СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АТМОСФЕРНЫМИ ПРОЦЕССАМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК A01G15/00 

Область техники

Изобретение относится к способам изменения состояния атмосферы в выбранной местности, в частности к способам формирования облачности, вызывания дождя и рассеяния туманов. Изобретение относится также к устройствам, обеспечивающим изменение погоды над заданной территорией.

Уровень техники

Как известно, потери урожаев сельскохозяйственных культур от неблагоприятных погодных условий могут намного превышать ущерб от поражения посевов культур вредителями или из-за роста сорняков. Поэтому возможность регулирования погодных условий в местностях, где существует опасность засухи или, наоборот, нежелательно выпадение осадков, представляет собой актуальную задачу.

Изменение погодных условий бывает необходимо не только для целей сельского хозяйства, но также и в других областях деятельности. В частности, большое значение регулирование погодных условий имеет для транспорта: воздушного, автомобильного и водного, поскольку, например, туманы или грозовые условия нередко приводят к катастрофам.

В настоящее время практика воздействия на погоду ограничивается, в основном, распылением химических реагентов с летательных аппаратов. Это является дорогостоящим мероприятием, причем не всегда желательным по соображениям экологического порядка. К тому же реагенты используются, в основном, для рассеяния облачности. Для иного изменения погодных условий этот метод мало пригоден. Более перспективными методами изменения погоды можно считать такие, которые удовлетворяют требованиям экономии, экологии и универсальности.

Альтернативные технические решения по изменению погодных условий включают методы и средства, заключающиеся в воздействии на атмосферу посредством введения в нее электрических зарядов с помощью расположенных на земной поверхности специальных устройств - ионизаторов, включающих электрические проводники, обеспечивающие возникновение на них коронного разряда (коронирующие проводники).

Механизм формирования конвекции в атмосфере, возникающей благодаря ионизации воздуха коронирующими проводниками, довольно хорошо изучен. С коронирующих проводников происходит эмиссия электронов, которые, присоединяясь к молекулам водяного пара и другим частицам, находящимся в атмосфере, образуют отрицательные ионы. Вокруг отрицательных ионов происходит группировка электрически нейтральных молекул воздуха, и образуются заряженные комплексы молекул - легкие ионы с радиусами порядка 10^-8-10^-7 см, обладающие в электрическом поле Земли значительной подвижностью. Последующее соединение этих ионов с молекулами водяного пара вызывает конденсацию воды в окружающем воздухе и его местный перегрев, в результате чего он поднимается вверх с подсосом снизу новой порции ионизированного воздуха. Именно этот процесс и лежит в основе большинства способов электрического воздействия на атмосферу с помощью расположенных на земной поверхности устройств. Под действием электрического потенциала земной поверхности и движения воздуха (ветра) образующиеся в результате токов короны с проводников ионы рассеиваются в некотором объеме атмосферы вблизи проводника, образуя отрицательный объемный заряд.

Этот механизм формирования конвекции лежит в основе многих технических решений, касающихся изменения погоды (см., например, патенты RU №№2060639, 2090057, 2098942, 2100923, 2101921, 2101922, 2105463, 2112357, 2115296, 2124820, 2144760, 2161881, 2233578, 2245026).

В качестве ионизаторов могут быть использованы разнообразные устройства. В местах, где требуется постоянный контроль за атмосферными условиями, например на аэродромах или опасных участках автомобильных дорог, могут быть применены стационарные устройства в виде растянутых на опорах на значительной территории электрических проводников, как, например, это предложено в технических решениях по патенту RU 2105463 или WO 98/19017. Во многих случаях целесообразно использовать более компактные устройства, в которых коронирующий проводник большой длины распределяется в небольшом пространстве. Например, в установке по патенту RU 2161881 коронирующий электрод выполнен «сетчатым» - проводник закреплен на каркасе или группе каркасов, имеющих форму пирамиды, а в устройстве по патенту RU 2233578 - по поверхности типа опрокинутой пирамиды или конуса. Конструкция ионизатора может быть осложнена путем добавления в него специальных элементов, таких как экстрактор ионов (RU 2233578). Такие ионизаторы способны вызывать формирование гораздо более интенсивных восходящих конвекционных потоков воздуха, нежели просто растянутые над земной поверхностью коронирующие проводники.

