УСТРОЙСТВО КОРРЕКЦИИ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЙ Российский патент 2015 года по МПК A01G15/00 

Изобретение относится к области метеорологии и может найти применение в региональных Центрах МЧС для изменения естественной циркуляции воздуха при антициклональных погодных условиях.

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.

Известно два основных способа изменения погодных условий:

- рассеивание в облаках химических реагентов с самолетов, либо их обстрел 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.ru] - аналог. Установка состоит из излучающей системы, источника высоковольтного питания и контрольно-измерительной аппаратуры. Излучающая система состоит из набора отдельных модулей, электрически соединенных между собой на удалении 10 м друг от друга, в виде коронирующих электродов, изолированных от земли, создающих восходящий воздушный поток, нарушающий естественную динамику воздухообмена и динамическое равновесие водяного пара в примыкающем к Земле слое воздуха.

Недостатками аналога являются:

- малая концентрация аэроионов, недостаточная для какого-либо оперативного изменения погодных условий;

- отсутствуют средства канализации аэроионов в направленный поток.

Известно «Устройство инициирования процессов в атмосфере»

Патент Ru 2.502 256 от 27.12.2013 г. - ближайший аналог.

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 соостно 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, обеспечивающей восходящий конвективный поток ионов с концентрацией, вызывающей лавинный процесс конденсации водяных паров в атмосфере.

Недостатком ближайшего аналога является малая величина тока коронирования (единицы мкА) и, как следствие, необходимость длительного воздействия на атмосферу (7-12 час) от системы излучателей до начала выпадения осадков.

Задача, решаемая заявленным устройством, состоит в увеличении мощности и турбулентности восходящего конвективного потока ионов за счет ударной ионизации молекул воздуха пучком высокоэнергетичных электронов от ускорителя элементарных частиц для ускоренной коагуляции молекул водяного пара на ионах.

Поставленная задача решается тем, что устройство коррекции погодных условий содержит линейный ускоритель для бомбардировки молекул воздуха коллимированным пучком высокоэнергетичных электронов в вертикальной плоскости в составе секции инжекции электронов и выходной секции, работающей в режиме регулировки энергии электронов в пучке путем изменения высокочастотного электромагнитного поля накачки посредством аттенюатора, торец выходной секции охвачен витками соленоида, для завихрения образуемого при бомбардировке потока ионов в вертикальной плоскости, и электрически включенного в цепь заземлителя источника питания ускорителя.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг 1 - функциональная схема устройства;

фиг 2 - содержание водяного пара в воздухе в зависимости от температуры;

фиг 3 - рабочие характеристики излучателей 1) ближайшего аналога 2) заявленного устройства;

фиг 4 - канализация потока ионов его завихрением магнитным полем соленоида;

фиг 5 - инерционность процесса выпадения осадков 1) ближайшего аналога 2) заявленного устройства.

Устройство коррекции погодных условий (фиг.1) содержит линейный ускоритель 1 для бомбардировки молекул воздуха коллимированным пучком высокоэнергетичных электронов в вертикальной плоскости, в составе секции инжекции электронов 2, выходной секции 3 регулировки энергии пучка посредством аттенюатора 4, излучающий торец 5 выходной секции 3 охвачен витками соленоида 6, расположенного в вертикальной плоскости и электрически включенного в цепь заземлителя 7 источника питания 8 ускорителя, стойку-стеллаж 9 для монтажа и размещения устройства на местности из профильного композитного высокопрочного изоляционного материала.

Динамика функционирования элементов устройства состоит в следующем. Установленным является физическое явление гидратации первичных ионов, состоящее в присоединении дипольных молекул воды (из водяного пара воздуха) к несущим электрический заряд ионам. Концентрация водяного пара в атмосфере воздуха иллюстрируется фиг.2. 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 генерируемых ионов в объеме и длительности воздействия. В случае резкого увеличения скорости ионизации, как это имеет место при облучении атмосферы мощным пучком элементарных частиц, гидратация ионов приобретает взрывной характер (в литературе этот процесс называют ионостимулированной нуклеацией) и образуются крупные ионные кластеры размером в несколько микрон. Происходит конденсация водяного пара, при которой выделяется скрытая теплота испарения. В одном кубическом метре воздуха сдержится (фиг.2) примерно один моль водяного пара H₂O (моль водяного пара равен 18 г), при конденсации которого выделяется энергия ≈10 ккал (Теплота парообразования воды 539 ккал/кг, в пересчете на один моль 539 кал/г * 18 г = 9,7 ккал).

Последнее образует восходящий конвективный поток. При превышении числа Ричардсона (градиента скорости теплового потока на концентрацию ионов) [см. например, Труды института прикладной геофизики им. Академика К.Е. Федорова, РАН, Госгидромет, выпуск 90, М, 2011 г., стр.149. т. 150] происходит выпадение осадков и сдвиг антициклонов. Критическими факторами, определяющими инициирование лавинообразных процессов в атмосфере, является мощность ионного потока и его температурный градиент. Мощность потока пропорциональна величине ионного тока, а температурный градиент определяется скоростью образования ионных пар в единице объема, или величиной высвобождаемой энергии, скрытой теплоты конденсации. Для генерации ионов в заявленном устройстве используют процесс ударной ионизации молекул воздуха при облучении пучком высокоэнергетичных электронов от линейного ускорителя (типа ускорителя с регулируемой энергией электронов в диапазоне от 3 до 14 МЭВ) [см. Патент США №4. 118. 653, The ICRIS System Technical Descrition]. Ускорители элементарных частиц (позитронов, электронов, ионов), получившие название «Pelletron», работают при электрических напряжениях порядка нескольких MB и токах единиц МА) [см., например, Пеллетрон, http://ru.wikipedia.org/wiki]. Сравнительная характеристика рабочих режимов (токов ионизации) ближайшего аналога и заявленного устройства иллюстрируется фиг.3.

