СПОСОБ ИНИЦИИРОВАНИЯ СТРУЙНЫХ ТЕЧЕНИЙ В АТМОСФЕРЕ Российский патент 2013 года по МПК A01G15/00 H01T23/00 

Изобретение относится к области метеорологии и может найти применение в региональных центрах МЧС для изменения естественной циркуляции воздуха при антициклональных погодных условиях. Известно два основных способа изменения погодных условий:

- рассеивание в облаках химических реагентов с самолетов, либо их обстрелом высокоточным оружием;

- электрический метод генерации в атмосферу ионов коронирующего электрического разряда.

Известна промышленная установка «Атлант», реализующая электрический метод активного воздействия на метеопроцессы [см. Интернет, http://come/to/atlant_tu.] - аналог

Установка состоит из 20 модулей, на удалении 10 м друг от друга, мощностью 7 квт, создающих восходящий воздушный поток, нарушающий естественную динамику воздухообмена и динамическое равновесие водяного пара в примыкающем к Земле слое воздуха.

Недостатками аналога являются:

- отсутствуют средства канализации ионов в направленный поток;

- концентрация ионов ниже критической, недостаточная для какого либо существенного воздействия на погодные условия.

Известен «Способ воздействия на атмосферные образования». Патент RU №2.098.942, A.01.G, 15/00, 1997 г. - ближайший аналог.

Способ ближайшего аналога включает создание вертикальной конвективной тяги посредством ионизации воздуха и зоны, подпитывающей эту тягу по периферии формируемой вертикальной зоны также посредством группы установок эмитирующих ионы противоположного знака. Сумма токов установки примерно равна току от группы противоположного знака.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- отсутствие средств канализации генерируемых ионов в направленный поток для достижения критических значений концентрации;

- нет теоретического обоснования эффективности воздействия устройства на атмосферные образования.

Задача, решаемая заявленным способом состоит в генерации восходящего конвективного потока ионов с концентрацией и температурным градиентом достаточными, для конденсации на ионах молекул водяного пара, возникновения струйного течения в тропосфере, вызывающего естественный лавинообразный процесс.

Технический результат достигается тем, что способ инициирования струйных течений в атмосфере путем длительного воздействия восходящим конвективным потоком ионов от системы излучателей, поднятых над Землей и разнесенных по площади, образуемого завихрением магнитным полем генерируемых коронирующими электродами ионов и их канализацией посредством соленоидов в каждом излучателе при пропускании через них тока коронирования и разогрева потока ионов электромагнитным полем на длине волны больше критической, для создаваемой плотности концентрации в объеме соленоидов, за счет соосного их охвата элементами спиральной антенны с осевой результирующей диаграммой направленности.

Изобретение поясняется чертежами, где:

Фиг.1 - зависимость тока коронирования от напряжения на коронирующем электроде и количества игл;

Фиг.2 - завихрение ионов магнитным полем в объеме соленоида;

Фиг.3 - проводимость ионизированного газа от плотности концентрации носителей в диапазоне критических длин волн;

Фиг.4 - максвелловское распределение молекул по скоростям в функции температуры;

Фиг.5 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Техническая сущность способа состоит в следующем.

Энергия атмосферных процессов столь велика, что использование прямых методов воздействия на них, с энергетической точки зрения, невозможно. Основной принцип, который реализуется при активных методах воздействия на метеопроцессы - это создание условий, выполняющих роль «спускового крючка» в запуске естественных лавинных процессов. Критические значения параметров характеризуются так называемым числом Ричардсона, которое определяется градиентами температуры и скорости ветра в облачных слоях [см., например, «Труды института прикладной геофизики им. академика К.Е. Федорова», РАН, Госгидромет, выпуск 90, М, 2011, стр.149-150].

Основными факторами, определяющими процесс инициирования течений в заявленном способе, являются плотность ионной концентрации и градиент температуры конвективного потока. Установленным является физическое явление гидратации первичных ионов, состоящий в присоединении дипольных молекул воды (из водяного пара воздуха) к несущим электрический заряд ионам. Процесс гидратации и последующей коагуляции сопровождается выделением энергии (скрытой теплоты испарения) что и создает конвективный поток в тропосфере, [см., например, Лаверов Н.П. и др. «Использование теплового эффекта для дистанционной диагностики радиоактивного заражения окружающей среды», статья в журнале «Геофизика» Доклады Академии Наук, том 441, №2, стр.1-4, 2011 г.].

