СПОСОБ РАССЕИВАНИЯ ТУМАНОВ И ОБЛАКОВ Российский патент 1998 года по МПК A01G15/00 E01H13/00 

Предлагаемое изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для устранения туманов над аэродромами, морскими и речными портами, шоссейными магистралями, облачности в районах, требующих защиты сельскохозяйственных угодий от избыточных осадков.

Актуальность рассматриваемого направления разработок определяется необходимостью обеспечения безопасности транспортных средств различного назначения и создания благоприятных погодных условий для достижения высоких урожаев.

Проведенный информационный поиск по классам A 01 G 15/00, F 42 B 25/12, F 42 B 12/02, F 42 B 13/00 показал постоянный интерес, проявляемый в ведущих в техническом отношении странах, к способам и устройствам воздействия на атмосферные образования, объясняющийся, наряду с другими причинами, возникающими экономическими проблемами.

Согласно опубликованным данным (см. Journal Aireraft, N 2, vol 18, februal 1971) экономические потери из-за туманов только на аэродромах США в восьмидесятые годы составляли порядка 70 млн долларов с тенденцией их роста, вследствие интенсификации воздушных перевозок, до 180 млн долларов в год и более.

Неменьшие потери ожидают и в отношении морского и речного судоходства.

Такое положение связано с необходимостью закрытия аэропортов, морских и речных портов, так как при плотных туманах даже самые современные радиолокационные установки не способны обеспечить надежную и безопасную эксплуатацию перечисленных объектов.

Анализ опубликованных источников информации в рассматриваемой области дает представление о способах и устройствах, предназначенных для решения практических задач по рассеиванию туманов и облаков.

К главным направлениям такого воздействия, исходя из уровня техники по состоянию на настоящее время, следует отнести:
использование реагентов и средств их доставки;
применение электричества.

Наибольшее развитие перечисленные направления получили в США, Франции, причем в этих странах и в СССР, а позже Российской Федерации основное внимание уделялось различным реагентам, доставляемым и рассеиваемым в туманах и облаках самолетами (см. например, США, патент N 2815928, кл. A 01 G 15/00, опубл. 23.05.1978), снарядами (см. например, Российская Федерация, патент N 2034444, кл. 6 A 01 G 15/00, опубл. 10.05.1995).

В качестве реагентов предпочтение отдается таким веществам, как водный раствор хлористого кальция с загустителем (см. например, США, патент N 2934275, кл. A 01 G 15/00, опубл. 26.04.1960), смесь углеводов и хлора (см. например, США, патент N 2160900, кл. A 01 G 15/00, опубл. 06.06.1939 г.), йодистое серебро (см. например, США, патент N 2527230, кл. A 01 G 15/00, опубл. 24.10.1950) и др.

Применение тех или иных реагентов, хотя и является одним из самых надежных способов воздействия на облачность или туман, требует значительных материальных затрат, связанных с их производством в достаточно больших количествах и дефицитностью части реагентов, а также изготовлением и эксплуатацией средств доставки реагентов непосредственно в атмосферные образования.

Другим фактором, свидетельствующим о нежелательности использования некоторых реагентов, является их токсичность, отрицательным образом влияющая на экологию окружающей среды.

К наиболее перспективному направлению воздействия на туманы или облака с точки зрения экологии относится применение электричества.

Известны способы, в основу которых положено введение в атмосферные образования вместо реагентов коронирующих проводов с подачей на них электрического напряжения (см. например, СССР, авт. свид. N 71260, кл. A 01 G 1/00, опубл. 24.02.1947, США, патент N 3456880, кл. A 01 G 15/00, опубл. 22.07.1969).

Как и в случае использования реагентов, существенный недостаток указанных технических решений заключается в больших затратах, определяемых расходом топливно-энергетических ресурсов для транспортных средств, обеспечивающих доставку в атмосферные образования коронирующих проводов, что и послужило причиной отказа от их реализации.

В результате, учитывая несомненные преимущества способов воздействия на туманы или облака с помощью электричества и для устранения отмеченного недостатка, было обращено внимание на возможность размещения коронирующих проводов непосредственно у поверхности земли в зонах, где необходима постоянная защита от нежелательных проявлений туманов или облаков на те или иные объекты (например, аэродромы, шоссейные магистрали, площади, занятые посевными сельскохозяйственными культурами и т.д.).

Фундаментальные экспериментальные работы по применению стационарных коронирующих проводов осуществлены в США, а полученные результаты отражены в опубликованных материалах.

