СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА АТМОСФЕРЫ Российский патент 1998 года по МПК A01G15/00 

Изобретение относится к метеорологии, а именно к активным воздействиям на погоду, и может быть использовано в интересах сельского хозяйства и города.

К способам изменения температуры воздуха атмосферы относится нагрев воздуха путем сжигания в нем горючих веществ. Такой способ применялся, в частности, для рассеяния тумана в аэропорту [1]. Горючее сжигалось при работе на земле авиационных двигателей. В данном способе нагрева отношение количества тепла, поступившего в атмосферу, к энергозатратам на нагрев равно единице.

Недостатками способа являются большие энергозатраты на нагрев единичного объема воздуха, загрязнение атмосферы продуктами горения, невозможность понижения температуры воздуха.

Целью изобретения является снижение удельных энергозатрат на нагрев, расширение диапазона изменения температуры воздуха и устранение загрязнения атмосферы. Управление изменением температуры осуществляется путем изменения распределения электростатического потенциала в приземном слое атмосферы, которое достигается, в частности, инжекцией в атмосферу электрических зарядов.

Способ основан на следующих сведениях в области физики атмосферы и теоретических построениях.

1. Известно, что значение температуры воздуха и ее изменения отражают вариации мощностей поступления в атмосферу и оттока из нее тепла. Средняя мощность поступления тепла в атмосферу на единицу площади вертикального столба (Р = 185 Вт/м²) складывается из трех частей:
Р = 88 Вт/м² - из тепла, выделяющегося при конденсации пара на аэрозольные частицы,
Р = 80 Вт/м² - из мощности поглощенной в атмосфере солнечной волновой радиации,
Р = 17 Вт/м² - из тепла, поступающего в атмосферу через турбулентный обмен с земной поверхностью [2].

2. Между земной поверхностью и ионосферой существует электрическая разность потенциалов около 3•10⁵ В, под действием которой в атмосфере течет вертикальный ток проводимости средней плотности j = 3•10^-12 А/м² [3]. Ток проводимости формируется
из отрицательных ионов, стекающих с земной поверхности,
из положительных ионов,перемещающихся вниз из ионосферы и
из ионных пар, возникающих в атмосфере при ионизации воздуха коротковолновой и корпускулярной радиацией внеземного происхождения.

3. Согласно модели атмосферного электричества, построенной с учетом экранирования электростатического поля нейтральной материей [4], тропосфера объемно заряжена отрицательно, причем плотность отрицательного объемного заряда падает по абсолютной величине с высотой от приземного значения до значения в ионосфере по экспоненциальному закону. Определенная на основании эмпирических данных толщина слоя воздуха, ослабляющего электрическое поле в е раз, составляет в приземном слое атмосферы примерно 4•10² м [4].

4. Аэрозольные частицы возникают в атмосфере и вырастают на ядрах конденсации [5].

5. Ион, попадая в атмосферу, через доли секунды превращается в аэрозольную частицу радиусов r_a = 10^-9 - 10^-8 м [6].

6. Согласно модели Томсона рост аэрозольной частицы на ионе в атмосфере возможен лишь при пересыщении воздуха паром более чем в 2 раза в диапазоне радиусов r_a = 10^-10 - 10^-9 м из-за большой кривизны поверхности частицы [7].

Противоречие модели Томсона экспериментальным данным [6] дало основание для построения новой модели роста аэрозольной частицы на ионе. В модели учтены диполь-дипольные взаимодействия молекул воды и повышенная вероятность образования радиально направленных полимерных цепочек молекул в электрическом поле иона. В отличие от модели Томсона новая модель допускает рост аэрозольной частицы в условиях недонасыщения воздуха паром, причем динамически равновесное значение дефицита влажности оказывается обратно пропорциональным радиусу частицы. Таким образом, препятствия для роста аэрозоля на ионах в атмосфере устраняются.

Новая модель роста аэрозоля на ионах позволила отождествить постоянно присутствующие в атмосфере ядра конденсации с обводненными ионами проводимости и связать мощность конденсационного тепла, поступающего в единицу объема атмосферы, с плотностью вертикального тока проводимости атмосферы соотношением
Р₁ = е^-1jm_aR, (1)
где m_a - средняя масса аэрозольной частицы, выросшей на ионе;
е - заряд иона;
R - удельная теплота конденсации пара.