Быстротечность процесса зависит от длительности воздействия и плотности концентрации носителей заряда. Плотность концентрации достигается величиной напряжения на коронирующих электродах,, количеством излучателей как это иллюстрируется фиг.1, а также канализацией потока генерируемых ионов в одном, преимущественном направлении. Канализация потоков ионов достигается их завихрением в магнитном поле.

Внутренняя энергия газовых молекул определяется их температурой, средняя величина которой составляет 3/2kT. Весь диапазон скоростей молекул задается Максвелловским распределением и иллюстрируется фиг.4 Известно, что на движущуюся заряженную частицу в магнитном поле действует сила Лоренца: $${\overrightarrow{F}}_{л.м.}=q\cdot \overrightarrow{\nu }\cdot \overrightarrow{B}$$ , где q - величина заряда частицы, $$\overrightarrow{\nu }$$ - вектор движения, $$\overrightarrow{B}$$ - вектор индукции магнитного поля [см., например, Советский энциклопедический словарь, под редакцией A.M.Прохорова, М., Советская энциклопедия, 1989 г., стр.735, Лоренца сила].

Сила Лоренца не совершает работы, а лишь искривляет траекторию движения заряженной частицы. Завихрение движения частицы в магнитном поле иллюстрируется фиг.2. Завихрение происходит по винтовой линии, радиус кривизны которой определяется из соотношения: $$R=\frac{m\cdot \nu }{q\cdot B}$$ , где m - масса аэроиона кислорода воздуха. Кроме завихрения, аэроион приобретает преимущественное направление перемещения вдоль линий напряженности магнитного поля. При известных постоянных значениях величин q, m, ν аэроиона радиус завихрения R зависит только от выбора значений величины $$\overrightarrow{B}$$ . Напряженность магнитного поля на оси соленоида при величине тока коронирующего электрода - 10 мкА полностью определяется конструктивными размерами соленоида: числом витков, диаметром навивки, длиной. При значениях тока коронирования - 10 мкА полное завихрение аэроионов внутри соленоида обеспечивается при следующих конструктивных размерах: диаметр навивки 1.5 м, длина 1 м, число витков n=10. Соленоид функционально выполняет роль «рупора», позволяющего канализировать поток аэроионов в одном из преимущественных направлений, совпадающих с осью соленоида. Благодаря канализации потока аэроионов обеспечивается их более высокая концентрация. Для создания температурного градиента в потоке ионов осуществляют разогрев ионов высокочастотным электромагнитным полем, путем соосного охвата соленоидов витками спиральной антенны, подключенной к передатчику. Нагревание потока ионов приводит к расширению газа, снижению его плотности и к созданию вертикального струйного течения в тропосфере.

Диэлектрическая проницаемость ионизированного газа носит комплексный характер. При определенной частоте ионизированный газ ведет себя как диэлектрик с потерями [см. «Советский энциклопедический словарь», под редакцией А.М. Прохорова, М., Советская энциклопедия, 1979 г., стр.402, Диэлектрические потери]. Энергия электромагнитного поля излучаемого антенной превращается в тепловую энергию ионизированного газа. Для эффективного преобразования энергии электромагнитного поля в тепловую энергию нагревания ионов в объеме соленоидов необходимо чтобы его частота была меньше критической. Критическая частота при которой ионизированный газ ведет себя как диэлектрик с потерями задается соотношением: $$f_{кр}\approx 9\sqrt{N}$$ , где N - концентрация ионов $$[\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${м}^3$}\right.]$$ . При токе коронирования ~ 10 мкА, заряде иона g=-1,6·10^-l9 Кл. их концентрация в объеме соленоида (7 м³) составляет N≈8·10¹², а критическая частота f_кр≤25Мгц, длина волны λ>12 м. Диаграмма направленности спиральной антенны имеет осевую симметрию при соотношении длины витка спирали $$\frac{L}{\lambda }$$ в пределах $$\frac{3}{4}$$ до $$\frac{4}{3}$$ ; [см. А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, Антенно-фидерные устройства, учебник Сов. Радио, М., 1967, стр 688-694, Спиральные антенны]. Отсюда, расчетный радиус витка спиральной антенны для соосного охвата соленоида составит R≈2 м. По закону Джоуля-Ленца, количества тепла, выделяемого в единицу времени в единице объема [дж/сек·м³] пропорционально удельной проводимости (ионизированного газа) [g] и квадрату электромагнитной напряженности Е [в/м].

Создавая необходимую напряженность электромагнитного поля высокочастотного генератора, питающего антенну, обеспечивают заданный градиент температуры ионного потока на выходе соленоидов.