В основу работ положен способ рассеивания туманов или облаков, заключающийся в генерации с помощью установленных над поверхностью земли коронирующих проводов электрически заряженных частиц (см. Журнал геофизических исследований, т.67, N 3, март, 1962 г. стр.1073-1082).

Для получения электрически заряженных частиц, создающих в атмосфере пространственный (объемный) заряд, использовалась тонкая наэлектризованная проволока диаметром 0,04 см из нержавеющей стали. Она поддерживалась над поверхностью земли изоляторами, установленными на верхушках мачт.

Подачу напряжения до 50 кВ обеспечивал источник постоянного тока.

Возникновение коронного разряда на проводах зависит в основном от прилагаемого напряжения, влажности, атмосферного давления, кривизны поверхности провода. Он представляет собой высоковольтный самостоятельный электрический разряд. В воздухе при атмосферном давлении напряженность поля (Е), при которой начинается коронный разряд на проводе радиусом 1 см, равна 39 кВ/см (см. например, Капцов Н.А. Электроника, 2 изд. М.1956 г. Левитов В.И. Корона переменного тока, 2 изд. М. 1975 г.).

Внешне коронный разряд проявляется в виде свечения, охватывающего со всех сторон провод. В зонах выхода электронов происходит ионизация и возбуждение нейтральных частиц воздуха при их соударении с электронами.

Носители заряда электрически заряженные частицы выносятся из зоны ионизации во внешнюю зону и, распространяясь в атмосфере, участвуют в образовании пространственного заряда.

Генерируемые коронирующими проводами электрически заряженные частицы по мере продвижения в атмосфере захватывают молекулы воды, в результате чего происходит процесс конденсации влаги (см. например, Д. Хирс, Г. Паунд. Испарение и конденсация, пер. с английского. М. 1966 г. или Физический экциклопедический словарь. М. 1984 г. стр.308).

Распространению электрически заряженных частиц в атмосфере способствуют естественные приземные конвективные потоки, способствующие в конечном счете образованию в атмосфере пространственного электрического заряда Q.

Заряд Q создает внутри тумана или облака электрическое поле с напряженностью E.

В тумане и облаках до 40% капель являются заряженными, а заряды капель имеют положительные и отрицательные знаки (см. например, Красногорская Н.В. Электричество нижних слоев атмосферы и методы его измерения. Л. Гидрометеоиздат, 1972 г. 323 с.).

Электрическое поле пространственного заряда E наряду с описанными явлениями и силой F=qE (где q заряд капли), приводит в движение заряженные капли тумана или облака друг относительно друга и незаряженных капель.

Движение происходит как в микро-, так и в макромасштабах независимо от скорости перемещения в пространстве тумана или облака. С наибольшей скоростью под действием силы поля будут двигаться субмикронные частицы. В процессе движения субмикронные капли сталкиваются между собой, а также с каплями микронных размеров и коагулируются.

Растущие в процессе коагуляции капли при падении захватывают на своем пути большое количество заряженных и незаряженных капель, и разрушение тумана (облака) носит лавинный характер.

Процессы разрушения тумана или облака носят сложный характер и, в зависимости от сложившихся условий, в каждом конкретном случае имеет место преобладание одних явлений над другими, хотя их действие проявляется одновременно.

Замер величины искусственно создаваемого заряда при экспериментальных исследованиях осуществлялся с помощью самолетов, оборудованных специальными устройствами, и радиолокатора с индикатором кругового обзора. При замерах пространственный заряд обнаружен на протяжении нескольких километров, а его максимальная концентрация в 60 есм^-3 (где е заряд электрона) зафиксирована по направлению ветра, причем концентрация заряда прямо пропорциональна количеству электрически заряженных частиц от коронирующего провода, участвующих в его образовании.

Уместно отметить обнаруженное в процессе экспериментов важное обстоятельство, отражающее существенный недостаток рассматриваемого способа, заключающийся в том, что только доля электрически заряженных частиц, появляющихся в результате возникновения на проводе коронного разряда в прилегающем к нему слое воздуха, распространяется в атмосфере, а остальная их большая часть до 80% включая и легкие ионы, перетекает в землю (см. например, В. Брэдли, Р. Семонин. Влияние пространственного заряда на электролизацию атмосферы, заряд облаков и выпадение осадков. Журнал геофизических исследований; Издан Артур Д. Литл. Инк. Кембридж, Массачусетс, 1969 г, т.74, N 8, апрель, 15; Б.Боннегут, Г.Мур. Искусственное изменение атмосферного пространственного заряда. Журнал геофизических исследований, Артур Д. Литл. ИНК, Кембридж, Массачусетс, 1962 г. т.67, N 3, март, стр.1073-1082). Это явление объясняется направленностью напряженности электрического поля от коронирующих проводов к поверхности земли вследствие существующей разности электрических потенциалов между ними с учетом превышения потенциала проводов местного потенциала земли.

