УСТРОЙСТВО ИНИЦИИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ 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 [см., например патенты Ru №2.218.750, 2003 г., №2.154.371, 2000 г., №2.233.578, 2004 г.]

Известен классический электроэффлювальный ионизатор воздуха (люстра Чижевского) [см. Например, Чижевский А.Л. Аэроины и жизнь, М, Мысль, 1999 г. стр.158-167] - аналог.

Люстра Чижевского содержит высоковольтный кабель, идущий к люстре, колючий «зонт» диаметром порядка 1 м из коронирующих электродов, подвешиваемый под потолком. Недостатками аналога являются:

- малая концентрация аэроионов, недостаточная для какого-либо существенного воздействия на погодные условия;

- отсутствуют средства канализации аэроионов в направленный поток; Дальнейшим развитием «люстры Чижевского» является промышленный ряд ионизаторов модели: Fresh air, РЕАК-III, BORA, Breeze, EPI Plus, EAGLE 5000, [см. Системы экологической безопасности, ECO Quest International, M 2004 г., стр.34-35].

Известна промышленная установка «Атлант», реализующая электрический метод активного воздействия на метеопроцессы [см., Интернет http://come.to/atlant.ru%5d/Ближайшим аналогом является «Устройство для воздействия на электрическое состояние облаков», Патент Ru №2.172.101, 2001 г.Устройство ближайшего аналога содержит генератор высоковольтного напряжения и присоединенный к нему электрод из электропроводящего материала, расположенный на некоторой высоте (Н) над поверхностью Земли, электрод выполнен в виде двух пересекающихся электрически-соединенных секций, секции расположены ортогонально друг другу, длиной L, расстояние А между которыми удовлетворяет неравенству: L≥2H, $$A\le \raisebox{1ex}{$H$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.\cdot М>\raisebox{1ex}{$H$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$A$}\right.$$

М - количество проводников в секции.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- отсутствуют средства канализации генерируемых ионов в направленный поток;

- нет теоретического обоснования эффективности воздействия устройства на электрическое состояние облаков.

Задача, решаемая устройством состоит в генерации восходящего конвективного потока ионов с концентрацией и температурным градиентом достаточными для конденсации на них молекул водяного пара создания струйного течения в тропосфере, вызывающего лавинообразный процесс выпадения осадков.

Поставленная задача решается тем, что устройство инициирования процессов в атмосфере содержит генератор высоковольтного напряжения и присоединенную к нему систему коронирующих электродов, выполненных в виде соленоидов, с венчиком игл на концах, помещенных во внутренний нижний торец соленоидов, создающих ионизированный газ, в режиме завихрения генерируемых ионов магнитным полем в объеме соленоидов, каждый из соленоидов, соосно охвачен витками элементов спиральной антенны, размещенных в двух взаимно ортогональных плоскостях, образующих осевую результирующую диаграмму направленности спиральной антенны, подключенной к высокочастотному передатчику электромагнитных волн с длиной волны больше критической длины волны ионизированного газа и плотностью тока смещения обеспечивающим восходящий конвективный поток ионов с концентрацией, вызывающей лавинный процесс конденсации водяных паров в атмосфере.

Изобретение поясняется чертежами, где:

Фиг.1 - функциональная схема устройства (сечение вертикальной плоскостью);

Фиг.2 - ток коронирования в зависимости от напряжения на электроде и количества «игл»;

Фиг.3-температурная стратификация облачного образования в атмосфере; Фиг.4 - количество водяного пара в м3 воздуха в зависимости от температуры;

Фиг.5 - завихрение движущегося иона в магнитном поле соленоида;

Фиг.6 - Максвелловское распределение молекул воздуха по скоростям в зависимости от температуры.

Устройство инициирования осадков (фиг.1) содержит генератор высоковольтного напряжения 1, систему коронирующих электродов 2, каждый из которых выполнен в виде соленоида 3 с венчиком игл на концах 4, помещенных во внутренний нижний торец соленоидов, каждый из соленоидов охвачен соосно, витками элементов спиральной антенны 5, размещенных в двух взаимно ортогональных плоскостях, с общим рефлектором 6, создающих осевую результирующую диаграмму направленности, антенна подключена к высокочастотному передатчику электромагнитных волн 7.

