СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СОЗДАНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ ОБЛАКОВ И ОСАДКОВ Российский патент 2020 года по МПК A01G15/00 E03B3/02 E03B3/28 B01D5/00 

Область техники:

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для искусственного увеличения осадков в засушливых регионах.

Уровень техники:

По данным ООН примерно на 30% территории земной суши ощущается нехватка пресной воды, которая усугубляется по мере увеличения народонаселения и площадей орошаемых земель. Изменения климата также привело к сокращению осадков в засушливых регионах и опустыниванию территорий (К. Жанель Обзор: проблема опустынивания на глобальном и региональном уровнях, https://carececo.org/main/news/obzor-problema-opustynivaniya-na-globalnom-i-regionalnom-urovnyakh/).

Для покрытия дефицита пресной воды используются технологии добычи грунтовых вод, опреснения морской воды, использования айсбергов, а также искусственного увеличения осадков путем засева облаков реагентами, способствующими усилению процессов осадкообразования. Применение авиационных, ракетных и наземных способов засева облаков кристаллизующими и гигроскопическими реагентами позволяет увеличить количество осадков на 10 - 15%. Однако в засушливых регионах, где отмечается минимум облачных дней (10 - 15 дней в год), и эта небольшая добавка становится проблематичной.

В отличие от этого в данном изобретении предлагается новый способ увеличения осадков путем создания искусственных облаков при безоблачной ситуации. Научными предпосылками для этого является:

- содержание водяного пара в атмосфере всегда достаточно для образования облаков и осадков даже в аридных регионах;

- образование конвективных облаков над мощными естественными или искусственными источниками тепла, какими являются крупные лесные пожары, действующие вулканы, прогретые солнцем вершины гор, «тепловые острова» над крупными городами, нефтеперерабатывающими комбинатами, атомными и теплоэлектростанциями.

Эти облака, называемые «PyroClouds» и «IndustryClouds», образуются потому, что воздух, прогретый над источниками тепла, становится легче окружающего и поднимается вверх и приводит к формированию облаков, из которых зачастую выпадают ливневые осадки в атмосферных условиях, когда без таких источников тепла естественные облака и осадки не образуются.

Известны способы создания искусственных облаков и осадков, основанные на прогреве приземного воздуха с помощью:

- тепла искусственных пожаров, разжигаемых в прериях и саваннах Южной Америки и Экваториальной Африки (Дессенс А. Можем ли мы изменить климат? Пер. с франц. Л.: Гидрометеоиздат.1969. 119 с.);

- тепла горения нефтепродуктов в различных типах метеотронов:

• факельный метеотрон Дессенса (Дессенс А. Можем ли мы изменить климат? Пер. с франц. Л.: Гидрометеоиздат.1969. 119 с.);

• огнеметный метеотрон Института геологии и геофизики СО РАН (Вульфсон Н.И., Левин Л.М., 1987);

• метеотроны с центробежными форсунками (8 вариантов) Челябинского политехнического института (А.А. Кузнецов Н.Г., Конопасов. Метеотрон. Владимир: Изд-во ВлГУ., 2015. Книга 1. 167 с. Книга 2. 232 с.);

• метеотроны Института Прикладной геофизики Госкомгидромета СССР с реактивными двигателями (Вульфсон Н.И., Левин Л.М., Метеотрон как средство воздействия на атмосферу. М.:, Гидрометеоиздат, 1987. 131 с.);

- тепла солнечной радиации, поглощаемого различными искусственными экранами, включая:

• покрытые асфальтом, черной тканью или черными блоками участки поверхности земли, которые хорошо поглощают солнечную радиацию (Brenig L., Zaady Е., etc. Cloud formation and rainfalls induced by artificial solar setting: A weather engineering project for fighting aridity. Geographical Forum. Year 7, No 7, 2008. P. 67-82.);

• приподнятый над землей зачерненный экран, окруженный системой поворотных зеркал, фокусирующих солнечную энергию на экран (Орановского В.В., патент РФ №2071243, 1997);

• многоярусная гирлянда надутых гелием торроидов с зачерненной поверхностью (Павлюченко В.П., «Способ создания восходящего потока воздуха в атмосфере путем его нагрева» с помощью устройства Гелиатор, патенты РФ №2462026 и №2670059).

Недостатки аналогов:

Ни один из этих перечисленных способов не применяется на практике искусственного увеличения осадков. Причинами этого являются выявленные на стадии их испытаний и экспериментов недостатки:

- Способ инициирования термической конвекции с помощью растительных и лесных пожаров вообще не приемлем из-за ограниченности сжигаемых ресурсов, нецелесообразности таких пожаров и вреда флоре и фауне.

- Способы создания восходящих потоков с помощью метеотронов (факельных, огнеметных с реактивными двигателями) не имеют приемлемой эффективности даже при сжигании огромных количеств нефтепродуктов (от 30 до 430 тонн/час) и приводят к серьезным загрязнениям окружающей среды.

- Способы прогрева приземного воздуха за счет солнечной радиации путем создания асфальтовых и матерчатых покрытий земной поверхности, а также способ Орановского, предусматривающий установку зачерненного экрана на опорах, не реализованы из-за не приемлемо больших затрат. Создание солнечных метеотронов с экранами, имеющими площадь порядка 1÷6 км², очень дорого, а с экранами меньшего размера бесполезно. Например, асфальтированные или бетонированные площади в городах, аэропортах, имеющие площади порядка до 0,1 - 0,3 км², не работают как эффективные солнечные метеотроны.