В ряде технических решений предложено управление атмосферными процессами, включающее регулирование режима формирования конвекционных потоков воздуха. В частности, предложено осуществлять эмиссию в окружающий электроды воздух ионов различной полярности. В соответствии с патентом RU 2115296 за счет потока отрицательных ионов создается восходящий ток воздуха, а на расстоянии 1-10 км вдоль земной поверхности от места введения в атмосферу отрицательных ионов в атмосферу вводят поток положительных ионов, создающий нисходящий ток воздуха. Поток положительных ионов вводят в зону, расположенную по направлению ветра от зоны формирования восходящего тока воздуха во время прохождения над заданной территорией конвективного обмена. В патенте RU 2098942 предполагается, что усиление конвекционного потока воздуха, инициируемого восходящим током отрицательных ионов, достигается с помощью расположенных по периферии формируемого конвенционного потока установок, генерирующих положительные ионы. Аналогичный подход, с переменой знака зарядов, предложен в патенте RU 2112357, согласно которому основными коронирующими проводниками генерируют поток положительно заряженных частиц, а вспомогательными проводниками, расположенными вокруг основных, генерируют потоки отрицательно заряженных частиц. При изменении направления ветра работа устройства регулируется изменением режима генерации ионов с дополнительных проводников.

Однако попытка повысить эффективность воздействия на атмосферу, используя эмиссию положительных ионов, не учитывает наличия положительно заряженных частиц в самой атмосфере и их влияния на динамику атмосферных процессов. В действительности, положительно заряженные частицы атмосферы должны иметь тенденцию стремиться к имеющей отрицательный электрический потенциал земной поверхности и, соединяясь с электрически нейтральными мелкими каплями влаги, инициировать нисходящие потоки воздуха. Так поддерживается конвекция воздушных масс. Это означает, что предложенная в патентах 2115296, 2098942 и 2112357 эмиссия положительных ионов в атмосферу блокирует указанный процесс. Во-первых, излучаемые положительные ионы не в состоянии, подобно отрицательным ионам, подниматься на значительную высоту вследствие сдерживающего такое движение влияния отрицательного потенциала земной поверхности. Во-вторых, положительные ионы атмосферы не могут двигаться навстречу потоку генерируемых коронирующими проводниками положительных ионов и образовывать нисходящие потоки воздуха. Поэтому генерируемые коронирующими проводниками потоки положительных ионов, в значительной мере, будут рассеиваться в атмосфере, и эффективность метода воздействия на атмосферу различных по знаку электрических зарядов не будет высокой.

Поэтому более эффективным является регулирование режима формирования конвекционных потоков в атмосфере с помощью эмиссии именно отрицательных ионов, как, например, это осуществляется в более близком к заявленному изобретению техническом решении по патенту RU 2090057, согласно которому такое регулирование включает прекращение формирования восходящего потока воздуха на время прохождения над местом ионизации компенсирующих нисходящих потоков воздуха. В этом техническом решении используется ионизатор, включающий коронирующий и заземленный электроды, а также может быть предусмотрено наличие экстрактора электронов и ионов. Однако режим работы известного ионизатора в процессе эмиссии ионов является постоянным и в его объеме формируется электрическое поле однородной напряженности. То есть, несмотря на то, что создается мощный поток отрицательно заряженных частиц, возможности управления развитием конвекции в атмосфере остаются ограниченными, что не позволяет считать известные способ и устройство универсальным средством изменения погоды.

Следовательно, все еще актуальной остается задача разработки эффективного метода воздействия на атмосферу с целью изменения погоды над заданной территорией.

Раскрытие изобретения

Поставленная задача решается тем, что в способе управления атмосферными процессами, включающем ионизацию воздуха с земной поверхности для создания объемного электрического заряда, посредством создаваемого нескомпенсированного объемного электрического заряда линеаризуют напряженность электрического поля от земной поверхности до заданной высоты.

Более конкретно, поставленная задача решается тем, что линеаризацию напряженности электрического поля обеспечивают формированием чередующихся зон стока положительно заряженных частиц к земной поверхности, вызывающих нисходящие токи воздуха, и зон истока отрицательно заряженных частиц от земной поверхности, формирующих восходящие токи воздуха.

