СПОСОБ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АТМОСФЕРНЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК A01G15/00 E01H13/00 

Предлагаемое изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для обеспечения безопасности эксплуатации авиавоздушных и автомобильных транспортных средств путем ликвидации низкой облачности над аэродромами, устранения над ними и над шоссейными дорогами туманов, защиты сельскохозяйственных угодий от избыточных осадков.

Всесторонний анализ патентной и научно-технической информации позволил выявить два наиболее распространенных направления активного воздействия на метеорологические образования.

Одно основано на применении различных по составу веществ, например аэрозолей, доставляемых непосредственно в нежелательные метеообразования с целью их нейтрализации перед охраняемой зоной с помощью снарядов, ракет и авиации, а другое - на использовании коронирующих проводов в качестве источника генерации электрически заряженных частиц.

Применение аэрозолей, как показала практика, достаточно эффективно (см. например, Бибилашвили и др. Руководство по организации и проведению противоградовых работ. Л.: Гидрометеоиздат. 1981, но требует постоянных материальных затрат, обусловленных не только проектированием снарядов, ракет (см.,например, В.Д. Куров, Ю.М. Должанский. Основы проектирования пороховых ракетных снарядов. ГНТИ. М.: Оборонгиз, 1961, но и изготовлением самих снарядов, ракет, пусковых установок для них, а также аэрозолей. Велики и эксплуатационные расходы по обслуживанию пусковых установок, доставке снарядов или ракет к местам их применения, обеспечению безопасности проводимых работ (см., например, М. Т. Абшаев, В. А. Клигер, Методические указания по применению противоградового комплекса "Кристал" для активных воздействий на гидрометеорологические процессы. Л.: Госкомиздат, 1989).

Привлечение авиации для распыла аэрозолей несколько снижает затраты, но не при всех погодных условиях возможно ее применение, а это срывает выполнение поставленной задачи.

Кроме того, имеет место, как существенный недостаток, заметное ухудшение экологии окружающей среды из-за выпадения на землю вредных веществ, содержащихся в аэрозолях (см., например, Политехнический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1980, 41).

С экономической и экологической точек зрения, таким образом, наиболее целесообразным и перспективным является применение технических решений, в основу функционирования которых положено генерирование коронирующими проводами электрически заряженных частиц. Так из достигнутого уровня техники в этой области известны изобретения, позволяющие осуществить введение в слои атмосферы коронирующих проводов с подачей на них электрического напряжения (см. например, авторское свидетельство N 71260, кл. A 01 G 15/00, 1947, патент США N 3456880, кл. A 01 G З/00; E 01 H 13/00, 1969).

Суть указанных изобретений заключается в подъеме коронирующих проводов на уровень нахождения в атмосфере перенасыщенного водяными парами воздуха с целью образования дождевых капель путем ионизации окружающего воздуха и создания сильного электрического поля.

Основными их недостатками являются невозможность использования во многих случаях проявления метеообразований (туман, предупреждение выпадания дождя), необходимость подъема коронирующих проводов на определенную высоту, что неизбежно приводит к большим затратам топливо-энергетических ресурсов, зависимость осуществимости подъема проводов от погодных условий.

Известен способ активного воздействия на метеорологические образования (см. например, Л. Г. Качурин, Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Л.: Гидрометеоиздат, 1973, 287 - 293), лишенный указанных недостатков. Способ заключается в генерации коронирующими проводами управляемого потока электрически заряженных частиц. Причем управляемость потока, как следует из указанного источника информации, характеризует изменение его интенсивности в зависимости от прилагаемого к проводам значения величины электрического напряжения, а также его полярности.

