СПОСОБ ОСЛАБЛЕНИЯ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ (УРАГАНОВ, ТАЙФУНОВ) Российский патент 2000 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к области искусственного изменения погодных условий и может быть использовано для защиты жизнедеятельности человека от воздействия опасных и особо опасных явлений (ураганов, тайфунов), вызываемых циклонами, а также для регулирования объема выпадающих одновременно осадков, что важно для сельского хозяйства (управление тропическими циклонами).

Известен способ защиты от тропического циклона (патент РФ N 2028649, кл. G 01 W 1/00), заключающийся в определении параметров траектории тропического циклона, при котором производят измерение поля ветра, по которому определяют положение зон максимальной заторможенности и максимального значения тангенциальной составляющей вращения вихря. Обе эти зоны или одну из них выбирают в качестве зон воздействия на конвективные потоки в облачной системе уже сформировавшегося тропического циклона. Воздействие осуществляют путем искусственной диссоциации или регенерации конвективных потоков, обеспечивая при этом движение циклона по безопасному курсу, то есть таким образом, чтобы циклон "переходил на петлеобразную траекторию" и, следовательно, не выходил на сушу.

Основным недостатком описанного выше способа является то, что изменение траектории движения циклона на петлеобразную может привести к изменению климатических условий на суше в результате недопоступления влаги с океана, что в свою очередь может оказать неблагоприятное влияние на сельское хозяйство.

Известен способ и система для прогнозирования катастрофических явлений (патент США N 5585558, кл. G 01 W 1/00). Для прогнозирования места и времени возникновения катастрофы, в частности урагана (тайфуна, цунами), в окружающей среде периодически создают воспроизводимые неравновесные процессы внутри ограниченного участка окружающей среды, уровень энергии которого может быть измерен в определенный момент времени. При создании неравновесного состояния в некоторой части окружающей среды измеряется показатель энергетического уровня. Примерное время возникновения надвигающейся катастрофы определяется по результатам измерения этого показателя при периодически последовательно создаваемых неравновесных состояний окружающей среды.

Основной недостаток указанного способа заключается в отсутствии возможности предотвратить катастрофу (рассматривается только прогнозирование опасного явления), что не позволяет избежать разрушительных последствий катастрофического явления.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ ослабления тропических циклонов (ураганов, тайфунов) (авт. св-во СССР N 568033, кл. G 01 W 1/00), который и выбран в качестве ближайшего аналога. В данном способе активные воздействия направлены на более полное подавление энергии уже сформировавшегося в естественных условиях циклона (урагана) в его центральной части путем создания в их облачной системе нисходящих движений, обратных естественной циркуляции. Для этого в центральной зоне урагана нисходящие движения создают сериями по концентрическим окружностям, отстоящим от "глаза" урагана и друг от друга на расстоянии порядка 10-15 км и с шагом вдоль окружностей не более 5-10 км, в течение времени, не превышающего периода регенерации восходящих движений в зоне воздействия.

К основным недостаткам описанного изобретения можно отнести следующий. Предлагается воздействовать на уже сформировавшийся в естественных условиях циклон, мощность которого может быть очень велика и который является весьма устойчивым, в связи с чем эффективность предложенного способа в этих условиях может быть слишком низкой.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в предотвращении разрушительного воздействия циклонов (ураганов, тайфунов).

Поставленная задача решается за счет того, что способ ослабления тропических циклонов (ураганов, тайфунов), включающий создание движений воздуха путем осуществления воздействия на определенные зоны, дополнен тем, что для определения в тропосфере зон воздействия рассчитывают значения доступной потенциальной энергии в тропосфере, сравнивают полученные значения с предельно допустимым значением доступной потенциальной энергии, приводящим к скорости ветра в урагане, при котором создается опасность разрушительного воздействия на окружающую среду, и в случае достижения измеряемого значения доступной потенциальной энергии упомянутого предельно допустимого значения доступной потенциальной энергии, выбирают одну или несколько зон воздействия и путем воздействия на эти зоны преобразуют доступную потенциальную энергию в кинетическую, инициируя, таким образом, образование циклона (вызывая циклон), мощность которого не достигает разрушительного уровня.