В частности, задача решается тем, что нисходящие потоки частиц (ионов) увлекают за собой нейтрально заряженные частицы, которые в свою очередь претерпевают разделение на крупные, относительно тяжелые положительно заряженные частицы и легкие отрицательно заряженные частицы.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что движущиеся навстречу друг другу смежные противоположно заряженные потоки заряженных частиц стимулируют процессы коагуляции и тем самым обеспечивают управление динамикой развития атмосферных процессов за счет создаваемой конвекции проникающего типа в атмосфере под влиянием регулируемого приземного электрического поля.

Для решения поставленной задачи используется устройство, включающее установленные на местности один или группу ионизаторов воздуха для излучения в атмосферу отрицательных ионов, отличающееся тем, что в ионизаторе или группе ионизаторов имеется участок для нейтрализации поступающих из атмосферы положительных ионов.

Предпочтительно устройство для управления атмосферными процессами содержит коронирующий электрод, экстрактор эмиссии электронов и некоронирующий электрод-коллектор, при этом участок для нейтрализации поступающих из атмосферы положительных ионов создают посредством формирования неоднородного электрического поля, регулируя потенциалы, подаваемые на электроды, или расстояние между электродами.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показано формирование зон (а) стока положительных зарядов, зон (b) истока отрицательных заряженных частиц и областей (с) интенсивной коагуляции. Стрелками показана схема развития конвекции проникающего типа за счет нисходящих и восходящих потоков.

На фиг.2 изображена конструкция ионизатора. Потенциал U1 предназначен для питания эмиттера (3), потенциал U2 предназначен для питания экстрактора (4), а коллектор (5) соединен с положительным полюсом источника питания Бп (батареи (2)) и заземлен. Расстояние между боковыми электродами эмиттера и экстрактора обозначено «d1», a расстояние между нижними рамками - «d2». Знаком «-» обозначены отрицательные ионы, знаком «+» - положительные ионы; кружками обозначены облачные незаряженные частицы. Стрелками показано направление движения ионов.

На фиг.3 показан процесс формирования облаков для последующего вызывания осадков. Время включения ионизатора обозначено «t1», время прерывания включения ионизатора - «t2». Стрелкой W обозначено направление движения облаков. Стрелками без обозначений показано движение положительных (+) и отрицательных (-) ионов и движение восходящих и нисходящих потоков воздуха.

На фиг.4 изображен процесс рассеяния облаков верхнего (Оа) и нижнего (Ob) яруса облаков. Стрелкой W1 показано направление движения облаков верхнего яруса, а стрелкой W2 - направление движения нижнего яруса облаков.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

Для рассеяния облачности или вызывания осадков над заданной территорией на местности устанавливают ионизатор (1) или группу таких ионизаторов.

Отдельный ионизатор (1) (фиг.2) содержит источник питания - батарею (2) постоянного электрического тока и электроды (3, 4, 5). Батарея (2) имеет два отрицательных полюса (U1) и (U2) и один положительный полюс (+). Один из отрицательных полюсов, полюс (U1) батареи (2), является источником высокого отрицательного потенциала и соединен с электродом (3), который выполняет функцию эмиттера электронов при возникновении на нем тока короны. Второй отрицательный полюс, полюс (U2), батареи (2) является источником небольшого отрицательного управляющего потенциала и соединен с электродом (4), выполняющим функцию экстрактора электронов, стекающих с эмиттера (3) при подаче на него регулируемого потенциала, путем создания нелинейного (неоднородного) электрического поля между этими электродами. Электрод (5) (коллектор), изготовленный из некоронирующих проводов, соединен с положительным полюсом батареи (2), заземлен и служит для обеспечения необходимого потенциала напряженности поля между эмиттером и коллектором. Центральная область ионизатора представляет собой участок (f) для нейтрализации поступающих из атмосферы положительных ионов.