Известный способ позволяет воздействовать на метеорологические образования непосредственно с земли, но при всей очевидности имеющихся преимуществ перед ранее рассмотренными техническими решениями данный способ имеет и недостаток. Поток электрически заряженных частиц целенаправленно не затрагивает пространство, простирающееся вдоль поверхности земли в горизонтальной плоскости зоны, защищаемой от нежелательных метеорологических образований, что ограничивает при реализации способа защищаемую площадь и затягивает по времени достижение желаемого результата, снижая тем самым эффективность воздействия на метеорологические образования.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности активного воздействия на метеорологические образования путем интенсификации процессов в окружающем коронирующие провода атмосферном воздухе приземного пространства.

Поставленная цель достигается следующей новой совокупностью существенных признаков в отличие от принятого за прототип способа активного воздействия на метеорологические образования, которая заключается в том, что одновременно с началом процесса генерации потока с помощью вспомогательных проводов производят относительно управляемого потока генерацию дополнительных управляемых потоков электрически заряженных частиц, взаимодействующих через окружающий атмосферный воздух с управляемым потоком.

В качестве частных признаков заявляемого технического решения, учитывающих естественное перемещение воздушных масс атмосферы и усиливающих ожидаемый положительный эффект, предлагаются следующие:
в процессе генерации потоков устанавливают направление наземного ветра, после чего ориентируют один из дополнительных потоков по направлению ветра с наветренной стороны на управляемый поток, а при изменении направления ветра соответствующим образом производят изменение расположения генерации дополнительного потока;
одновременно с началом процесса генерации управляемого потока генерацию дополнительных потоков электрически заряженных частиц осуществляют вокруг управляемого потока по румбам розы ветров для данной местности, при этом в случае отклонения ветра от румба ориентацию по направлению ветра на управляемый поток производят для наиболее близко расположенного к этому румбу дополнительного потока;
после установления направления наземного ветра прекращают генерацию дополнительных потоков с противоположной стороны от направления ветра и вновь возобновляют при изменении его направления.

Рассмотрение процессов, происходящих при реализации заявленного способа как объекта изобретения, основывается на накопленных знаниях, представленных в научно-технической литературе (см., например, А.С. Барков, Словарь-справочник по физической географии. ГУПИ МП РСФСР. М., 1948, с. 42, 65, 184, 185, 267; В. Григорьев, Г. Мякишев. Силы в природе. ГРФМЛ. М.: Наука, 1983; Э.Г. Калашников. Электричество. ГРФМЛ, М.: Наука, 1977; ERIC M ROGERS "PHYSICS FOR THE INQUIRING MIND" SECTION "ELECTRICITX MAQNETISM ATOMS NUCLEI" PRINCETON, NEW JERSEY PRINCETON UNIVERSIY PRESS, 1966; А.И. Китайгородский. Электроны. Кн. 3. ГРФМЛ. М.: Наука, 1962; Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. Справочник по физике. ГРФМЛ, М.: Наука, 1985, с. 147 - 191, с. 216 - 219; Политехнический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1980, с. 453, 474, 564; Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1984, с. 17, 35, 77, 81, 138, 228 - 231, 334, 649; А.А. Ромазов, Ю.Г. Сахарулидце. Модель сезонно-широтных вариаций плотности атмосферы Земли на высотах 0 - 150 км. Космические исследования, 1980, N 2, с. 219 - 227; А.А. Ромазов, Ю.Г. Сахарулидзе, А. С. Соматохин. Сезонно-широтная и суточная модель поля ветров в атмосфере Земли на высотах 0 - 150 км,. Космические исследования, 1982, N 1, с. 55 - 64; Н.В. Красногорская, Электричество нижних слоев атмосферы и методы его измерения. Л.: Гидрометеоиздат, 1972, с. 323).

В связи с тем, что предложенное изобретение непосредственно касается процессов и явлений, наблюдающихся в тропосфере, целесообразно кратко изложить наиболее существенные свойства тропосферы и характерные для нее метеообразования, необходимые в дальнейшем для объяснения сути заявленного способа.