Техническая сущность изобретения и динамика взаимодействия элементов состоят 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 лавинообразных процессов. Вероятность высева осадков характеризуется 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 г. стр.149-150] Температурная стратификация слоев тропосферы иллюстрируется фиг.3. Основными факторами, определяющими процесс инициирования осадков в заявленном устройстве являются градиент температуры конвективного потока и плотность его ионной концентрации. Установленным является физическое явление гидратации первичных ионов, состоящий в присоединении дипольных молекул воды (из водяного пара воздуха) к несущим электрический заряд ионам. Процесс гидратации ионов и последующей коагуляции (обволакивание) сопровождается выделением энергии (скрытой теплоты испарения) что и создает конвективный поток в тропосфере, [см., например, Лаверов Н.П. и др. «Использование теплового эффекта ионизации атмосферы для дистанционной диагностики радиоактивного заражения окружающей среды» статья в журнале «Геофизика», Доклады Академии Наук, том 441, №2, с 1-4, 2011 г.]. Быстротечность процесса зависит от плотности концентрации ионов в генерируемом объеме и длительности воздействия. Плотность концентрации достигается величиной напряжения на коронирующем электроде, количеством игл (фиг.2), а также канализацией потока ионов внутри объема соленоида 3 (фиг.1). Канализация потока ионов достигается их завихрением в магнитном поле.

Внутренняя энергия газовых молекул определяется их температурой, средняя величина которой составляет 3/2kТ. Весь диапазон скоростей молекул задается Максвелловским распределением и иллюстрируется фиг.6. 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.5. 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 $$\overrightarrow{В}$$ . 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 $$\left[\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${м}^3$}\right.\right]$$ . При токе коронирования ~ 10 мкА, заряде иона g=-1,6·10^-19 Кл их концентрация в объеме соленоида (7 м³) составляет N≈8·10¹², а критическая частота fкр≤25 Мгц, 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. A.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. В соответствии с уравнением Менделеева-Клапейрона для нагревания одного киломоля любого газа необходимо затратить « 2ккал I кмоль·град.

В соответствии с законом Джоуля-Ленца, количество тепла, выделяемого в единицу времени в единице объема пропорционально удельной проводимости и квадрату электрической напряженности $$w\left[\raisebox{1ex}{$дж$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$сек\cdot {м}^3$}\right.\right]=g\cdot E^2$$ , где g - удельная проводимость ионизированного газа, прямо пропорциональная ионной концентрации $$N\left(\raisebox{1ex}{$ед$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${м}^3$}\right.\right)$$ , $$E\left[\frac{в}{м}\right]$$ - электромагнитного поля высокочастотного генератора в спиральной антенне. Для обеспечения температурного градиента потока ионов на выходе соленоидов в десятки градусов, расчетная мощность электромагнитного поля в спиральной антенне должна составлять: 200…300 вт. Заявленное устройство может служить элементарным модулем пространственной системы, размещаемой на площади в несколько гектар, для коррекции погодных условий.

Эффективность устройства зависит от подводимой мощности в спиральной антенне и величины тока коронирования. При выше приведенных значениях параметров ионного потока возникают струйные течения в тропосфере, сдвиг антициклонов и их разрушение за время включения устройства на 3-12 часов.

Изобретение касается метеорологии и может быть использовано для сдвига и разрушения антициклонов в тропосфере. Устройство содержит генератор высокочастотного напряжения и присоединенную к нему систему коронирующих электродов, каждый из которых выполнен в виде соленоида с венчиком игл на концах, помещенных во внутренний нижний торец соленоидов. Каждый из соленоидов соосно охвачен витками элементов спиральной антенны, размещенных в двух взаимно ортогональных плоскостях, с общим рефлектором, создающих осевую результирующую диаграмму направленности. Антенна подключена к высокочастотному передатчику электромагнитных волн. Технический результат - образование в тропосфере струйных течений восходящего потока ионов, изменяющих динамику атмосферных процессов. 6 ил.

Устройство инициирования процессов в атмосфере содержит генератор высоковольтного напряжения и присоединенную к нему систему коронирующих электродов, выполненных в виде соленоидов, с венчиком игл на концах, помещенных во внутренний нижний торец соленоидов, создающих ионизированный газ, в режиме завихрения генерируемых ионов магнитным полем в объеме соленоидов, каждый из соленоидов соосно охвачен витками элементов спиральной антенны, размещенных в двух взаимно ортогональных плоскостях, образующих осевую результирующую диаграмму направленности спиральной антенны, подключенной к высокочастотному передатчику электромагнитных волн с длиной волны больше критической длины волны ионизированного газа и плотностью тока смещения, обеспечивающего восходящий конвективный поток ионов с концентрацией, вызывающей лавинный процесс конденсации водяных паров в атмосфере.