнические составы, так и жидкостные горелки (см., например, генератор аэрозоля, описание которого представлено в патенте на полезную модель Ru 83685). Пиротехнический состав, который может быть использован для формирования в продуктах горения адсорбирующего аэрозоля, может быть весьма различен. Как правило, пиротехнический состав должен содержать следующие компоненты: окислитель (нитраты, хлораты или перхлораты аммония или щелочных (щелочноземельных металлов), горючее-связующее (фенолформальдегидные смолы, каучуки, полимерные соединения различной природы), технологическую добавку и непосредственно предназначенный для перевода в аэрозольное состояние реагент.

Пример известного состава для генерирования гигроскопического аэрозоля описан в патенте 005357865 А US, окт. 25.1994.

Для генерирования гигроскопического и льдообразующего аэрозоля могут быть использованы наземные жидкостные генераторы, в которых производится сжигание раствора активного вещества в горючем растворителе. Для генерирования льдообразующего аэрозоля состав рабочего раствора определяется в достаточно широком диапазоне:

и в случае генерирования гигроскопического аэрозоля:

В случае режима генерирования льдообразующего аэрозоля в качестве активного вещества используются соединения серебра. В настоящее время наиболее эффективным является пиротехнический состав для активного воздействия на переохлажденные облака и туманы (пат. 2551343 РФ, МПК С06В 29/22 (2006.01), A01G 15/00 (2006.01), C06D 5/06 (2006.01). Данный пиротехнический состав имеет следующие ингредиенты:

Выходящие из сопла горелки для сжигания аэрозолеобразующего состава 1 продукты горения аэрозолеобразующего состава выносят вверх адсорбирующий аэрозоль (на фиг. 1 показано стрелкой А).

При подаче высокого напряжения на коронирующие электроды 2 между коронирующими электродами 2 и заземленной поверхностью, образованной кольцевыми концентрическими электропроводящими элементами 6, 7 и 8, формируется мощное электрическое поле и зажигается коронный разряд. Значение напряжения высоковольтного источника питания выбирают, исходя из условий стойкости электроизоляционных характеристик изоляторов 5 и геометрических соотношений между коронирующим электродом 2 и заземленной поверхностью, руководствуясь известными соотношениями для коронного разряда (Н.А. Капцов. Электроника. – М.: Государственное издательство технико-технической литературы, 1956 г.).

При генерации коронного разряда формируется ионный ветер от коронирующего электрода к заземленному электроду. Скорость ионного ветра составляет значение порядка 1 м/с (Кулешов П.С. Экспериментальное изучение взаимодействия коронного разряда и испарения воды. - http://stroycab.ru/punishment-spbcap72-1.perl; Рогов И.А. [и др.]. Моделирование процесса движения капли конденсата влажного воздуха в электрическом поле // Холодильщик. RU: Интернет газета, вып. 10. - 2005 г. - http:/www.holodilshchik.ru/index_holodilshchik_best_article_issue_10_2005.htm.).

Ионный ветер направляет воздух из окружающего пространства к оси выходного сопла горелки для сжигания аэрозолеобразующего состава 1, смешивается с выходящими продуктами горения, насыщает их электрическими зарядами и способствует их дальнейшему подъему вверх. Путем выбора угла конической образующей α, по которой смонтированы заземленные кольцевые концентрические электропроводящие элементы 6, 7 и 8, регулируют степень насыщения продуктов горения аэрозолеобразующего состава электрическими зарядами. С увеличением угла α большая часть энергии ионного ветра используется для формирования восходящего воздушного потока. Содержащийся в продуктах сгорания аэрозолеобразующего состава адсорбирующий аэрозоль насыщается электрическими зарядами. Электрически заряженный адсорбирующий аэрозоль вследствие высокой температуры и увлечения ветровым потоком, сформированным ионным ветром, поднимается вверх. В восходящем воздушном потоке вследствие адиабатического расширения, понижается температура и повышается влажность. На электрически заряженных аэрозольных частицах конденсируется влага, в результате чего высвобождается энергия парообразования, нагревающая восходящий воздушный поток. При достаточном количестве добавляемых в воздушный поток электрически заряженных адсорбирующих аэрозолей количество выделяемой энергии будет столь значительно, что в условиях неустойчивой атмосферы сможет развить конвективную ячейку таких размеров, которая обеспечит формирование конвективного облака.

Эффективность реализации известного способа и устройства ограничена вероятностью наличия в атмосфере повышенной концентрации аэрозольных частиц, способных в условиях незначительного повышения пересыщения влаги служить облачными ядрами конденсации. В предлагаемом техническом решении восходящий поток наполняется контролируемой, наперед заданной концентрацией аэрозолей. И не просто повышенной концентрацией аэрозолей, а электрически заряженными адсорбирующими аэрозолями, способными в условиях незначительного пересыщения влажности конденсировать на себе пары воды и высвобождать энергию парообразования для формирования мощных восходящих потоков, что повышает вероятность формирования конвективной облачности и позволяет достичь цели предполагаемого изобретения.

Таким образом, предложенное техническое решение благодаря новым, ранее неизвестным признакам в сочетании с известными признаками позволяет увеличить интенсивность испарения воды с прилегающих к контролируемому участку водоемов, насытить влагой проходящий воздушный поток, что обеспечивает повышение вероятности формирования конвективной облачности и позволяет добиться цели предлагаемого изобретения.

Изобретение создано при поддержке РФФИ: проекты №14-08-00836 и №15-08-04724.

1. Способ формирования конвективной облачности, заключающийся в определении направления движения ветровых воздушных потоков относительно области планируемого воздействия с последующей генерацией в объеме воздушного потока, проходящего через область планируемого воздействия, коронного разряда, отличающийся тем, что в процессе генерации коронного разряда в объем проходящего воздушного потока добавляют продукты горения аэрозолеобразующего состава.

2. Устройство для формирования конвективной облачности, включающее установленные электрически изолированно с зазором относительно заземленной конструкции коронирующие электроды, электрически соединенные с высоковольтным источником питания, отличающееся тем, что снабжено горелкой для сжигания аэрозолеобразующего состава, а заземленная конструкция выполнена в виде окружающих выходящие из сопла горелки продукты горения аэрозолеобразующего состава кольцевых концентрических электропроводящих элементов.

3. Устройство для формирования конвективной облачности по п. 2, отличающееся тем, что кольцевые концентрические электропроводящие элементы смонтированы с зазором друг относительно друга по конической образующей, расходящейся от сопла горелки для сжигания аэрозолеобразующего состава под углом не более 90° и не менее 20°.