Скорость образования ионных пар в единице объема зависит от начальной энергии электронов в пучке E₀ (МЭВ), энергии ионизации одной пары ΔE_ion≈0,035 КЭВ, концентрации молекул воздуха (плотность воздуха у поверхности Земли ~1,3 кг/м³, что составляет ≈43 моля/м³) и величины тока ионизации [см., например, журнал, Известия вузов, Радиофизика, том XLV, №4, 2002 г., стр.291-292, Расчет скорости ионизации]. Применительно к параметрам вышеперечисленных ускорителей E₀ ≈14 МЭВ, ток 0,5 мА, скорость образования ионных пар оценивается величиной: .

Плотность концентрации ионов в восходящем потоке достигается также их завихрением в магнитном поле соленоида 6. Известно, что на движущуюся заряженную частицу в магнитном поле действует сила Лоренца: $$\overrightarrow{F}=q\times \overrightarrow{v}\times \overrightarrow{B}$$ , где q - величина заряда частицы 1,6×10^-19 кул, $$\overrightarrow{v}$$ - скорость движения ≈400 м/с, $$\overrightarrow{B}$$ - 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 происходит по винтовой линии, радиус кривизны которой определяется из соотношения: $$R=\frac{m\times v}{q\times B}$$ , где m - масса аэроина кислорода воздуха. Кроме завихрения, аэроион приобретает преимущественное направление перемещения вдоль линий напряженности магнитного поля (вдоль оси соленоида). При известных постоянных значениях величин q, m, v радиус завихрения R зависит только от выбора значений величины $$\overrightarrow{B}$$ . Магнитное поле соленоида 6 создается при протекании через его обмотку постоянной составляющей тока ускорителя, посредством включения соленоида в цепь заземлителя 7 источника питания 8. Напряженность магнитного поля на оси соленоида определяется величиной тока (единица µα), числом витков, диаметром навивки и длиной соленоида. Соленоид выполняет роль «рупора», позволяющего канализировать поток ионов в одном из преимущественных направлений, совпадающем с осью соленоида (вертикально вверх). Полное завихрение потока ионов внутри соленоида достигается при следующих конструктивных размерах: диаметр навивки 2 м, длина 1,5 м, число витков 4.

При расчетных значениях скорости образования ионных пар (~2×10²¹ 1/сек) критические значения числа Ричардсона, при которых происходит выпадение осадков, достигаются в интервале времени ~30 мин после включения устройства. Сравнительные характеристики инерционности процесса ближайшего аналога и заявленного устройства иллюстрируются графиками Фиг.5.

Все элементы устройства выполнены на существующей технической базе. Ускоритель электронов, см. Патент США №4.118.653. Профильный композитный высокопрочный электроизоляционный материал - серийная продукция «Научно-производственного предприятия Ап Атек [см. интернет http://www.apatech.ru, конструктивные профили, металлокомпозиционные накладки]. Мобильный заземлитель выполнен на винтовых свайных элементах СВС-57/1650 [см. интернет, http://www.fundex.su/texnologiya-vintovyx-sv].

Винтовой заземлитель может оперативно вкручиваться в грунт и выкручиваться из него. Эффективность устройства характеризуется большой скоростью ионообразования и, как следствие, сокращением интервала времени до выпадения осадков после включения установки.

Устройство коррекции погодных условий может быть использовано для изменения естественной циркуляции воздуха при антициклональных погодных условиях. Устройство содержит линейный ускоритель (1) для бомбардировки молекул воздуха коллимированным пучком высокоэнергетичных электронов в вертикальной плоскости в составе секции инжекции электронов (2) и выходной секции (3). Выходная секция работает в режиме регулировки энергии электронов в пучке путем изменения высокочастотного электромагнитного поля накачки посредством аттенюатора. Торец (5) выходной секции охвачен витками соленоида (6) для завихрения образуемого при бомбардировке потока ионов в вертикальной плоскости. Соленоид электрически включен в цепь заземлителя (7) источника питания (8) ускорителя. Ударная ионизация молекул воздуха пучком высокоэнергетичных электронов от ускорителя позволяет ускорить коагуляцию молекул водяного пара на ионах и увеличить мощность и турбулентность восходящего конвективного потока ионов. Устройство обеспечивает большую скорость ионообразования и, как следствие, сокращение интервала времени до выпадения осадков после включения установки. 5 ил.

Устройство коррекции погодных условий содержит линейный ускоритель для бомбардировки молекул воздуха коллимированным пучком высокоэнергетичных электронов в вертикальной плоскости, в составе секции инжекции электронов и выходной секции, работающей в режиме регулировки энергии электронов в пучке путем изменения высокочастотного электромагнитного поля накачки посредством аттенюатора, торец выходной секции охвачен витками соленоида, для завихрения образуемого при бомбардировке потока ионов в вертикальной плоскости, и электрически включенного в цепь заземлителя источника питания ускорителя.