Бесполезная утрата электрически заряженных частиц, которые могли бы участвовать в создании искусственного пространственного заряда, влечет за собой уменьшение концентрации частиц в этом заряде и тем самым снижает эффективность воздействия на атмосферные образования.

Использование для создания коронирующего разряда проводов длиной даже в несколько километров в какой-то степени компенсирует потерю электрически заряженных частиц, уходящих в землю, но из-за их рассосредоточения на большой протяженности в одну линию не позволяет достичь существенного результата, что также является одним из недостатков способа в плане использования средств для его осуществления.

Вышеизложенное нашло свое подтверждение и в экспериментальных работах, когда был применен коронирующий провод один в 14 км, а другой в 45 км длиной. Полученные данные, в результате соответствующих измерений, засвидетельствовали воздействие электрического пространственного заряда, образованного электрически заряженными частицами от коронирующих проводов только на 18% облаков (см. например, В.Брэдли, Р.Семонин. Влияние пространственного заряда на электризацию атмосферы, заряд облаков и выпадение осадков. Журнал геофизических исследований, изд. Артур Д.Литл. ИНК, Кембридж, Массачусетс, 1969 г. т.74, N 8, апрель, 15).

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности рассеивания туманов и облаков путем увеличения количества электрически заряженных частиц, участвующих в формировании пространственного заряда в атмосфере.

Поставленная цель по сравнению с прототипом обеспечивается следующими отличительными признаками: в процессе генерации электрически заряженных частиц посредством заземленного проводника, который размещают над поверхностью проводов, обращенных в противоположную сторону от земли, создают электрический потенциал, равный местному потенциалу Земли, при этом в качестве проводов и проводника используют электропроводные сетки.

В развитие данного технического решения для усиления достигаемого положительного эффекта предлагаются следующие отличительные частные признаки изобретения:
в процессе генерации электрически заряженных частиц устанавливают направление ветра, после чего осуществляют возвратно-поступательное перемещение электропроводной сетки проводника в вертикальной плоскости относительно сетки коронирующих проводов и одновременно с наветренной стороны на расстоянии 100 300 м от сеток производят замер разности потенциалов между слоями атмосферы и поверхностью земли по значениям высот перемещения сетки проводника, а затем фиксируют сетку на высоте, соответствующей максимальной разности потенциалов, при изменении направления и скорости ветра, а также влажности воздуха регулирование высоты расположения электропроводной сетки проводника относительно сетки коронирующих проводов повторяют.

Заземленный проводник, в предложенном техническом решении размещаемый над поверхностью коронирующих проводов, обращенной в противоположную от земли сторону, служит для создания электрического потенциала, равного местному потенциалу земли за счет того, что в пространстве, занимаемом этим проводником, перестают наблюдаться какие-либо проявления напряженности электрического поля ввиду перетекания зарядов от проводника в землю, и разность потенциалов между ними будет равна нулю, то есть, другими словами, заземленный проводник обладает электрическим потенциалом, соответствующим местному потенциалу земли.

В то же самое время изолированность коронирующих проводов по отношению к Земле приводит к проявлению одинаковой разности потенциалов между проводами и Землей, а также проводами и заземленным проводником, в результате чего электрические заряженные частицы и образовавшиеся в окружающем ее пространстве ионы, в отличие от прототипа, распространяются к Земле и в сторону проводов более равномерно в количественном отношении.

Таким образом, заземленный проводник в предложенном техническом решении по своим электрическим свойствам является имитатором части поверхности Земли. Электрически заряженные частицы распространяются в атмосфере в зоне установки в большем объеме атмосферы по сравнению с прототипом, а следовательно, и большее их количество может быть вынесено в окружающее пространство проходящими через коронирующие провода воздушными потоками, вследствие чего и увеличивается концентрация зарядов в местах воздействия на туманы или облака.

Чем выше концентрация электрически заряженных частиц, тем существенней величина пространственного заряда, а следовательно, и напряженность поля в окружающем пространстве, прямо пропорционально влияющая при постоянном атмосферном давлении на подвижность частиц (см. например, Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич. Справочник по элементарной физике. М. ГИФМЛ, 1976 г. стр.147).