- Способы по патентам РФ №2462026 и №2670059, как показали наши полевые испытания, не работоспособны, так как многоярусную гирлянду Гелиатора невозможно поднять до высоты хотя бы 500 м из-за большой парусности даже при ветре 1÷2 м/с.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ и устройство создания облаков с помощью реактивной струи, создаваемой суперметеотроном, содержащим авиационные реактивные двигатели (Вульфсон Н.И., Левин Л.М., Метеотрон как средство воздействия на атмосферу. М.:, Гидрометеоиздат, 1987. 131 с.).

Известно, что эффективность этого способа невысокая, так как при подъеме реактивной струи в атмосфере происходит вовлечение окружающего воздуха, увеличение диаметра, постепенное охлаждение и потеря скорости и плавучести. Поэтому подъем реактивной струи прекращается на некоторой высоте, зависящей от вертикальных профилей температуры и влажности воздуха, зачастую до достижения уровня конденсации и без образования конвективного облака.

Сущность изобретения:

Техническим результатом патентуемых решений является повышение эффективности создания конвективных облаков и осадков при безоблачной ситуации за счет оптимального использования термодинамических свойств атмосферы, а также снижение требований к мощности реактивной установки и затрат топлива.

Заявленный технический результат достигается при осуществлении способа создания искусственных облаков и осадков путем инициирования восходящих потоков в атмосфере с помощью реактивного двигателя и туманообразующих пушек, согласно которому в вертикально направленную реактивную струю одновременно вводят три типа грубодисперсных гигроскопических аэрозолей: аэрозоли первого типа состоят из гигроскопичных веществ с гигроскопической точкой h₁<40%; аэрозоли второго типа состоят из гигроскопичных веществ с гигроскопической точкой 41<h₂<70%, а аэрозоли третьего типа состоят из гигроскопичных или слабогигроскопичных веществ с гигроскопической точкой 71<h₃<80%.

Использование трех типов аэрозолей позволит обеспечить конденсацию водяного пара в приземном слое и вышестоящих слоях атмосферы при любой влажности воздуха, которая изменяется по мере подъема реактивной струи. Это приведет к выделению тепла конденсации, повышению плавучести и усилению восходящего потока во всем подоблачном слое, вплоть до достижения уровня естественного облакообразования и запуска процесса осадкообразования.

Эти три типа аэрозоля обеспечивают абсорбцию и интенсивную конденсацию водяного пара при влажности воздуха от 6% до 78%, и может привести к увеличению скорости восходящего потока, начиная от приземного слоя атмосферы до высоты уровня естественного облакообразования. По мере подъема увеличивается диаметр и объем восходящего потока, увеличивается выделение в ней тепла конденсации водяного пара, а после подъема струи выше уровня естественной конденсации запускается процесс облако- и осадкообразования. Таким образом повышается эффективность способа.

В частности, аэрозоли первого типа формируют из водного раствора CaCl₂, или CaCl₂*4H₂O, или CaCl₂*6Н₂О; аэрозоли второго типа - из раствора аммиачной селитры (NH₄NO₃), или нитроаммофоски (NH₄NO₃+NH₄H₂PO₄), или карбоаммофоски (NH₂)₂CO+NH₄H₂PO₄); а аэрозоли третьего типа - из раствора поваренной соли NaCl или карбамида (NH₂)₂СО. При этом аэрозоль первого типа формируют путем мелкодисперсного распыления с помощью системы форсунок, размещенных по кольцу вокруг реактивной струи с расходом не менее 40 л/мин, аэрозоли второго и третьего типов формируют путем мелкодисперсного разбрызгивания с помощью вертикально направленных туманообразующих пушек с расходом более 40 л/мин (возможно 50±20 л/мин) каждого из водных растворов.

Для исключения засорения форсунок водные растворы аэрозолей всех типов готовят в концентрации 80÷90% от насыщающей и распыляют до размера капель 10÷20 мкм для формирования аэрозолей размером 5÷10 мкм в концентрации около 4⋅10¹¹ частиц/с каждого вида и расходом массы каждого вещества не менее 30 кг/с.

Может также осуществляться распыление в реактивной струе готовых солевых порошков указанных веществ с размерами частиц от 1 до 10 мкм с общим расходом каждого вещества порядка 30 кг/мин.

Для повышения эффективности предпочтительно соблюдать следующие условия: искусственные облака и осадки создают преимущественно с 15 до 17 часов местного времени на возвышенной местности при сочетании следующих атмосферных условий: скорость приземного ветра менее 2 м/с, толщина задерживающих слоев ниже уровня конденсации не более 500 м, потенциальная энергия конвективной неустойчивости выше уровня конденсации САРЕ > 200 Дж/кг, влажность приземного воздуха не менее 30%.

Также технический результат достигается за счет устройства для осуществления указанного способа, которое содержит авиационный реактивный двигатель с воздухоприемником и устройством поворота реактивной струи, топливной системой, электрической системой запуска и управления, а также системы распыления водных раствор первого типов, представляющие собой систему форсунок установленную по периметру устройства поворота реактивной струи для распыления аэрозоля первого типа, и две туманообразующие пушки для распыления аэрозолей второго и третьего типов с вентиляторами мощностью не менее 20 КВт, системами управления, электропитания аэрозолей второго и третьего типа, при этом реактивный двигатель и туманообразующие пушки конструктивно объединены в единую систему, обеспечивающую истечение в зенит и соосность истечения реактивной струи и двух газокапельных струй, а их воздухоприемники выполнены в виде отводов для забора воздуха сверху через мелкоячеистую сетку, исключающую засасывание птиц и других предметов, причем площади втока воздуха в 2 раза превышают площади истока.