Основные метеорологические образования (туманы, облачность) и явления (выпадение осадков, ветры), связанные с погодой, наблюдаются в тропосфере-слое воздуха, прилегающего к земле. Высота тропосферы колеблется в пределах от 7 до 8 км над полюсом йот 16 до 18 км над экватором. В средних широтах ее высота составляет около 11 км. Температура воздуха в тропосфере непрерывно уменьшается (за исключением инверсий), температурный градиент равен 6 - 6,5 град/км, и в тропосфере сосредоточена основная часть водяного пара. Границей тропосферы являются выше указанные значения высот, на которых прекращается понижение температуры, а температурный градиент уменьшается до нуля. Образующиеся в приземных слоях тропосферы туманы представляют собой сгущение водяных паров в воздухе в виде мельчайших капелек. Образуются туманы при охлаждении влажного воздуха до точки росы практически при отсутствии ветра. Средняя величина капелек тумана равна 0,02 мм. Для их образования необходимо наличие в воздухе электрически заряженных кластер-ионов и гидрофильных аэрозолей.

Продолжительность существования туманов колеблется от нескольких часов до суток и более, пока не произойдет испарение мельчайших капелек воды. Туманы представляют огромную опасность для авиации и наземных транспортных средств, о чем свидетельствуют многочисленные, периодически повторяющиеся сообщения о катастрофах при посадке самолетов, вертолетов, многочисленных жертвах при авариях на дорогах.

Следует отметить, что в воздушном пространстве Земли - тропосфере постоянно находится множество заряженных частиц, причем имеют место непрерывно действующие процессы, поддерживающие такое положение:
излучение радиоактивных элементов, содержащихся в земной коре;
ультрафиолетовое излучение Солнца;
пронизывающие всю толщину атмосферы сверху донизу потоки очень быстрых заряженных частиц - космические лучи, наибольшая часть которых идет от Солнца, а остальная - из глубины космического пространства.

Заряженные частицы при определенных условиях являются причиной появления не только туманов, но и облаков. Облака - скопление мельчайших капелек, находящихся в воздухе во взвешенном состоянии. Мельчайшие капельки выделяются при охлаждении влажного воздуха. Выделение происходит, главным образом, при поднятии воздушных масс снизу вверх. Грозовые или кучево-дождевые облака располагаются основанием на высоте от нескольких сот метров (низкая облачность) до 1 - 2 км. В облаках накапливается электрический заряд, причем заряды противоположного знака пространственно разделены внутри облака. Один из вероятных механизмов такого явления заключается в поляризации капелек воды в электрическом поле Земли (земной шар заряжен отрицательно), составляющем при величине заряда ≈6•10⁵ кулона в среднем ≈130 В/м. В нижней части облака имеет место отрицательный заряд, а в верхней - положительный. Как показали измерения в облаках и тумане, до 40% капелек являются заряженными.

На высоту расположения облачности помимо распределения атмосферного давления и других факторов влияет сила отталкивания, возникающая между одноименно заряженными Землей и нижней частью облаков.

Характерная особенность тропосферы - подвижность воздушных масс. Воздух перемещается как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях, но скорость вертикальных потоков обычно значительно меньше скорости горизонтальных.

Поэтому атмосфера находится, за редким исключением, в состоянии движения. Движение воздушных масс характеризуется направлением и величиной скорости ветра и зависит от координат местности и времени.

Модель поля ветров в атмосфере Земли включает зональную (по параллели) и меридиональную компоненты скорости ветра. В свою очередь, зональная компонента представляется в виде суммы трех составляющих: сезонно-широтной, суточной и случайной. Меридиональная компонента раскладывается на две составляющие - суточную и случайную.

Изменение зональной U_в и меридиональной V_в скорости ветра от нулевой высоты до предельной в области тропосферы соответственно составляет в среднем от 15 до 70 м/с и от 18 до 40 м/с. В каждой местности Земли имеется свое распределение повторяемости направления ветра за месяц, сезон, год и т. п. по основным румбам.