При подаче питающих потенциалов на электроды (3) и (4) под действием потенциала U3=(U1-U2) за счет тока короны происходит эмиссия электронов с электрода (3) преимущественно в сторону электрода (4). В области участка (f) эмиттируемый поток электронов осуществляет перезаряд стекающих из атмосферы положительных ионов, переводя их в нейтральные или отрицательно заряженные ионы, которые далее перемещаются преимущественно в нижнюю часть ионизатора (1). Одновременно с этим эмиттированные с электрода (3) электроны обеспечивают исток отрицательных ионов из области действия электродов (3) и (5), которые под действием отрицательного потенциала ионизатора и Земли движутся по вертикали вверх. Образовавшиеся потоки отрицательных ионов формируют в столбе атмосферы нескомпенсированный отрицательный объемный заряд, который обеспечивает линеаризацию (однородность) напряженности поля до необходимых высот, что значительно ускоряет процессы движения ионов и, тем самым, динамику развития атмосферных процессов.

Сформированное отрицательное электрическое поле под действием возникающих электрических сил приводит в движение положительные заряды по вертикали вниз и, в зависимости от величины потенциала U3, вызывает стоковые нисходящие потоки воздуха с необходимых высот в атмосфере преимущественно в направлении центра ионизатора. Одновременно с этим под действием отрицательных ионов образуются восходящие потоки отрицательных ионов. Взаимодействие этих потоков по пути следования в атмосфере стимулирует интенсивную коагуляцию обводненных частиц в столбе атмосферы и, тем самым, в атмосфере формируется конвекция проникающего типа. Схема формирования потоков в атмосфере показана на фиг.1.

Функционирование ионизатора при воздействиях на реальные атмосферные процессы осуществляется следующим образом.

При включении устройства с электрода-эмиттера (3) начинает происходить эмиссия электронов, которые при взаимодействии с молекулами воздуха осуществляют их ионизацию. При этом в столбе атмосферы начинается сток положительных ионов в направлении к земной поверхности в область участка (f) ионизатора (1). В свою очередь, нескомпенсированные отрицательные ионы образуют встречные восходящие потоки (исток). В результате этого не скомпенсированный объемный заряд перемещается по высоте в атмосфере, и при взаимодействии этих потоков обводненных ионов происходит коагуляция частиц, в зоне действия ионизатора в атмосфере формируются конвекционные потоки, которые при определенной технологии включения ионизаторов позволяют управлять атмосферными процессами в нужном направлении.

Управление атмосферными процессами осуществляется в зависимости от конкретной ситуации и поставленной задачи.

Пример 1. Вызывание осадков

1. При отсутствии ветра, например, в зоне антициклона сформированная ионизаторами конвекция позволяет сформировать облака вертикального развития (см. фиг.1) и в процессе работы ионизатора рабочими циклами обеспечить рост облачных частиц до размера частиц осадков. В результате в заданном месте выпадают осадки в виде дождя.

2. При наличии ветров на уровне формируемых облаков для вызывания осадков целесообразно использовать несколько ионизаторов (1a, 1b, ...), разнесенных в пространстве (см. фиг.3). На начальном этапе воздействия один из ионизаторов (1а) включают на время t1. Под его воздействием образуется облако О1 с развивающимися в нем за счет восходящих потоков воздуха конвекционными процессами. Развившиеся восходящие потоки в облаке О1 стимулируют нисходящие потоки воздуха по его периферии, которые, в свою очередь, порождают восходящие потоки на определенном расстоянии от вновь сформированного облака. По мере переноса облаков ветром на время t2 прохождения нисходящих потоков воздуха работу ионизатора (1а) прерывают. В свою очередь, при прохождении облака О2 включают следующий, отнесенный в пространстве от первого другой ионизатор (1b) на время порядка t1 и при оптимальном режиме питания этого ионизатора стимулируют образование дополнительных нисходящих и восходящих потоков воздуха, которые усиливают развитие конвекции в облаке. При последовательном включении ионизаторов 1а и 1b на определенном этапе циклических воздействий на проходящие над ними облака обеспечивается вызывание осадков из созданного облачного массива.