При этом устройство поворота реактивной струи в зенит содержит конусовидный диффузор, служащий для расширения струи, который узкой стороной присоединен к выходу сопла двигателя, а широкой стороной - к отводу, служащему для поворота струи, причем для снижения потерь выходное сечение диффузора увеличено по сравнению с входным более чем в 2 раза, а отвод выполнен с радиусом гиба в 2 раза больше радиуса трубы, угол поворота ограничен 70°, а выход отвода срезан в горизонтальной плоскости с возможностью обеспечения истечения реактивной струи вверх.

Экспериментально было установлено, что количество форсунок, установленных на кольцеобразной трубе, предпочтительно должно быть выбрано из диапазона 80÷100 форсунок, которые размещены по контуру сопла для создания реактивной струи и воздушных струй туманообразующих пушек, имеют диаметр сопел около 0,3÷0,5 мм, и распыляют не менее 40 л/мин растворов гигроскопических веществ на капельки диаметром 10÷20 мкм, при мгновенном испарении которых в реактивной струе образуется гигроскопический аэрозоль оптимального для конденсации водяного пара диаметра около 5÷10 мкм.

Краткое описание чертежей

Далее решение поясняется со ссылками на фигуры, на которых изображено следующее.

Фигура 1 - Устройство для создания восходящих потоков и искусственных облаков, где:

1 - двухконтурный турбореактивный двигатель; 2 - воздухоприемник двигателя; 3 - устройство поворота струи в зенит; 4 - станина; 5 и 6 - туманообразующие пушки для распыления водных растворов двух гигроскопических веществ; 7 - реактивная струя; 8 и 9 - газокапельные струи туманообразующих пушек; 10 - система форсунок для распыления водного раствора гигроскопического вещества; 11 - кольцеобразная труба для размещения форсунок и подачи водного раствора третьего гигроскопического вещества; 12 - отвод воздухоприемника; 13 - мелкоячеистая металлическая сетка; 14 - система форсунок для распыления чистой воды на входе воздухоприемника; 15 - вид системы форсунок туманообразующей пушки.

Фигура 2 - Устройство поворота реактивной струи в зенит, где:

16 - конусовидный диффузор; 17 - отвод на 70°; 18 - выход сопла двигателя; 19 и 20 - соединительные фланцы; 21 - выход отвода, срезанный в горизонтальной плоскости.

Технический результат достигается с помощью устройства, показанного на фигуре 1, в котором в состав известного устройства, содержащего турбореактивный двигатель 1, воздухоприемник 2, устройство поворота струи в зенит 3, закрепленные на общей станине 4, и снабженного топливной системой, системами электропитания и управления (на фигуре 1 не показаны), введены две туманообразующие пушки 5 и 6, установленные так, чтобы реактивная струя 7 и газокапельные струи тумана 8 и 9, истекая соосно, образовали единую струю восходящего потока, насыщенную двумя типами гигроскопических аэрозолей, а также введена система форсунок 10, размещенных по кольцу 11 вокруг выхода устройства поворота струи 3.

Воздухоприемник турбореактивного двигателя 2 (фигура 1) выполнен в виде отвода 12 с круглым или прямоугольным сечением, на входе которого установлена металлическая сетка из нержавеющей стали 13 с мелкой ячейкой для защиты двигателя от попадания посторонних предметов, а также система форсунок 13, служащая для мелкодисперсного (до 10 мкм) распыления воды и охлаждения воздуха, сжимаемого в компрессоре, с целью повышения давления сжатия и увеличения скорости реактивной струи 7. Выход воздухоприемника соединен со входом двигателя с помощью круглого фланца (на фигуре не показан).

Конструкция воздухоприемника выполнена в виде отвода с забором воздуха сверху через мелкоячеистую сетку с целью обеспечения безопасности персонала и предотвращения попадания в двигатель птиц и различных предметов. Площадь забора воздуха в 2 раза превышает площадь втока в двигатель, чтобы исключить «захлебывание» двигателя из-за недостатка воздуха.

Поскольку турбореактивный двигатель не может длительное время работать в вертикальном положении, он снабжен устройством поворота струи в зенит, представленным на фигуре 2. Устройство поворота 3 состоит из диффузора 16, служащего для расширения струи, и отвода 17, служащего для поворота струи. Вход диффузора присоединен к выходному соплу двигателя 18 посредством фланца 19, а выход с помощью фланца 20 соединен с отводом 17. Для снижения потерь при повороте струи выходное сечение диффузора увеличено по сравнению с входным более чем в 2 раза, а отвод 17 выполнен с радиусом изгиба в 2 раза больше радиуса трубы, угол поворота ограничен 70°, а выход отвода 21 срезан горизонтально, чтобы обеспечить истечение реактивной струи вверх. С учетом потерь в поворотном устройстве скорость реактивной струи на выходе в атмосферу составляет около 300 м/с, а температура около 300°С. При этом сечение струи увеличено в 2 раза и сохранен поток массы реактивных газов, равный в номинальном режиме работы двигателя 200 кг/с.

Туманообразующие пушки 5 и 6 с системами форсунок типа 15, мощными вентиляторами и автономными системами электропитания, управления и емкостями (на фигуре 1 не показаны) служит для распыления водных раствора двух разных гнгроскопическнх веществ с разными гигроскопическими точками (например, нитроаммофоска и поваренная соль) до размера около d_s=15 мкм и создания скоростных газокапельных струй 8 и 9, сливающихся на высоте 30 - 50 м с реактивной струей.