При этом значения доступной потенциальной энергии определяют из экспериментально полученных распределения температуры на поверхности океана и вертикального распределения влажности и температуры воздуха в тропосфере, а зону воздействия определяют как зону в тропосфере, в которой значение доступной потенциальной энергии достигло упомянутого предельно допустимого значения доступной потенциальной энергии и расположенную вблизи или в зоне максимальной неустойчивости. На выбранную зону оказывают взрывное и/или тепловое воздействие и/или воздействуют путем засева веществом, создающим центры конденсации влаги (воды).

Предлагаемый способ позволяет избежать разрушительного воздействия циклонов (ураганов, тайфунов) в результате предотвращения возникновения тропических циклонов разрушительной силы за счет заблаговременного искусственного создания путем соответствующего воздействия на участки тропосферы в зоне предполагаемого возникновения циклона разрушительной силы, циклонов, действие которых на окружающую среду будет меньше и не приведет к человеческим и материальным потерям, но в то же время доставит влагу на сушу.

Исследования процесса зарождения тропического циклона показали, что предшествующее ему синоптическое образование в тропосфере представляет собой находящуюся в состоянии неустойчивого равновесия сложную плоскопараллельную систему, в которой градиент эквивалентно-потенциальной температуры отрицателен (влажно-неустойчивое состояние) [1], упрощенно - другими словами - в нижних слоях тропосферы расположены слои воздуха с меньшей адиабатической плотностью, а в средней тропосфере расположены слои воздуха с большей адиабатической плотностью, т.е. более плотный воздух "лежит" на менее плотном. В какой-то момент времени в естественных условиях в результате случайного колебания неустойчивое равновесие может быть нарушено, при этом образуются области с восходящим и нисходящим движением. Далее, через некоторое время развивается тайфуноподобная структура, представляющая горизонтальный вихрь. При этом осуществляется переход доступной потенциальной энергии тропосферы в кинетическую энергию возникающей вихревой циркуляции. Возникновение циклонов в принципе заключается в периодическом перераспределении потенциальной и кинетической энергии.

Важным моментом анализа энергетики циклона является расчет полной потенциальной и доступной потенциальной энергии [2]. Эти исследования показали, что значение доступной потенциальной энергии может использоваться для оценки силы возможного циклона. Следовательно, определяя значение доступной потенциальной энергии циклона и сравнивая его с выбранным на основании эмпирических данных предельно допустимым значением доступной потенциальной энергии, можно определить необходимый момент времени для воздействия на выбранные описанным ниже способом зону или зоны тропосферы с целью инициации процесса зарождения циклона. Известно, что тропические циклоны в зависимости от максимальной скорости ветра V_m в них подразделяются на тропические депрессии (V < 17 м/с), тропические штормы (17 м/с < V_m < 33 м/с) и ураганы, или тайфуны (V_m > 33 м/с) [2]. Отсюда следует, что циклон будет носить особо разрушительный характер при скорости ветра, превышающей значение 33 м/с. Таким образом, можно принять, что предельно допустимое значение доступной потенциальной энергии будет соответствовать значению доступной потенциальной энергии тропосферы при скорости ветра в данном участке тропосферы, приблизительно равной 30 м/с. Предельно допустимое значение доступной потенциальной энергии P_пр.доп, отнесенной к единичной массе воздуха, может быть определено по формуле
P_пр.доп ≅ b•К,
где b - коэффициент пропорциональности, значение которого определяют эмпирически (в соответствии с [3] b ≅ 4);
K - кинетическая энергия, т.е.

P_пр.доп. ≅(b•m•V_m ²)/2,
где m = 1 кг;
V_m = 30 м/с.

Следовательно, заявляемый способ, основанный на описанных выше принципах, может быть реализован следующим образом.

Статистическими методами из экспериментальных данных, полученных со спутника, для участков тропосферы, вероятность зарождения тропических циклонов в которых достаточно велика (участки тропической океанической акватории, где температура поверхности океана равна или превышает 26^oC), определяют вертикальные профили температуры и влажности.

Рассчитывают для этих участков значение доступной потенциальной энергии для единичной массы воздуха по формуле

где с_p - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении;
θ = T•(P₀/P)^R/Cp;
P₀ = 10⁵ гПа;
R = c_p - c_v;
c_v - удельная теплоемкость воздуха при постоянном объеме;
P_a - приземное давление;
k = R/c_p;
P₀₀ = 1000 гПа;
N=(P^k - P_r ^k)/P^k - коэффициент эффективности, введенный Лоренцем [4].