Поскольку динамически равновесное значение температуры воздуха находится в некоторой прямой зависимости от мощности выделяющегося в воздухе тепла Т = f (P, ...), то ввиду (1) изменение плотности тока проводимости атмосферы на заданной территории приведет к изменению температуры воздуха

причем повышение температуры воздуха происходит при увеличении плотности тока проводимости, а понижение температуры - при его снижении. Плотность тока проводимости пропорциональна разности потенциалов приземного слоя воздуха φ_з и ионосферы φ_i [3]

где - средняя электрическая проводимость по вертикальному столбу ионосферы высотой Н единичного сечения. Из (3) и (2) следует, что путем изменения потенциала приземного слоя воздуха можно изменять температуру воздуха за счет увеличения или уменьшения мощности выделения конденсационного тепла.

Максимально возможное понижение температуры заявляемым способом определяется из условия

что соответствует понижению действующей температуры на 130^oС. Возможности повышения температуры ограничиваются количеством имеющегося пара и скоростью его притока с земли.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом. На некоторой высоте h над земной поверхностью на площади, размеры которой сравнимы с радиусом экранирования электростатического поля [4] (400 м) или превышают его, создают электрический потенциал, отличающийся от потенциала земной поверхности. Между плоскостью на высоте h и ионосферой устанавливается разность потенциалов φ_i-φ_h,, которая создает электрический ток проводимости
J ~ (φ_i-φ_з). (6)
Для увеличения тока проводимости через атмосферу потенциал φ_h устанавливают более отрицательным, чем потенциал земной поверхности; для уменьшения тока проводимости потенциал на высоте h устанавливают более положительным, чем на земле. В первом случае мощность выделения тепла конденсации возрастает, во втором - падает. Соответственно этому при более отрицательном потенциале на высоте h относительно земли температура атмосферного воздуха возрастает, а при более положительном потенциале - температура воздуха падает.

На фиг. 1 показано изменение метеорологической дальности видимости (МДВ) в результате увеличения температуры воздуха согласно заявленному способу в ходе экспериментальных работ; на фиг. 2 - зона отсутствия осадков в поле осадков, связанная с увеличением температуры воздуха.

Примеры конкретной реализации.

Для реализации способа используют устройство для введения объемного заряда в атмосферу [8]. Устройство представляет собой сеть проводов, натянутых горизонтально или наклонно на высоте 6 м и более на площади 100 х 100 м. На провода подают высокий постоянный потенциал, знак которого зависит от желания поднять или понизить температуру воздуха. Для поднятия температуры на провода подают отрицательный относительно земли потенциал. При этом между проводом и атмосферой возникает электрический ток, в результате которого естественный объемный заряд в приземном слое воздуха до сотен метров становится более отрицательным, и ток проводимости атмосферы увеличивается. В итоге непрерывной работы устройства в течение часов или суток добиваются изменения средней температуры воздуха в радиусе до 100 км на 5-10^oС при потенциалах на проводе U ≥ -160 кВ.

Для понижения температуры воздуха на провода устройства подают положительный постоянный потенциал. Ток в атмосферу при работе описанного устройства J порядка 2 мА, что равно естественному току проводимости атмосферы на площади круга радиусом 30 км.

Известно, что изменение температуры приводит к нарушению естественного хода метеорологических процессов. В частности, повышение температуры способно привести к рассеянию тумана, к приостановке выпадения осадков и т.д., а понижение температуры - к образованию или усилению осадков, возникновению тумана. В связи с этим с 1988 по 1993 г. под Москвой были выполнены серии воздействий на атмосферу заявленным способом с целью
рассеяния туманов,
прекращения или стимуляции осадков,
ослабления циклонической активности.

Ниже приводятся результаты трех рядовых воздействий.

1. Объектом воздействия был ночной туман в одном из подмосковных аэропортов. Устройство располагалось на летном поле. Ночью с 31.01.92 на 01.02.92 в 23 ч 00 мин в аэропорту и его окрестностях возник туман с видимостью 150 м (фиг. 1). Прогноз погоды не обещал рассеяния тумана до утра. В полночь включили устройство в режиме увеличения плотности отрицательного заряда (1) в атмосфере. Через 3 мин метеорологическая дальность видимости (МДВ) стала расти и через 30 мин достигла 2000 м. В 00 ч 30 мин устройство было выключено. Через 10 мин МДВ упала до значения 70 м. В 00 ч 40 мин устройство было включено вновь. МДВ к 03 ч 00 мин вновь превысилась до 2000 м и более не снижалась.

2. Устранение осадков вследствие повышения температуры воздуха.