В качестве туманообразующих пушек 5 и 6 используется широко применяемые для пылеподавления, опрыскивания растений и создания искусственного снега пушки, но, обеспечивающие, во-первых, истечение газокапельных струй почти в зенит (на угол 85°±5°) для слияния с реактивной струей, и, во-вторых, системы распыления, содержащие около 60÷100 форсунок с диаметром сопла 0,3÷0,5 мм, которые обеспечивают разбрызгивание водных растворов тигроскопнческнх веществ в количестве не менее 3÷6 м³/ч на капельки диаметром около 15 мкм. Высота подъема газокапельной струн такой пушки зависит от давления распыления и мощности вентилятора. Например, при давлении центробежного насоса, равном 3 МРа и мощности двигателя вентилятора около 25÷30 кВт в безветренной атмосфере струя достигает 60÷80 м по горизонтали или около 50 м по вертикали.

Система форсунок 10, служащая для разбрызгивания концентрированного водного раствора гигроскопического вещества типа CaCl₂*6H₂O или CaCl₂*4H₂O и формирования аэрозоля с низкой гигроскопической точкой, размещена по кольцу 11 вокруг отвода 17, и содержит около 100 форсунок с диаметром сопел 0,3÷0,5 мм, помпу на 10 атм и емкость для раствора.

Быстрое испарение капелек раствора массой M_s, создаваемых этой системой форсунок и туманообразующей пушкой, приводит к образованию в обоих случаях гигроскопического аэрозоля со среднекубическим диаметром d₃ в количестве N:

При распылении, например, M_s=60 кг/мин (1000 г/с) концентрированного водного раствора CaCl₂, имеющего плотность ρ_s=1,4 г/см³, на капли диаметром d_s=15 мкм, в каждую секунду образуется N ≈ 4⋅10¹¹ частиц аэрозоля диаметром около d_a=10 мкм. При их введении в реактивную струю, имеющую расход массы m₀=200 м³/с, в ней образуется концентрация аэрозоля не менее 4⋅10⁹ м^-3. При этом потери тепла на испарение капель составят около 1 МДж/с, что пренебрежимо мало в сравнении с теплосодержанием реактивной струи.

Осуществление изобретения (перечень последовательности операций)

Предлагаемый способ создания искусственных облаков и осадков реализуется следующим образом.

Выбор места и оборудование позиции:

Позицию целесообразно выбрать на таком удалении от жилых и служебных объектов, чтобы уровень шума работающего авиационного двигателя (120 дБ) не превышал допустимый ВОЗ уровень 80 дБ. Благоприятным для получения целевого результата является горное плато высотой 800 - 1800 м, чтобы, во-первых, исключить влияние приземных слоев инверсии, а во-вторых, чтобы реактивная струя могла быстрее достигать уровня конденсации и запустить процесс формирования искусственных облаков.

На выбранной позиции на бетонном фундаменте крепится станина 4 с устройством 1. Вокруг устройства 1 монтируются туманообразующие пушки, топливная система и системы электропитания двигателя и пушек, емкости для воды и трех вариантов водных растворов гигроскопических веществ, а также аппаратура метеорологических наблюдений и измерения параметров атмосферы и искусственных облаков и осадков, включая метеостанцию, профайлер температуры и влажности воздуха, тепловизор, ветровой лидар, аппаратуру приема данных радиозондирования атмосферы, спутниковой и синоптической ситуации, метеорологический радиолокатор, фото- и видеокамеры.

Выбор дней с благоприятными атмосферными условиями:

Эффективность создания искусственных облаков и осадков зависит от параметров атмосферы, включая вертикальные профили температуры, влажности и скорости ветра в атмосфере, наличие и вертикальные протяженности слоев инверсии температуры. Наиболее благоприятными для создания искусственных облаков по данным теоретического моделирования (еще не опубликованным) являются следующие атмосферные условия:

- наличие положительной потенциальной энергии неустойчивости выше уровня конденсации;

- наличие небольшого слоя инверсии температуры ниже уровня конденсации, сдерживающего развитие естественных облаков;

- малые скорости приземного ветра и малые сдвиги ветра до высот 3-4 км;

- повышенное влагосодержание приземного воздуха и слоя вовлечения.

По данным радиозондирования атмосферы, рассчитываются вертикальные профили скорости ветра, температуры и влажности воздуха, составляется прогноз погоды с учетом синоптической ситуации и фактической погоды, и на основе прогноза принимается решение о проведении или не проведении операций по созданию искусственных облаков и осадков. При испытании способа и устройства решение может приниматься на рандомизированной основе.

Операции по созданию искусственных облаков и осадков проводятся при следующих атмосферных условиях:

- естественные осадки не ожидаются;

- погода безоблачная или имеются облака без осадков;

- скорость ветра у земли меньше 2 м/с, а в 1 км слое меньше 5 м/с;

- толщина слоя в подоблачном слое инверсии не превышает 500 м;

- выше уровня конденсации потенциальная энергия конвективной неустойчивости САРЕ > 200 Дж/кг;

- относительная влажность воздуха у земли и в 1 км слое не менее 30%.

Последовательность и порядок проведения операций:

1) Операции по созданию искусственных облаков или усилению существующих облаков проводятся в период максимального прогрева атмосферы с 15⁰⁰ до 17⁰⁰ местного времени.

2) В первую очередь перед началом операций включается аппаратура контроля параметров атмосферы и искусственных облаков и осадков в режиме непрерывных наблюдений, передачи на компьютер, регистрации и первичной обработки информации всех датчиков для принятия решений о продолжительности и интенсивности операций.