В целом особенностью предложенного способа активного воздействия на метеорологические образования является максимально возможное использование для выполнения поставленной цели естественных процессов, происходящих в тропосфере и определяющих распределение электрически заряженных частиц в облаках, характерные направления ветра в данной местности Земли, изменчивость температуры воздуха по высоте и т.п.

Способ заключается в том, что одновременно с началом генерации коронирующими проводами (основными) управляемого потока электрически заряженных частиц с помощью вспомогательных коронирующих проводов производят относительно управляемого потока генерацию дополнительных управляемых потоков электрически заряженных частиц, взаимодействующих через окружающий атмосферный воздух с управляемым потоком. Вспомогательные коронирующие провода при реализации способа могут располагаться относительно основных коронирующих проводов различным образом в зависимости от размеров контролируемой в метеорологическом плане площади и ее формы. Для защиты аэродромов, сельскохозяйственных угодий наиболее целесообразно вспомогательные коронирующие провода устанавливать вокруг основного провода, а на шоссейных дорогах - вдоль трассы, например, чередуя основные и вспомогательные коронирующие провода по обе стороны от дороги. Управление потоками электрически заряженных частиц, как было указано выше, заключается, с одной стороны, в изменении прикладываемого к ним напряжения, при увеличении которого повышается интенсивность происходящих процессов в коронном разряде и потоке электрически заряженных частиц, а с другой, - создании положительной или отрицательной корон. Следует отметить, что развитие коронного объемного заряда происходит вблизи провода с малым радиусом кривизны, где напряженность электрического поля достигает значений, равных или превышающих пробивное значение (E_пр) для воздуха.

Значение E_пр зависит от давления воздуха и составляет для него при атмосферном давлении около З0 кВ/см, причем согласно закону Пашена отношение пробивной напряженности поля к давлению приблизительно постоянно. В случае отрицательной короны поток электрически заряженных частиц обусловлен только отрицательными носителями - электронами и отрицательными ионами, при положительной короне - положительными ионами.

При создании на основных коронирующих проводах положительной короны, а на вспомогательных проводах - отрицательной между объемным положительным зарядом положительной короны и землей возникают силовые линии, характеризующие напряженность электрического поля, такое же поле будет иметь место и по отношению к объемному заряду отрицательной короны.

Электрические силы взаимодействия между системами зарядов убывают с расстоянием, как и гравитационные, но значительно превосходят их по величине. Так, например, величина силы электрического взаимодействия между двумя электронами превышает силу их гравиатационного взаимодействия в 4,2•10⁴² раза. Большая часть зарождающихся в положительной короне положительных ионов устремится к земле, соударяясь между собой и молекулами воздуха. В том случае, если в окружающем коронирующие провода воздухе имеется туман, то ионы захватывают отрицательно заряженные молекулы воды, в результате чего происходит процесс конденсации влаги.

Тепловая энергия, выделяемая в результате конденсации влаги при обводнении электрически заряженных частиц, а также и в результате столкновения их с молекулами воздуха, расходуется на испарение части капель тумана и расширение среды во всем объеме зоны движения заряженных частиц к земле. Кроме того, в движущемся вдоль поверхности земли тумане возникает дрейф отрицательно заряженных частиц от вспомогательных коронирующих проводов к положительно заряженной короне.

В этом же направлении при расположении основных и вспомогательных коронирующих проводов на конечном расстоянии друг от друга между создаваемыми ими объемными зарядами возникнет электрическое поле с силовыми линиями от положительного объемного заряда (основных коронирующих проводов) к отрицательному (вспомогательным проводам). Поэтому часть положительных ионов от основных коронирующих проводов приобретет количество движения в сторону вспомогательных коронирующих проводов, а отрицательные ионы от последних устремятся в противоположном направлении в приземных слоях тумана. Если приобретенное количество движения положительных ионов способно преодолеть встречное течение тумана, то они начнут двигаться навстречу отрицательным ионам, а если нет, то медленно будут сноситься по линиям течения слоев тумана. Но в любом случае произойдет интенсификация процесса обволакивания ионов капельками тумана, коагуляционный рост которых в конечном счете приведет их к гравитационному выпадению из тумана.