Как средство повышения концентрации электрически заряженных частиц в заявленном способе в качестве проводов используются электропроводные сетки, способные сосредоточить в единице объема атмосферы вследствие расположения проводов, не по линии, как в прототипе, а по площади, значительно больше количество частиц, способствуя тем самым выполнению поставленной цели. Расстояние между коронирующими проводами в сетке выбирается из условия максимального количества генерируемого коронирующими проводами заряда с единицы площади с учетом взаимного влияния полей коронирующих проводов друг на друга. В первом приближении значение величины этого расстояния равно зазору между коронирующими проводами и поверхностью Земли.

Появляется также возможность распределить отдельно взятые сетки относительно контролируемой зоны с учетом местного рельефа местности и с таким расчетом, чтобы установка не препятствовала эксплуатации защищаемых объектов, но в то же время обеспечивалось повышение концентрации в атмосфере электрически заряженных частиц.

Реализация предложенного способа по совокупности содержащихся в первом пункте формулы изобретения существенных признаков достаточно проста. Сетки проводов и проводника параллельно поверхности Земли устанавливают с зазором друг относительно друга в требуемом месте на столбах, изолируя первую из них от поверхности Земли, например, также, как и коронирующие провода при использовании способа по прототипу, и заземляя вторую.

Высота расположения сеток над Землей ограничивается высотой столбов, выпускаемых промышленностью, причем использование более высоких столбов предпочтительнее. Сетку коронирующих проводов подсоединяют к источнику постоянного тока, а сетку заземленных проводников с помощью электропроводных материалов соединяют с заземленным контуром. В качестве рекомендации расстояние между сетками выбирается согласно методу зеркальных изображений равным расстоянию от сетки проводов до поверхности Земли (см. например, Э.Г. Калашников. Электричество. М. ГИФМЛ, 1977 г. стр.66-67). Для повышения интенсивности генерируемого заряда по высоте столбов может быть установлено несколько рядов чередующихся друг за другом сеток коронирующих проводов и заземленных проводников. Конкретные конструктивные параметры установки определяются из условия равенства генерируемого коронирующими проводами и выносимого естественными или искусственными воздушными потоками электрического заряда из зоны установки в зону воздействия на туманы или облака.

Как было показано выше, потенциал заземленной сетки равен местному потенциалу Земли, и при коронировании сетки проводов после подачи на нее постоянного тока под напряжением, соответствующим напряжению зажигания коронного заряда, генерируемые электрические частицы, в отличие от прототипа, более равномерно распределятся в пространстве часть из них будет направляться в сторону поверхности Земли, а другая в противоположную сторону, несомненно большая, чем в прототипе, но, возможно, меньшая, чем указанная, расширяя тем самым область формирования объемного заряда в атмосфере и способствуя увеличению напряженности поля этого заряда, за счет чего и достигается поставленная цель. Вследствие того что величина тока коронного разряда практически обратно пропорциональна квадрату расстояния между коронирующими проводами и Землей, плотность электрически заряженных частиц в устройстве, реализуемом по предлагаемому способу, как минимум в четыре раза выше, чем по известному при одинаковой высоте столбов, подаваемому напряжению и длине коронирующего провода.

Учитывая то обстоятельство, что в силу сложности происходящих процессов, неоднородности возникающего электрического поля для конкретного устройства с определенными геометрическими размерами и с учетом изменяющихся параметров атмосферы, невозможно однозначно определить расстояние между сетками, обеспечивающее режим, который соответствовал бы максимально возможному выносу в обслуживаемую зону электрически заряженных частиц, предлагается производить регулирование расстояние между сетками от его первоначального положения как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения этого расстояния в процессе генерации сеткой проводов электрически заряженных частиц с учетом ветра, сносящего частицы по своему направлению.

Для усиления получаемого результата изобретения, охарактеризованного в первом пункте его формулы, в процессе генерации электрически заряженных частиц устанавливают направление ветра.

После этого осуществляют возвратно-поступательное перемещение электропроводной сетки проводника в вертикальной плоскости по отношению к неподвижной сетке коронирующих проводов и одновременно с наветренной стороны на расстоянии 100 300 м от сеток производят замер разности потенциалов между слоями атмосферы и поверхностью Земли по значениям высот перемещения электропроводной сетки проводника.

В этом частном техническом решении по заявленной совокупности существенных признаков, включенных в формулу изобретения, учитывается реальность происходящих явлений в окружающем сетки пространстве атмосферы, что и позволяет усилить конечный результат по повышению эффективности на туман или облака в любых условиях применения способа при конкретных параметрах устройства, используемого для его реализации.