3) Во вторую очередь включается реактивный двигатель и после 5 минут его работы в режиме прогрева устанавливается режим номинальной работы и включается система увлажнения воздуха, поступающего в двигатель через воздухоприемник.

4) После установления номинального режима работы реактивного двигателя:

- включается система разбрызгивания водного раствора гигроскопического вещества с самой низкой гигроскопической точкой h₁<40%, например, CaCl₂, СаС1₂*6H₂O или СаС1₂*4H₂O;

- включается вертикально направленная туманообразующая пушка с разбрызгиванием 50±20 л/мин водного раствора гигроскопического вещества с гигроскопической точкой 41<h₂<70% (например, аммиачная селитра NH₄NO₃, нитроаммофоска (NH₄NO₃+NH₄H₂PO₄), карбоаммофоска (NH₂)₂CO+NH₄H₂PO₄) и при необходимости с помощью пульта дистанционного управления корректируется ее наведение, чтобы газокапельная струя целиком втягивалась в реактивную струю на высоте 30÷50 м;

- включаются вертикально направленная туманообразующая пушка с разбрызгиванием около 50±20 л/мин водного раствора гигроскопического вещества с гигроскопической точкой около 71<h₃<80% (например, поваренная соль NaCl или карбамид (NH₂)₂CO и при необходимости с помощью пульта дистанционного управления корректируется ее наведение, чтобы газокапельная струя целиком втягивалась в реактивную струю на высоте 30÷50 м.

5) Продолжительность операции по созданию искусственных облаков составляет от 20 до 60 минут в зависимости от достижения целевого эффекта.

6) Измерение параметров искусственных восходящих потоков, облаков и осадков осуществляется непрерывно в течение всего времени работы устройства 1 и до завершения проявлений эффекта воздействия на атмосферу:

- структура полей температуры в восходящих потоках регистрируется сканирующим термографом;

- трехмерная структура скорости восходящих потоков измеряется с помощью ветрового лидара;

- вертикальные профили температуры, влажности и водосодержания восходящего потока измеряется 14 канальным микроволновым радиометром;

- дрон-гексакоптер, оборудованный датчиками, осуществляет прямые измерения температуры, влажности и ветра вдоль регулируемой траектории полета, в том числе поперек восходящего потока;

- трехмерная структура радиоэха, высота, интегральное водосодержание искусственного облака, а также количество выпадающих осадков измеряются с помощью автоматизированной радиолокационной системы (например, по патенту РФ №2395819);

- количество осадков на позиции измеряется метеостанцией, за ее пределами датчиками осадков сети наземных метеостанцией, а в радиусе 100 км и более метеорологическим радиолокатором.

Обоснование возможность реализации способа:

Известно, что реактивная струя в устойчивой безоблачной атмосфере достигает высоты 400÷600 м и теряет плавучесть (Вульфсон Н.И., Левин Л.М., Метеотрон как средство воздействия на атмосферу. М.:, Гидрометеоиздат, 1987. 131 с.).

В предлагаемом изобретении восходящий поток, создаваемый реактивной струей, усиливается за счет выделения тепла конденсации водяного пара на трех типах грубодисперсного гигроскопического аэрозоля. Этот источник тепла компенсирует потери тепла реактивной струи по мере ее подъема, и может привести к существенному повышению высоты подъема, достижению уровня конденсации и развитию конвективного облака.

Такое повышение высоты подъема струи зависит от суммарной мощности смешанной струи и вклада в нее тепла конденсации водяного пара.

Суммарную мощность смешанной аэрозольно-реактивной струи P_Σ можно оценить по формуле:

P_Σ=P_J+P_C,

где P_j и P_C - энергии реактивной струи и тепла конденсации водяного пара, соответственно.

Мощность реактивной струи P_J (Дж/с) зависит от потока массы на выходе сопла т₀, начального перегрева струи ΔT₀ и начальной скорости W₀:

где с_р - удельная теплоемкость реактивных газов.

Подставив в (3) значения параметров реактивной установки, m₀=200 кг/с; ΔТ₀=300 К; W₀=300 м/с и с_р=1,0 кДж/кг⋅К, получим:

Интенсивность конденсации водяного пара увеличивается с повышением пересыщения водяного пара над поверхностью капель где и E_T,r,q,Cs - упругость водяного пара в окружающей среде и над каплей, соответственно. Значение E_T,r,q,Cs зависит от температуры воздуха T, радиуса кривизны капли r, электрического заряда q и концентрации водного раствора С в капле, образующейся на гигроскопической частице. Приближенно эта зависимость может быть представлена в виде:

где C_T, C_r, C_q - некоторые константы, характеризующие свойства водяного пара, поверхностное натяжение на границе вода-пар, число и величину элементарных зарядов в капле;

и - числа молей растворенного в капле гигроскопического вещества и воды, соответственно; и - их массы; и - их молекулярные массы, соответственно.

Из (5) следует, что увеличению величины ΔЕ и, следовательно, росту капли способствует уменьшение температуры среды, уменьшение радиуса кривизны капли (т.е. увеличение начального размера), увеличение электрического заряда капли и концентрации раствора гигроскопического вещества

При начальном размере капли более 1 мкм влияние размера и электрического заряда становится пренебрежимо малым и при заданной температуре значение E_T,r,q,Cs зависит только от концентрации раствора:

или

где C_S - концентрация насыщенного раствора вещества аэрозоля.

