СПОСОБ ИСКУССТВЕННОГО ВЫЗЫВАНИЯ ОСАДКОВ Российский патент 1998 года по МПК A01G15/00 

Изобретение относится к области физики атмосферы, а именно к физическим воздействиям на атмосферные процессы.

Впервые идея искусственного вызывания осадков была высказана в 1899 г. и с тех пор успешно развивается. В настоящее время предложено несколько возможностей искусственного воздействия на облака. Основным является введение в облако веществ, находящихся в диспергированном состоянии. Такие вещества принято называть кристаллизирующими (льдообразующими) реагентами. После этого начинается интенсивная кристаллизация облака. Появляются дополнительные центры конденсации, которые при попадании на них влаги увеличиваются в размерах и после достижения некоторого критического диаметра выпадают из облака и достигают земли в виде дождя. Реагенты вводятся в облака либо с помощью ракет "земля-воздух" и артиллерийских снарядов, либо с помощью летящих в облаках или над ними самолетов, оснащенных ракетами "воздух- воздух" или другими генераторами реагентов. В 1931 г. в Нидерландах впервые сумели вызвать искусственный дождь с помощью данного метода, сбросив с самолета в переохлажденное облако размельченную твердую углекислоту. В последующем в качестве реагента чаще всего использовали иодистое серебро [1].

Недостатками данного способа являются а) недостаточная эффективность метода, состоящая в том, что распыление реагентов не всегда приводит к ожидаемым результатам; б) нарушение экологической безопасности при его применении, т.к. иодистое серебро и другие реагенты, например цементная пыль, представляют значительную опасность для всего живого.

Также изучаются возможности управления электрическим состоянием облаков с целью изменения их способности к осадкообразованию (в одних случаях - это усиление осадкообразующих процессов, в других перестройка структуры укрупняющихся частиц с целью не допустить их роста до градовых размеров).

Однако в настоящее время эти исследования сопряжены с значительными трудностями, связанными с недостаточной разработанностью теории атмосферного электричества [1].

Авторами предлагаемого изобретения на основе анализа большого экспериментального материала было детально изучено влияние потоков заряженных частиц в атмосфере на интенсивность осадков [2]. Заряженные частицы в атмосфере (главным образом космические лучи) являются основным источником ионизации воздуха на высотах менее 25 км. Во время форбуш-понижений поток космических лучей в межпланетной среде и, следовательно, в атмосфере уменьшается. После мощных протонных событий наблюдается обратная картина - увеличение потока заряженных частиц в атмосфере. Было проанализировано 227 форбуш-понижений, наблюдавшихся за период 1956 - 1993 г.г. Обнаружено, что метеостанции, более-менее равномерно расположенные на территории бывшего СССР и 2 штатов Бразилии (Сан-Пауло и Амазония), зарегистрировали уменьшение интенсивности осадков во время этих форбуш-понижений на -(10,4 ± 2,3)%. Эффект существенно возрос при рассмотрении только тех случаев, когда наблюдалось уменьшение потока космических лучей в атмосфере на высотах менее 20 км на территории бывшего СССР (70 событий) и 18 форбуш-понижений, наблюдавшихся во время сезона дождей в Бразилии. В этом случае амплитуда эффекта составила -(17,4 ± 2,7)%. Было получено, что отношения относительных изменений интенсивности осадков к их среднеквадратичным отклонениям подчиняются нормальному распределению. Для дня форбуш-эффекта это отношение равно -6,3, т.е. вероятность случайного появления эффекта составляет менее 10^-6%.

Анализ 53 случаев солнечных вспышек за период 1942 - 1992 г.г., в которых наблюдались высокоэнергичные частицы на нейтронных мониторах на Земле, показал, что вышеописанные метеостанции зарегистрировали в день вспышки увеличение осадков в среднем на +(13,3 ± 5,3) %. Вероятность случайного появления эффекта составляет менее 1,3%.

Эти результаты достаточно ясно показали, что потоки заряженных частиц играют существенную роль в процессе образования осадков. В нижней атмосфере поток заряженных частиц в основном состоит из электронов. Во время большого форбуш-понижения этот поток уменьшается (на ≈5 - 10%). Во время вторжения высокоэнергичных протонов от солнечных вспышек в атмосферу Земли поток вторичных частиц, наблюдающийся в нижней атмосфере, увеличивается на несколько процентов. В первом случае наблюдается уменьшение уровня осадков, во втором - обратная картина.

Наиболее близкое техническое решение описано в работе [1], где рассматривается возможность воздействия на облака с земли электронными пучками из генераторов сильноточных релятивистских пучков. При этом в работе [1] отмечается, что такой способ воздействия на облака с поверхности земли сопряжен с рядом больших технических трудностей, связанных с прохождением электронного пучка сквозь атмосферу. Кроме того, воздействие пучка, имеющего малые угловые размеры, носит локальный характер (вдоль пучка), и трудно ожидать, что такое воздействие приведет к глобальным изменениям в облаке.