Пример 2. Рассеяние туманов и облаков

1. При рассеянии туманов или малоподвижной облачности с помощью группы ионизаторов в этих образованиях осуществляют поддержание режима нисходящих (стоковых) потоков и нейтрализацию положительных частиц. Одновременно в атмосферу закачивают отрицательный нескомпенсированный объемный заряд, который приводит к интенсивному рассеянию облаков и туманов в заданной области за счет развитой конвекции, а также за счет сноса ветром одноименно отрицательно заряженных частиц, обусловленных Кулоновскими силами отталкивания. Процесс рассеяния локальных областей в облаках и туманах может занимать время от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от происходящих в текущий период времени в атмосфере процессов.

2. При необходимости рассеяния фронтальной или циклонической облачности, с наличием ветров значительной силы и направлений на различном уровне расположения облаков (см. фиг.4) воздействие осуществляют с помощью нескольких устройств, размещенных в рабочей зоне по определенной схеме. Ионизатор 1а размещают в направлении ветра (горизонтальный ветер на фиг.4) к защищаемой территории на удалении нескольких километров от нее. Затем этот ионизатор включают на время, достаточное для частичного или полного рассеяния преимущественно верхнего слоя (Оа) облаков. Ионизатор 1b устанавливают по ветру другого направления к защищаемой территории на удалении нескольких сот метров от нее и осуществляют воздействие до тех пор, пока не произойдет частичное или полное рассеяние преимущественно нижнего слоя (Ob) облаков. При работе ионизаторов 1а и 1b происходит сток и нейтрализация положительно заряженных атмосферных частиц и одновременно осуществляется исток отрицательно заряженных частиц в атмосферу. Сформированный на уровне облаков нескомпенсированный отрицательный заряд способствует рассеянию облаков в локальных зонах атмосферы.

Способ заключается в ионизации воздуха с земной поверхности ионизатором для создания объемного электрического заряда. Дополнительно создают некомпенсированный объемный электрический заряд, которым линеаризуют напряженность электрического поля по высоте. Для линеаризации напряженности электрического поля формируют ионизатором или группой ионизаторов, по меньшей мере, зону стока положительно заряженных частиц к земной поверхности, вызывающую нисходящие токи воздуха, и, по меньшей мере, смежную зону истока отрицательно заряженных частиц от земной поверхности, вызывающую восходящие токи воздуха. Ионизатор содержит источник питания, электрод-эмиттер, электрод-экстрактор и заземленный электрод, подсоединенные к источнику питания. Источник питания выполнен с двумя отрицательными полюсами U1 и U2 и положительным полюсом. Заземленный электрод подсоединен к положительному полюсу источника питания. Электрод-эмиттер подсоединен к первому отрицательному полюсу U1, а электрод-экстрактор - ко второму отрицательному полюсу U2 с возможностью образования потенциала U3=(U1-U2) между электродом-эмиттером и электродом-экстрактором. Изобретение позволяет обеспечить управление атмосферными процессам, приводящими к рассеянию облачности и туманов или выпадению осадков. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ управления атмосферными процессами, включающий ионизацию воздуха с земной поверхности ионизатором для создания объемного электрического заряда, отличающийся тем, что дополнительно создают некомпенсированный объемный электрический заряд, которым линеаризуют напряженность электрического поля по высоте, при этом для линеаризации напряженности электрического поля формируют ионизатором или группой ионизаторов, по меньшей мере, зону стока положительно заряженных частиц к земной поверхности, вызывающую нисходящие токи воздуха, и по меньшей мере, смежную зону истока отрицательно заряженных частиц от земной поверхности, вызывающую восходящие токи воздуха.2. Ионизатор для управления атмосферными процессами, содержащий источник питания, выполненный с отрицательным полюсом U1 и положительным полюсом, электрод-эмиттер, электрод-экстрактор и заземленный электрод, подсоединенные к источнику питания, причем заземленный электрод подсоединен к положительному полюсу источника питания, а электрод-эмиттер - к отрицательному U1, отличающийся тем, что источник питания выполнен со вторым отрицательным полюсом U2, подсоединенным к электроду-экстрактору с возможностью образования потенциала U3=(U1-U2) между электродом-эмиттером и электродом-экстрактором.3. Ионизатор по п.2, отличающийся тем, что источник питания выполнен с возможностью регулирования потенциалов U1 и U2.4. Ионизатор по п.2, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью регулирования расстояния между электродом-эмиттером и электродом-экстрактором.