Первоначально на гигроскопической частице образуется капелька насыщенного раствора массой т₀, над которой давление водяного пара E_S ниже, чем на удалении Это приводит к росту капельки за счет диффузии водяного пара до тех пор пока разность По мере роста капли концентрация раствора n/n_w уменьшается за счет разбавления раствора пропорционально увеличению массы капли:

С учетом (7) и (8) после некоторых преобразований получим:

где m_t - конечная масса капли, до которой она может вырасти ко времени t, когда давление водяного пара над каплей E_S приблизится к равновесной; - константа конденсации, зависящая от гигроскопических свойств вещества.

Экспериментальные значения и для насыщенных водных раствороы разных веществ приводятся в справочниках (Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. - 1008 с.)

Масса капли насыщенного раствора m₀ равна:

m₀=m_a+m_w=т_а (1+k),

где k - отношение массы растворителя к массе растворенного вещества.

Подставив (10) в (9) получим конечную массу капли в момент наступления равновесного давления водяного пара

Для аэрозолей CaCl₂ и NaCl соответственно имеем:

- k_CaCl2=1,34 и k_NaCl=2,8;

- m_0CaCl2=2,34m_a и m_0NaCl=3,8m_a;

- m_tCaCl2=5,04m_a и m_tNaCl=20,72m_a.

При введении в реактивную струю аэрозоля CaCl₂ диаметром d_a=10 мкм, имеющего массу m_a=1,12⋅10^-9 г, при относительной влажности выше гигроскопической точки (6%) образуются капли насыщенного раствора с плотностью C_S=1,4 г/см³. Формирование таких капель требует абсорбции водяного пара в количестве m_w - m_a*1000/745 = 1,503⋅10^-9 г. Масса, образующихся капель насыщенного раствора CaCl₂, будет равна m₀=m_a+m_w=2,623⋅10^-9 г, и их диаметр d₀=15,3 мкм.

Эти капли будут расти за счет конденсации водяного пара до тех пор, пока установится равновесное давление водяного пара. При этом с учетом табличных значений C_C=0,65 и C_S=1,4 г/см³, получим, что конечная масса капель, образующихся на аэрозолях CaCl₂, станет равной m_t=m_a(1+k)⋅C_S/C_C=5,64⋅10^-9 г.

Внесение в реактивную струю N=4⋅10¹¹ шт./с таких частиц CaCl₂ приведет к конденсации водяного пара в количестве:

Q_c=N⋅m_t=4⋅10¹¹ с^-1 ⋅ 5,64⋅10^-9 г = 2,26 кг/с.

Конденсация такого количества водяного пара приведет к выделению количества тепла эквивалентного источнику мощностью:

Р_с=Q_c⋅q=2,26 кг/с ⋅ 2260 кДж/кг = 5,1 МДж/с = 5,1 МВт.

где q=2260 кДж/кг - удельная теплота конденсации водяного пара.

При введении в реактивную струю аэрозоля NaCl диаметром d_a=10 мкм и массой m_a=1,134⋅10^-9 г образуются капли насыщенного раствора плотностью ρ_s=1,2 г/см³. Для образования насыщенного раствора на каждой частице потребуется конденсация водяного пара в количестве m_w=m_a* 1000/3 57=3,175⋅10^-9 г. Масса, образующихся капелек насыщенного раствора NaCl будет равна m₀=m_a+m_w=4,31⋅10^-9 г, а их диаметр будет равен d₀=19 мкм, что совпадает с данными, о том, что отношение диаметра капли насыщенного раствора к диаметру сухой частицы NaCl равно d₀/d_a=1,9 (Дрофа А.С. Описание гигроскопических свойств аэрозольных частиц // Доклады 2-й Межд. конф. с элементами научной школы Ставрополь, 2015. С. 80-85).

При влажности воздуха выше гигроскопической точки (75,3%) эти капли будут расти до тех пор, пока не установится равновесное давление водяного пара и конечная масса капель достигнет значения m_t=20,72m_a ≈ 2,35⋅10^-8 г. Это означает, что диаметр капель достигнет d_t=35,5 мкм. Это хорошо согласуется с данными лабораторных экспериментов (Ludlam, 1950), согласно которым частицы NaCl массой 10^-9 г (d_a=9,6 мкм) в течение нескольких секунд образуют капли диаметром 30 мкм (Ludlam F.H. The composition of coagulation elements un cumulonimbus. Q.J.R.M.S., 76, No 327, 1950).

Внесение в реактивную струю N=4⋅10¹¹ шт. /с таких частиц NaCl приведет к конденсации водяного пара в количестве:

Q_C=N⋅m_t=4⋅10¹¹ с¹⋅2,35⋅10^-8 г=9,4 кг/с.

Конденсация такого количества водяного пара приведет к выделению количества тепла эквивалентного источнику мощностью:

Это значение P_C составляет около 30% начальной мощности реактивного двигателя P_J, но ее значимость велика тем, что мощность реактивного двигателя уменьшается по мере подъема в атмосфере, а мощность P_C при непрерывном введении аэрозоля остается постоянной, и на некоторой высоте может превышать мощность реактивной струи, обеспечивая подъем восходящего потока до уровня облакообразования.

Подобные расчеты для более мелкого аэрозоля NaCl, например, с d_a=1 мкм и др. показали, что количество конденсируемой влаги (Q_c=9,4 кг/с) и выделяемая мощность тепла конденсации (Р_с=21,2 МВт) при d_a>1 мкм не зависит от размера аэрозоля, и определяются только общей массой аэрозолей и гигроскопическими свойствами их вещества. Например, при введении аэрозоля NaCl количество конденсируемой влаги и выделяемой мощности почти в 4,2 раза больше, чем при введении такого количества аэрозоля CaCl₂. Но это не значит, что применение NaCl однозначно лучше, чем СаС1₂. Если реактивная струя не достигнет уровней влажности 75,3%, то введение в нее NaCl не даст никакой пользы.