Наконец, данный метод рассматривается только как средство борьбы с грозами путем воздействия на электрические процессы в облаках (снижения напряженности электрического поля облаков до безопасных значений).

В предлагаемом изобретении решается принципиально другая задача - искусственное вызывание осадков путем воздействия на облака потоков ионизирующего излучения. Это достигается путем искусственного увеличивания потока заряженных частиц в облаке, которые генерируются ускорителем элементарных частиц, установленным на борту самолета, облетающего облако.

Облучение облака рассеянным потоком частиц увеличивает уровень ионизации. Это в свою очередь приводит к усилению конденсационно-коагуляционных процессов внутри облака. Образовавшиеся в результате ионизации воздуха заряженной частицей ионы могут стать центрами (ядрами) конденсации. В атмосфере Земли ядра конденсации имеют различные размеры. Ядра, имеющие размер меньше определенного (так называемого критического радиуса), испаряются раньше, чем успеют вырасти до размеров водяной капли. В случае, если ядра конденсации заряжены, то их критический радиус уменьшается, и, таким образом, вероятность вырастания ядра до размеров водяной капли увеличивается. Следовательно, повышение уровня ионизации приводит к повышению влаговыделения из облака.

В настоящее время появилась реальная возможность практического осуществления данного проекта, т.к. современные линейные ускорители, способные генерировать электроны с энергией несколько десятков МэВ, имеют вес и энергопотребление, позволяющие использовать их на самолете. Таким образом, отпадают технические трудности, имеющие место при облучении облака с поверхности Земли.

Приведем необходимые расчеты, доказывающие практическую возможность осуществления предлагаемого метода. Предположим мы хотим воздействовать на облако, площадью 3х3 км² и толщиной 2 км, причем верхняя граница облака расположена на высоте 3 км, что соответствует давлению остаточной атмосферы 715 г/см² над землей, а нижняя - соответственно на высоте 1 км (917 г/см²). На данных высотах мы имеем фоновый поток заряженных частиц ≈0,08 частиц/(см^-2 х с^-1) [3] , следовательно, суммарный поток заряженных частиц (электронов) через поверхность такого облака 7,2•10⁹ частиц/с. Ионизационные потери релятивистской частицы составляют 2 МэВ/(г/см²), суммарные потери на ионизацию всех электронов внутри данного облака составят 2,9•10¹⁸ эВ/с или 4,6•10⁶ эрг/с. Как следует из [4] , современный линейный ускоритель со средним током 10 мкА, мощностью 30 кВт, весом в 10 т, имеющий размеры 8х0,5х1 м³ и способный ускорять электроны до 50 МэВ, способен существенно превзойти данные значения. В самом деле, даже считая его КПД ≈10%, мы получим, что он способен в 1 с генерировать 6,3•10¹³ электронов и выделять энергию, равную 3•10¹⁰эрг/с.

Таким образом, видно, что возможности современного ускорителя позволяют создать поток частиц, на несколько порядков превышающий фоновый. Это же справедливо и по отношению к выделяющейся энергии. В тоже время, как показано в работе [2], изменение интенсивности космических лучей всего на несколько процентов оказывает значимое влияние на интенсивность осадков. Все это позволяет сделать вывод о принципиальной возможности искусственного вызывания атмосферных осадков путем воздействия па облака рассеяным потоком заряженных частиц, генерируемых ускорителем элементарных частиц, установленным на самолете, облетающем облако.

Данный метод выгодно отличается полной экологической безопасностью, т.к. электрон, обладающий энергией 50 МэВ, может пройти максимум 25 г/см², и если облучение происходит выше 200 м над уровнем земли, то все избыточное излучение поглотится в воздухе и не достигнет уровня земли.

Источники информации
1. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Л.: Гидрометеоиздат, 1990, 464 с.

2. Стожков Ю.И., Покревский П.Е., Зулло Ж. мл., Мартин И.М., Охлопков В. П. , Пеллегрино Ж.К., Пинто Х.С., Безерра П.С., Туртелли А., мл. Воздействие потоков заряженных частиц на интенсивность осадков. Геомагнетизм и аэрономия, 1996, т. 36, N 4, с. 211-216.

3. Чарахчьян А.Н., Базилевская Г.А., Стожков Ю.И. и Чарахчьян Т.Н. Космические лучи в стратосфере и околоземном космическом пространстве в период 19-го и 20-го циклов солнечной активности. Труды ФИАН, М.: Наука, 1976, т. 88, с. 3 - 50.

4. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. М.: Энергоатомиздат, 1991, 528 с.

Изобретение может быть использовано для целей сельского хозяйства. Воздействие на облака рассеянным потоком заряженных частиц, генерируемых ускорителем элементарных частиц, установленным на самолете, увеличивает уровень ионизации в облаке и приводит к усилению конденсационно-коагуляционных процессов внутри него.

Способ искусственного вызывания осадков, заключающийся в том, что на атмосферные облака воздействуют потоком заряженных частиц, отличающийся тем, что рассеянный поток заряженных частиц генерируют ускорителем элементарных частиц, установленным на самолете, облетающем облако.