01 и 02.07.93 погода в центральных районах России определялась циклоном, проходящим южнее Москвы. Во всей европейской части России выпадали моросящие и ливневые осадки с приблизительно равномерным распределением. Вечером 01.07.93 под Москвой включили устройство в режиме введения отрицательного объемного заряда. Устройство проработало 1,5 сут. На фиг.2 представлена карта распределения осадков Гидрометеоцентра с 07 ч 02.07 по 07 ч 03.07.93. На карте: в поле осадков (заштрихованные территории) возник коридор их отсутствия, вытянутый от Москвы в направлении воздушного переноса на Юго-Восток. Ширина коридора 150 км, длина 700 км. В зоне отсутствия осадков температура воздуха была на 5-8^oС выше, чем в зоне осадков.

3. Увеличение осадков как следствие искусственного понижения температуры воздуха предлагаемым способом.

По прогнозам Росгидрометцентра погода в Москве и Московской области с 13.09.93 по 17.09.93 ожидалась с незначительными осадками и без перемен. Среднее количество осадков в Москве и области в этот период составляло 1 мм в сутки. Днем 14.09.93 с подмосковной установки был создан ток в атмосферу, соответствующий переходу в атмосферу положительного заряда в течение 12 ч (J = 5•10^-4 A), то есть установка работала в режиме понижения температуры воздуха. В ночь с 14.09.93 на 15.09.93 и в первую половину дня 15.09.93 количество осадков в Москве составило 6 мм, а во вторую половину дня 16 мм. Температура воздуха понизилась на 8^oС. За сутки в области выпало более 20 мм осадков. 16.09.93 и 17.09.93 осадки в Москве и Московской области вновь вернулись на уровень 1 мм в сутки. Радиус зоны повышенного количества осадков составил примерно 100 км.

Отношение мощности тепловыделения при конденсации воды на ионах тока J устройства к мощности энергозатрат при его работе составляло

где m_a - массы частиц, до которых они вырастают в атмосфере за счет конденсации пара [9].

Ионы тока, создаваемого устройством, после нейтрализации превращаются в молекулы воздуха и не загрязняют атмосферу.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978, с.257-271.

2. Будыко М.И. Атмосфера земли. Физическая энциклопедия, т.1. - М.: Советская энциклопедия, 1988, с.133.

3. Чалмерс Дж.А. Атмосферное электричество. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974, с.175-193.

4. Похмельных Л.А. Электрическое и магнитное квазистатические поля биосферы в функции параметров космоса. - В сб. Современные проблемы изучения и сохранения биосферы, т.1. - С.-П.: Гидрометеоиздат, 1992, с.161-175.

5. Деннис А. Изменение погоды засевом облаков. - М.: Мир, 1983.

6. Стыро Б.И., Орлова Н.В. Об определении размеров частиц аэрозолей, полученных в сухом обеспыленном воздухе при распаде радона. - Физика атмосферы и океана, 1971, т.VII, N 8, с.917.

7. Сак С.Х., Чен Т.С., Эммонс Р.У. и др. Роль ионов в гетеромолекулярной нуклеации: измерение свободной энергии гидратированных свободных кластеров. - В сб. Гетерогенная химия атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986.

8. Похмельных Л.А. Устройство для создания объемного заряда в атмосфере. Патент РФ N 2036577, 1995.

9. Мазин И.П., Шметер С.М. Облака: строение и физика образования. - Л.: Гидрометеоиздат, 1983, с.148.

Способ изменения температуры воздуха атмосферы может быть использован для изменения погоды. Способ заключается в усилении или ослаблении выделения тепла при конденсации водяного пара на ионах проводимости атмосферы. Изменение тепловыделения осуществляется изменением тока проводимости через атмосферу. Создавая на некоторой высоте от земной поверхности отрицательный относительно нее электрический потенциал, увеличивают ток проводимости через атмосферу и тем самым увеличивают температуру воздуха. Создавая там более положительный потенциал, понижают температуру воздуха, 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ изменения температуры воздуха атмосферы, заключающийся в усилении или ослаблении процесса конденсации атмосферного водяного пара на ионах проводимости атмосферы, отличающийся тем, что в приземном слое атмосферы на площади создают электрический потенциал, отличный от потенциала земной поверхности. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрический потенциал создают электрическим током с проводов в атмосферу, переносящим в воздух отрицательный или положительный заряд. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для повышения температуры воздуха создают более отрицательный потенциал относительно земной поверхности. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для понижения температуры воздуха создают положительный потенциал относительно земной поверхности.