Расстояние от сеток, на котором замеряют разность потенциалов электрического поля, образуемого с учетом генерируемых электрически заряженных частиц, практически неограниченно, но наиболее целесообразно это осуществлять на расстоянии не менее 100 300 м от сеток для того, чтобы уменьшить составляющую электрического поля, приходящуюся на собственный заряд сетки проводов без наличия коронного заряда, то есть обеспечить замер с большей точностью.

Разность потенциалов между пространственным зарядом, инициируемым в атмосфере электрически заряженными частицами и проводами сетки, и поверхностью Земли можно замерить на уровне сетки проводника по значениям высот ее перемещения посредством подъемного портативного зонда, соединенного с электрометром, устанавливаемым на автомобиле, из которого производится управление зондом на высоте его расположения относительно сетки. Разность потенциалов характеризует электрическое поле так же полно, как и напряженность, и ее легче измерить, чем напряженность поля (см. например, Элементарный учебник физики. Том 2. М. ГИФМЛ, 1985 г. стр.56 123).

На этом же автомобиле монтируется флюгер, для того чтобы определение разности потенциалов произвести с наветренной стороны.

Перемещение сетки в вертикальной плоскости обеспечивается путем монтажа на столбах поршневых гидроцилиндров (см. например, Е.И. Абралов. Элементы гидропровода. Киев, Техника, 1977 г. стр.293-299), среди которых имеются конструкции с поршнем, способным занимать фиксированные положения (см. например, Япония, заявка N 59-159405, кл. F 15 B 15/24, F 15 B 15/14, опубл. 10.09.1984), а также телескопические с увеличенным ходом поршня (см. например, Польская Народная Республика, патент N 123516, кл. F 15 B 15/16, опубл. 28.02.1985).

В случае изменения направления и скорости ветра, а также влажности воздуха операции по рассмотренному частному решению повторяют.

Вполне целесообразным является и непрерывное изменение расстояния между сетками в режиме автоматического регулирования путем постоянного отслеживания максимальной разности потенциалов. Правда, в этом случае, реализация способа усложняется введением регулирования положения сетки проводника в зависимости от замеренной разности потенциалов (см. например, И. П. Норенков. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. М. Высшая школа, 1980 г. 384 с.).

Исходя из вышеизложенного можно сделать заключение о том, что выявленные сравнительно с прототипом существенные признаки, в совокупности с известными, позволяют простыми средствами, не требующими больших экономических затрат, повысить эффективность способа рассеивания туманов и облаков путем увеличения количества электрически заряженных частиц, участвующих в формировании пространственного заряда в атмосфере.

Использование: прикладная метеорология, в частности для рассеивания туманов над аэродромами, морскими и речными портами, транспортными магиcтралями, а также для рассеивания облаков при защите сельскохозяйственных угодий от избыточных осадков. Сущность изобретения: над коронирующими проводами, выполненными в виде электропроводных сеток, размещают заземленный проводник, на котором создают электрический потенциал, равный местному потенциалу Земли. Проводник выполнен в виде электропроводной сетки. Во время генерации сетками электрически заряженных частиц устанавливают направление ветра, после чего заземленную сетку перемещают в вертикальной плоскости до высоты, соответствующей максимальной разности потенциалов между слоем атмосферы и поверхностью Земли. 2 з. п. ф-лы.

1. Способ рассеивания туманов и облаков, заключающийся в генерации с помощью установленных над поверхностью Земли коронирующих проводов электрически заряженных частиц, отличающийся тем, что в процессе генерации частиц посредством заземленного проводника, который размещают над поверхностью проводов, обращенных в противоположную сторону от поверхности Земли, создают электрический потенциал, равный местному потенциалу Земли, при этом в качестве проводов и проводника используют электропроводные сетки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе генерации устанавливают направление ветра, после чего осуществляют возвратно-поступательное перемещение электропроводной сетки проводника в вертикальной плоскости относительно сетки коронирующих проводов и одновременно с наветренной стороны на расстоянии 100 300 м от сеток производят замер разности потенциалов между слоями атмосферы и поверхностью Земли по значениям высот перемещения электропроводной сетки проводника, а затем фиксируют сетку на высоте, соответствующей максимальной разности потенциалов. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что при изменении направления и скорости ветра, а также влажности воздуха регулирование высоты расположения электропроводной сетки проводника относительно сетки коронирующих проводов повторяют.