Выделяемое тепло при конденсации капелек тумана вызывет в окружающем пространстве очаговые восходящие потоки между коронирующими проводами в тех местах, где происходит достаточно большое сосредоточение конденсированных капелек. Эти потоки распространяют ионы по высоте тумана и, таким образом, гравитационное падение капель тумана происходит не только из нижних, но и из верхних его слоев, а при своем падении капли тумана собирают на своем пути практически по всей толще тумана образующие его капельки, способствуя тем самым разрушению тумана за более короткое время, чем при естественном разрушении или использовании для этих целей других известных аналогов, в том числе и прототипа, так как в предложенном техническом решении происходящие процессы затрагивают практически все слои тумана и на большей площади.

При отсутствии тумана, но имеющейся низкой облачности, например, над аэродромами, затрудняющей посадку самолетов, реализация предложенного способа основывается на вышеописанных явлениях за исключением того, что вместо осаждения тумана и его развеивания между коронирующими проводами произойдет постепенное накапливание отрицательно заряженных ионов, образующих в конечном счете вдоль поверхности земли распространенный на достаточно большой площади объемный отрицательный электрический заряд. При равномерном расположении вспомогательных коронирующих проводов друг против друга создадутся условия для уменьшения утечки отрицательных ионов из контролируемой площади в окружающее пространство и сохранения объемного заряда. Несомненно, что в течение определенного промежутка времени как при образовании объемного заряда, так и после, конвекция перемешивает воздух, а также находящиеся в нем отрицательные ионы, в результате чего объемный заряд становится однородным, а происходящие процессы его поддержания- квазистационарными.

Искусственно сконцентрированный отрицательный объемный заряд по закону Кулона будет воздействовать на отрицательный объемный заряд облаков, сконцентрированный в нижней их части, силой отталкивания, нарушая тем самым равновесное положение облаков на высоте. Вследствие этого облака перемещаются на больший высотный уровень по отношению к земле, причем чем мощнее искусственный заряд, тем большую новую высоту займет облачность, чем и обеспечивается искусственный подъем нижней границы облачности в обрабатываемой зоне.

Совершенно очевидно, что при использовании способа в условиях эксплуатации аэродромов можно ограничиться только ликвидацией нижней границы облачности с целью обеспечения безопасной зоны для посадки самолетов, а для сельскохозяйственных угодий, если это требуется, довести искусственный объемный заряд до такого значения, которое изменяет условия выпадения осадков. В зависимости от требований, предъявляемых защищаемым от метеообразований объектам, предложенный способ может быть применен как в пределах местности размещения объектов, так и вне ее.

Как частный признак заявленного технического решения в процессе генерации потоков устанавливают направление наземного ветра, после чего ориентируют один из дополнительных потоков по направлению ветра с наветренной стороны на управляемый поток, а при изменении направления ветра соответствующим образом производят изменение расположения генерации этого дополнительного потока.

Выполнение данной последовательности действий предусматривает обеспечение распространения потока заряженных частиц на большей площади, используя энергетику естественно возникающих воздушных потоков вдоль поверхности земли, в дополнение к ранее описанной совокупности существенных признаков способа. Поток ветра, направленный на один из дополнительных потоков электрически заряженных частиц, соориентированных по направлению ветра, облегчает формирование и перемещение этого потока частиц к управляемому потоку, а в случае наличия постоянных ветров (в реальных условиях так оно и есть на открытых пространствах) позволяет значительно увеличить расстояние между вспомогательными коронирующими проводами и основными и, как следствие, распространить поток заряженных частиц на большей площади. Несмотря на то, что остальные дополнительные потоки заряженных частиц находятся в худших условиях по отношению к упомянутому, но если таковые имеются с наветренной стороны контролируемой площади, ветер также будет сносить эти дополнительные потоки электрически заряженных частиц к требуемому месту, только под некоторым углом. При этом за счет диффузии и конвекции произойдет некоторое выравнивание плотности частиц по объему.