Введение в реактивную струю аэрозоля CaCl₂ или CaCl₂*6Н₂О может обеспечить ее подпитку и подъем до уровня срабатывания аэрозоля NaCl, за счет конденсации водяного пара в приземном слое атмосферы с более низкой влажностью воздуха.

Введение в реактивную струю аэрозоля с более высокой гигроскопической точкой 40<h₂<70% (например, NH₄NO₃, нитроаммофоска или карбоаммофоска (N+P₂O₅+K₂O) приведет к усилению восходящего потока за счет тепла конденсации в следующем слое атмосферы, когда влажность воздуха в струе достигнет гигроскопической точки этих веществ.

Введение в реактивную струю аэрозоля поваренной соли NaCl или карбамида (NH₂)₂CO с гигроскопическими точками h₃ при влажности воздуха 71 - 80%, приведет к конденсация водяного пара и значительному усилению восходящего потока в более высоких слоях атмосферы, где без этого энергетика реактивной струи была бы на исходе.

Непрерывное действие процесса усиления восходящего потока во всех подоблачных слоях могут осложнить две проблемы:

- ограниченность количества конденсата, образующегося на каждом типе аэрозоля, некоторым значением массы капель (для CaCl₂ значением m_t=5,04m_a, для нитроаммофоски m_t=12,5m_a, для NaCl m_t=17,3m_a), после чего над ними устанавливается равновесная упругость водяного пара, и их дальнейший рост до достижения естественного уровня облакообразования замедляется;

- ограниченность ресурсов водяного пара в реактивной струе.

Для решения первой проблемы и рационального использования ресурсов водяного пара предлагается одновременно вносить в реактивную струю аэрозоли трех типов гигроскопических веществ диаметром от 1 до 10 мкм и более:

a) аэрозоли из веществ с гигроскопической точкой h₁<40%, например, CaCl₂, СаС1₂*4H₂O или СаС1₂*6H₂O, LiCl и др., чтобы конденсация водяного пара началась в приземном слое сразу при любой относительной влажности воздуха;

b) аэрозоли из веществ с гигроскопической точкой в пределах 41<h₂<70%, например, вещества типа аммиачная селитра (NH₄NO₃), нитроаммофоска (NH₄NO₃+NH₄H₂PO₄), карбоаммофоска (NH₂)₂CO+NH₄H₂PO₄), чтобы интенсивная конденсация водяного пара продолжалась на некоторой высоте, когда аэрозоль первого типа насытится влагой и конденсация на ней приостановится;

c) аэрозоли из веществ с гигроскопической точкой в пределах 71<h₃<80%, например, поваренной слои NaCl или карбамида (NH₂)₂CO, чтобы конденсация водяного пара происходила на высотах вблизи уровня естественного облакообразования.

Одновременное введение в реактивную струю аэрозолей указанных трех типов веществ позволит усиливать восходящий поток на всем пути его подъема и рациональное использование ресурсов водяного пара, содержащегося в струе восходящего потока.

Ресурсы водяного пара в реактивной струе складываются:

- из влагосодержания атмосферного воздуха;

- количества влаги разбрызгиваемой на входе воздухоприемника реактивного двигателя с целью повышения его мощности;

- количества влаги, содержащегося в разбрызгиваемом растворе CaCl₂;

- количества влаги, содержащегося в разбрызгиваемом растворе нитроаммофоски.

Влагосодержания реактивной струи складывается из влагосодержания атмосферного воздуха и влаги, которая вносится в струю путем распыления воды на входе воздухоприемника и трех видов растворов. Секундные расходы влаги разбрызгиваемой на входе воздухоприемника и с тремя типами растворов примерно одинаковы, и в сумме равны примерно 4000 г/с, обеспечивая повышение начального влагосодержания реактивной струи примерно на 20 г/м³с. Влагосодержание атмосферного воздуха буде порядка 10 г/м³.

Таким образом, суммарный поток водяного пара в реактивной струи составит около Q_w ≈ 30 г/м³ с*200 м³ ≈ 6 кг/с, чего вполне достаточно для срабатывания всех трех типов аэрозолей, вносимых в реактивную струю.

Таким образом, одновременное введение в вертикально направленную реактивную струю трех типов грубодисперсных гигроскопических аэрозолей с разными гигроскопическими точками может привести к стимулированию конденсации водяного пара поочередно на разных типах аэрозоля в разных слоях атмосферы, усилению реактивной струи за счет выделения тепла конденсации поочередно на каждом виде аэрозоля, подъему струи до уровня естественного облакообразования и запуску механизма осадкообразования, ускорению процесса образования осадков на каплях, образовавшихся на всех трех типах аэрозолей.

Преимуществом предлагаемого способа создания искусственных облаков и осадков является оптимальное использование термодинамических свойств атмосферы, снижение требований к мощности реактивной установки и затрат топлива. Имеются возможности оптимизации способа путем подбора имеющихся и разработки новых аэрозольных составов.

Следует также отметить, что предлагаемое устройство создания искусственных облаков и осадков, достаточно просто реализуется на уровне современных научно-технических достижений.