Сравнивают полученные значения с предельно допустимым значением доступной потенциальной энергии. В случае достижения предельного значения принимают решение о необходимости воздействия. В качестве зоны воздействия выбирают участок тропосферы, в котором значение доступной потенциальной энергии достигло предельно допустимого значения доступной потенциальной энергии и который расположен вблизи или в зоне максимальной неустойчивости. Зона максимальной неустойчивости определяется как зона с максимальным значением градиента эквивалентно-потенциальной температуры, которая определяется по формуле
θ_E= θ•exp[(L•q)/(c_p•(T+273,2))],
где L - удельная теплота конденсации;
q - массовая доля влаги [3].

Силу воздействия на выбранные зоны определяют по результатам математического моделирования процесса возникновения циклона с использованием реальных значений метеовеличин в этих зонах.

Воздействие на выбранные зоны осуществляют, например, путем взрывного и/или теплового воздействия на тропосферу выше зоны или в зоне максимальной неустойчивости, и/или путем засева веществом, создающим центры конденсации непосредственно над зоной максимальной неустойчивости.

Источники информации
1. Доронин Ю.П. Взаимодействие атмосферы и океана.- Ленинград. - Гидрометеоиздат, 1981, 287 с.

2. Хайн А. П. , Сутырин Г.Г. Тропические циклоны и их взаимодействие с океаном.- Ленинград. - Гидрометеоиздат, 1983, 271 с.

3. Матвеев Л. Т. Теория общей циркуляции атмосферы и климата Земли. - Ленинград. - Гидрометеоиздат. - 1991. - 183 с.

4. Волков Ю.А., Елагина Л.Т., Копров Б.М. Исследование тепловых потоков в приводном слое атмосферы по программе Атлантического тропического эксперимента. - Метеорология и гидрология. - 1981, N8, с. 102-109.

Использование: для защиты жизнедеятельности человека от воздействия опасных и особо опасных явлений (ураганов, тайфунов), вызываемых циклонами, а также для регулирования объема выпадающих одновременно осадков, что важно для сельского хозяйства (управление тропическими циклонами). Сущность: ослабление циклонов (ураганов, тайфунов) за счет предотвращения их разрушительного воздействия осуществляется за счет создания движений воздуха путем осуществления воздействия на определенные зоны, при этом для определения в тропосфере зон воздействия рассчитывают значения доступной потенциальной энергии в тропосфере. Сравнивают полученные значения с предельно допустимым значением доступной потенциальной энергии, приводящим к скорости ветра в урагане, при котором создается опасность разрушительного воздействия на окружающую среду. В случае достижения измеряемого значения доступной потенциальной энергии упомянутого предельно допустимого значения доступной потенциальной энергии выбирают одну или несколько зон воздействия. Путем воздействия на эти зоны преобразуют доступную потенциальную энергию в кинетическую, инициируя таким образом образование циклона, мощность которого не достигает разрушительного уровня. Технический результат: предотвращение разрушительного воздействия циклонов (ураганов, тайфунов). 2 з.п. ф-лы.

1. Способ ослабления тропических циклонов (ураганов, тайфунов), включающий создание движений воздуха путем осуществления воздействия на определенные зоны, отличающийся тем, что для определения в тропосфере зон воздействия рассчитывают значения доступной потенциальной энергии в тропосфере, сравнивают полученные значения с предельно допустимым значением доступной потенциальной энергии, приводящим к скорости ветра в урагане, при котором создается опасность разрушительного воздействия на окружающую среду, и в случае достижения упомянутым значением доступной потенциальной энергии упомянутого предельно допустимого значения доступной потенциальной энергии выбирают одну или несколько зон воздействия как зону или зоны в тропосфере, в которых значение доступной потенциальной энергии достигло упомянутого предельно допустимого значения доступной потенциальной энергии и расположенные вблизи или в зоне максимальной неустойчивости, и путем воздействия на эти зоны преобразуют доступную потенциальную энергию в кинетическую, инициируя таким образом образование циклона, мощность которого не достигает разрушительного уровня. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на зону, в которой значение доступной потенциальной энергии достигает предельного значения доступной потенциальной энергии, оказывают взрывное и/или тепловое воздействие и/или воздействуют путем засева веществом, создающим центры конденсации влаги (воды). 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что значения доступной потенциальной энергии определяют из экспериментально полученных распределения температуры на поверхности океана и вертикального распределения температуры и влажности воздуха в тропосфере.