Пример реализации способа.

Заявленный способ может быть реализован на базе устройства, выполненного по схеме фиг.5. Устройство, реализующее способ содержит высокую опорную мачту 1 (из композитного диэлектрического материала), на вершине которой на консолях 2 установлены единичные излучатели 3, каждый из которых содержит коронирующий электрод 4, выполненный в виде соленоида 5, с венчиком игл 6 на конце, помещенных в нижний торец соленоида. Витки соленоида, соосно, охвачены витками спиральной антенны 7 с рефлектором 8. Коронирующие электроды излучателей подключены к высоковольтному источнику питания 9, а элементы спиральной антенны подключены к передатчику электромагнитных волн 10. Для создания результирующей осевой диаграммы направленности спиральных антенн, излучатели, симметрично разнесены на концы консолей 2. Мачта 1 снабжена молниеотводом 11. Передатчик, источник питания и молниеотвод подключены к заземлителю 12.

Устройство функционирует следующим образом. При антициклональных условиях, на местности выбирают возвышенный участок и разворачивают на нем устройство, осуществляя подъем вышки - мачты и размещение оборудования. Эффективность применения устройства зависит от плотности ионной концентрации в потоке, мощности электромагнитного поля в спиральной антенне и длительности излучения.

Плотность ионной концентрации определяется количеством коронирующих электродов и напряжением питающего источника. Рабочее напряжение на коронирующих электродах V_раб порядка 100 кВ, что создает ток коронирования ~ 10 мкА с концентрацией ионов в потоке одного излучателя $$\approx 8\cdot 10^{12}\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${м}^3$}\right.$$ . Проводимость ионизированного газа (при критических длинах волн) определяется из соотношения: $$g\approx \frac{e^2}{m}\cdot \frac{N\cdot \gamma }{({\omega }^2+{\gamma }^2)\cdot E_0}$$ , где е, m - заряд и масса иона, N - концентрация 1/м³, ω² - частота электромагнитного поля разогрева потока, γ - число соударений газовых молекул, Е₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, $$0,885\cdot 10^{-11}\left[\raisebox{1ex}{$Ф$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$м$}\right.\right]$$ . Проводимость ионизированного газа от плотности концентрации носителей в диапазоне критических длин волн иллюстрируется фиг.3. Расчетная мощность в элементе антенны единичного излучателя, обеспечивающая температурный градиент ионного потока, составляет ≈300 вт. Элементы устройства выполнены на существующей базе. В качестве передатчиков могут использоваться передающие устройства войсковых радиостанций типа Р-102М и Р-110, мощностью излучения, соответственно 1 и 5 кВт. Повышенное напряжение на коронирующих электродах (до 100 кВ) обеспечивается применением в конструкции мачты полимерных материалов высокой электрической стойкости и долговечности, научно-производственного предприятия «Прикладные перспективные технологии» - «АпАТэК», [см. сайт, Интернет, http://www.apatech.ru, композитные конструкционные профили].

Эффективность устройства достигается за счет реализации критических значений параметров ионного потока. При выше приведенных значениях параметров достигается сдвиг антициклонов и их разрушение за время работы устройства 3…12 час.

Изобретение предназначено для сдвига и разрушения антициклонов в тропосфере. Способ включает длительное воздействие на атмосферу вертикальным восходящим конвективным потоком от системы излучателей, поднятых над Землей и разнесенных по площади, образуемым завихрением магнитным полем генерируемых коронирующими электродами ионов и их канализацией посредством соленоидов в каждом излучателе при пропускании через них тока коронирования и разогрева потока ионов электромагнитным полем на длине волны больше критической, для создаваемой плотности концентрации в объеме соленоидов за счет соосного их охвата элементами спиральной антенны с осевой результирующей диаграммой направленности. Технический результат - образование струйных течений от восходящего потока ионов, изменяющих динамику атмосферных процессов. 5 ил.

Способ инициирования струйных течений в атмосфере путем длительного воздействия восходящим конвективным потоком ионов от системы излучателей, поднятых над Землей и разнесенных по площади, образуемым завихрением магнитным полем генерируемых коронирующими электродами ионов и их канализацией посредством соленоидов в каждом излучателе при пропускании через них тока коронирования и разогрева потока ионов электромагнитным полем на длине волны больше критической, для создаваемой плотности концентрации в объеме соленоидов, за счет соосного их охвата элементами спиральной антенны с осевой результирующей диаграммой направленности.