Группа изобретений относится к области метеорологии. Предложен способ и устройство для создания искусственных облаков и осадков. Способ включает инициирование с помощью реактивного двигателя и туманообразующих пушек восходящих потоков в атмосфере, где в вертикально направленную реактивную струю вводят три типа грубодисперсных гигроскопических аэрозолей. Устройство содержит авиационный реактивный двигатель с устройством поворота реактивной струи, топливной системой, электрической системой запуска и управления, системой распыления для распыления аэрозоля первого типа, а также две туманообразующие пушки для распыления аэрозолей второго и третьего типов. Изобретения обеспечивают повышение эффективности создания конвективных облаков и осадков при безоблачной ситуации, а также снижение требований к мощности реактивной установки и затрат топлива. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ создания искусственных облаков и осадков путем инициирования восходящих потоков в атмосфере с помощью реактивного двигателя и туманообразующих пушек, отличающийся тем, что в вертикально направленную реактивную струю путем мелкодисперсного распыления аэрозоли первого типа с помощью размещенных по контуру сопла создания реактивной струи реактивного двигателя системы форсунок и мелкодисперсного распыления аэрозолей второго и третьего типов с помощью туманообразующих пушек, одновременно вводят три типа грубодисперсных гигроскопических аэрозолей, где аэрозоли первого типа состоят из гигроскопичных веществ с гигроскопической точкой h1<40%; аэрозоли второго типа состоят из гигроскопичных веществ с гигроскопической точкой 41<h2<70%, а аэрозоли третьего типа состоят из гигроскопичных или слабогигроскопичных веществ с гигроскопической точкой 71<h3<80%.

2. Способ создания искусственных облаков и осадков путем инициирования восходящих потоков в атмосфере с помощью реактивного двигателя и туманообразующих пушек по п. 1, отличающийся тем, что аэрозоли первого типа формируют из водного раствора CaCl₂, или CaCl₂*4H₂O, или CaCl₂*6H₂O; аэрозоли второго типа формируют из водного раствора аммиачной селитры (NH₄NO₃), или нитроаммофоски (NH₄NO₃+NH₄H₂PO₄), или карбоаммофоски (NH₂)₂CO+NH₄H₂PO₄); а аэрозоли третьего типа формируют из водного раствора поваренной соли NaCl или карбамида (NH₂)₂CO.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что аэрозоль первого типа формируют путем мелкодисперсного распыления с помощью системы форсунок, размещенных по контуру сопла создания реактивной струи реактивного двигателя с расходом более 40 л/мин, аэрозоли второго и третьего типов формируют путем мелкодисперсного разбрызгивания с помощью вертикально направленных туманообразующих пушек с расходом более 40 л/мин каждого из водных растворов.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что водные растворы всех типов аэрозолей готовят в концентрации 80÷90% от насыщающей и распыляют до размера капель 10÷20 мкм для формирования аэрозолей размером 5÷10 мкм в концентрации 4⋅10¹¹ частиц/с каждого вида и расходом массы каждого вещества не менее 30 кг/с.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что искусственные облака и осадки создают преимущественно с 15 до 17 часов местного времени на возвышенной местности при сочетании следующих атмосферных условий: скорость приземного ветра менее 2 м/с, толщина задерживающих слоев ниже уровня конденсации не более 500 м, потенциальная энергия конвективной неустойчивости выше уровня конденсации САРЕ > 200 Дж/кг, влажность приземного воздуха не менее 30%.

6. Устройство для создания искусственных облаков и осадков способом по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что содержит авиационный реактивный двигатель с воздухоприемником и устройством поворота реактивной струи, топливной системой, электрической системой запуска и управления, а также систему распыления, представляющую собой систему форсунок, установленную по периметру устройства поворота реактивной струи реактивного двигателя, для распыления аэрозоля первого типа, и две туманообразующие пушки для распыления аэрозолей второго и третьего типов с вентиляторами мощностью не менее 20 кВт, системами управления, электропитания, при этом реактивный двигатель и туманообразующие пушки конструктивно объединены в единую систему, обеспечивающую истечение в зенит и соосность истечения реактивной струи и двух газокапельных струй, а их воздухоприемники выполнены в виде отводов для забора воздуха сверху через мелкоячеистую сетку, исключающую засасывание птиц и других предметов, причем площади втока воздуха в 2 раза превышают площади истока, и где аэрозоли первого типа состоят из гигроскопичных веществ с гигроскопической точкой h1<40%, аэрозоли второго типа состоят из гигроскопичных веществ с гигроскопической точкой 41<h2<70%, а аэрозоли третьего типа состоят из гигроскопичных или слабогигроскопичных веществ с гигроскопической точкой 71<h3<80%.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что устройство поворота реактивной струи в зенит содержит конусовидный диффузор, служащий для расширения струи, который узкой стороной присоединен к выходу сопла реактивного двигателя, а широкой стороной - к отводу, служащему для поворота струи, причем для снижения потерь выходное сечение диффузора увеличено по сравнению с входным более чем в 2 раза, а отвод выполнен с радиусом гиба в 2 раза больше радиуса трубы, угол поворота ограничен 70°, а выход отвода срезан в горизонтальной плоскости с возможностью обеспечения истечения реактивной струи вверх.

8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что количество форсунок, установленных на кольцеобразной трубе, выбрано из диапазона 80÷100 форсунок, которые размещены по контуру сопла для создания реактивной струи и воздушных струй туманообразующих пушек, имеют диаметр сопел 0,3÷0,5 мм и распыляют не менее 40 л/мин растворов гигроскопических веществ на капельки диаметром 10÷20 мкм, при мгновенном испарении которых в реактивной струе образуется гигроскопический аэрозоль оптимального для конденсации водяного пара диаметра 5÷10 мкм.