Значение скорости ветра не имеет принципиального значения для достижения положительного эффекта, так как даже при самых малых скоростях ветра распространение частиц по объему будет достигнуто только лишь при небольшом увеличении промежутка времени.

Реализация последовательности действий не вызывает никаких технических трудностей. Предполагается использование для определения направления ветра флюгера и перемещение вспомогательных коронирующих проводов транспортными средствами. Вариантов технического выполнения тех или иных операций по данному способу может быть предложено достаточно много, а применяемые средства для этого могут сами по себе составить предмет изобретения, поэтому они выходят за рамки материалов настоящей заявки.

Второе частное техническое решение по предлагаемому изобретению сводится к тому, что одновременно с началом процесса генерации управляемого потока генерацию дополнительных потоков электрически заряженных частиц осуществляют вокруг управляемого потока по румбам розы ветров для данной местности, при этом в случае отклонения ветра от румба ориентацию по направлению ветра на управляемый поток производят для наиболее близкого к этому румбу дополнительного потока.

Целью, которая достигается предложенной совокупностью существенных признаков, является повышение надежности перекрытия контролируемой площади дополнительными потоками при сокращении времени изменения места генерации одного из потоков).

Производя генерацию дополнительных потоков электрически заряженных частиц по румбам розы ветров для данной местности, обеспечивают гарантированное попадание частиц в контролируемую зону, так как с какой бы стороны не дул ветер 1, всегда имеет место генерация дополнительных потоков с наветренной стороны относительно управляемого потока, а кроме того, сокращается время на изменение места расположения генерации одного из дополнительных потоков.

Третье частное техническое решение заключается в том, что после установления направления наземного ветра прекращают генерацию дополнительных потоков с противоположной стороны от направления ветра и вновь возобновляют при изменении его направления, оно предусматривает сокращение затрат электроэнергии, когда для получения конечного результата по желаемому положительному эффекту вполне достаточно обойтись дополнительными потоками электрически заряженных частиц, генерируемыми по отношению к управляемому потоку только с наветренной стороны. Такое положение вполне допустимо при устранении тумана с относительно малых площадей.

Таким образом, предложенный способ активного воздействия на метеорологические образования значительно расширит возможности использования генерируемых управляемых потоков электрически заряженных частиц для получения желаемого результата при воздействии на метеорологические образования, что является важным аргументом для широкого использования данного способа.

Способ может быть использован в мероприятиях по обеспечению безопасности эксплуатации воздушных и автотранспортных средств. Одновременное генерирование коронирующими проводами положительно заряженных частиц и вспомогательными коронирующими проводами отрицательно заряженных частиц с учетом направления ветра при соответствующей ориентировке потока последних создает диффузию частиц разного знака, которая способствует рассеянию облаков или тумана. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ воздействия на атмосферные образования, заключающийся в генерации коронирующими проводами потока положительно заряженных электрических частиц, отличающийся тем, что одновременно с началом генерации этого потока производят с помощью вспомогательных коронирующих проводов генерацию дополнительных потоков отрицательно заряженных электрических частиц, причем устанавливают направление ветра, а затем ориентируют один из дополнительных потоков по направлению ветра с наветренной стороны на поток положительно заряженных электрических частиц, а при изменении направления ветра соответствующим образом производят изменение расположения генерации дополнительного потока. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что генерацию дополнительных потоков осуществляют по румбам розы ветров для данной местности вокруг потока положительно заряженных электрических частиц, а в случае отклонения ветра от румба ориентацию по направлению ветра на поток производят для наиболее близкого к этому румбу дополнительного потока. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что после установления направления ветра прекращают генерацию дополнительных потоков с подветренной стороны относительно потока положительно заряженных электрических частиц и вновь возобновляют при изменении его направления.