Способ снижения уровня солнечного излучения к земной поверхности Российский патент 2023 года по МПК A01G15/00 

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для искусственного регулирования погодных условий в контролируемых регионах.

Способ может найти применение для снижения уровня солнечного излучения к земной поверхности с помощью авиационного летательного аппарата для районов с высокой температурой наружного воздуха в летний период времени. Также, способ может найти применение для снижения солнечного излучения в районах северного и южного полюсов с целью сокращения таяния ледников и снижения эффекта глобального потепления, а также в других климатических районах.

Известно изобретение по искусственному изменению интенсивности потока солнечного излучения к поверхности земли в контролируемых регионах [Франция №2366789 по кл. МПК A01G 15/00] с помощью системы зеркал. Располагая зеркала таким образом, что все они отражают солнечные лучи вверх в одном направлении, достигается снижение солнечного излучения к земной поверхности.

Недостатком способа является значительные площади системы зеркал и как следствие большие капитальные вложения в их изготовление и монтаж.

Другим недостатком способа является его низкая эффективность при наличии над ними природных перистых и других видов облаков. В этом случае природные облака сами снижают поток солнечных лучей, и к зеркалам поступает меньше солнечного излучения.

Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков к предложенному изобретению является способ изменения интенсивности потока солнечного излучеия к поверхности земли в контролируемых регионах путем образования шлейфов ледяных кристаллических частиц из выхлопов реактивных самолетов, которые способны отражать солнечные лучи, так же, как и кристаллические частицы природных перистых облаков [Патент RU 2 264 081 С2. Способ искусственного образования облаков. Заявка: 2001114690/12, 2001.05.31. / Лапшин В.Б. Палей А.А. Опубликовано 2005.11.20.] Такие образования ледяных кристаллических частиц имеют форму протяженных следов белого цвета переменной длины толщиной 300 - 1300 м и длиной до 1000 км и более [Радиационные свойства перистых облаков / Под ред. Е.М. Фейгельсон. - М.: Наука, 1989. - 223 с.].

Недостатком данного способа является то, что не определены условия, когда кристаллические частицы располагаются горизонтально земной поверхности, вследствие чего не обеспечивается увеличение зеркального отражения солнечного излучения обратно в космическое пространство, этим самым не уменьшая парниковый эффект и не снижая поток солнечных лучей к земной поверхности.

Технической проблемой настоящего изобретения является определение высоты распыла воды над поверхностью земли, при которой образовавшиеся ледяные кристаллические частицы с наибольшим размером, принимают положение параллельно земной поверхности.

Технический результат заключается в увеличении зеркального отражения солнечного излучения обратно в космическое пространство, этим самым уменьшая парниковый эффект и снижая поток солнечных лучей к земной поверхности.

Поставленная проблема решается тем, что в способе локального снижения потока солнечного излучения к земной поверхности определяется значение высоты от поверхности земли, когда грани ледяных частиц с наибольшим размером принимают положение параллельно земной поверхности.

Новым в предложенном изобретении является определение высоты от поверхности земли, на которой величина подъемной силы потока, действующая на отдельную частицу, начинает уравновешивать ее вес. В этом случае, действующий на частицу момент сил, разворачивает ее перпендикулярно направлению потока. При этом, значение высоты, при которой подъемная сила потока, действующая на отдельную частицу, уравновешивает ее вес, и ледяная кристаллическая частица располагается параллельно земной поверхности, определяются из выражения:

h - высота над поверхностью земли, м; Re - безразмерный критерий Рейнольдса; υ - скорость течения восходящего воздушного потока на высоте h, м/с; L - наибольший размер частицы кристаллической пластинки льда на высоте h, м; ν - кинематическая вязкость потока воздуха на высоте h, м²/с.

Теоретическое обоснование области значений критерия Рейнольдса Re≤50, в которой величина подъемной силы потока, действующая на отдельную частицу, уравновешивает ее вес, а действующий момент сил, разворачивает частицу перпендикулярно направлению потока, приводится в трудах [Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 1. Гидродинамика. М.: Физматлит, 2001. 731 с.].

Величины υ, L и ν в формуле (1) зависят от высоты над поверхностью земли h. Высота h определяется разными методами, в том числе и дистанционно с поверхности земли.

Так, скорость течения восходящего воздушного потока υ(h) в зоне образования кристаллических частиц, колеблется в широких пределах от 2,0 до 0,05 м/с. Скорость восходящего воздушного потока при увеличении h непрерывно уменьшается учитывая, что его истечение осуществляется в расширяющееся по мере удаления от земной поверхности сферическое пространство. Величина и определяется разными методами, в том числе и дистанционно с поверхности земли.

Величина L(h) в зоне образования кристаллических частиц, колеблется в широких пределах от 1,0⋅10^-3 м до 0,005⋅10^-3 м. Величина L(h) непрерывно уменьшается по мере удаления от земной поверхности, поскольку при увеличении h понижается температура, а ее уменьшение приводит к образованию кристаллических частиц меньшего размера [Хименков А.Н., Брушков А.В. Введение в структурную криологию. М: Юрайт, 2021. - 304 с]. Величина L(h) определяется разными методами, в том числе и дистанционно с поверхности земли с помощью лидара.

Величина ν(h) в зоне образования кристаллических частиц, колеблется в пределах от 13,0⋅10^-6 м²/с до 11,0⋅10^-6 м²/с. Величина ν(h) непрерывно уменьшается по мере удаления от земной поверхности, поскольку при увеличении h понижается температура, а ее уменьшение приводит к снижению ν. Величина ν(h) определяется согласно справочной и технической литературе, с учетом изменения температуры и давления по высоте h [1) Войткевич Г.В., Голиков И.В. Справочник по охране геологической среды. Ростов н/Д.: Феникс, 1996. Т. 1. 446 с. 2). Мазин И.П., Хргаан А.Х. Облака. Облачная атмосфера. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 648 с.]. Определение высоты h осуществляется следующим образом.

Для ряда значений высот h определяют величины скоростей течения восходящего воздушного потока υ (м/с), наибольших размеров кристаллической частиц льда L (м), кинематические вязкости потока воздуха ν (м²/с). Затем, согласно выражению (1), проверяется - для каких значений высот выполняется условие Re≤50.

Изобретение поясняется чертежом: фиг. 1.

На фиг. 1 представлена схема способа снижения уровня солнечного излучения к земной поверхности.

Позиции на чертеже (фиг. 1) обозначают: 1 - вода для тонкого распыла и получения капель; 2 - установка тонкого распыла с получением капель размером 0,005⋅10^-3 м; 3 - водяные капли размером 0,005⋅10^-3 м на первом этапе формирования струи; 4 - укрупнение и охлаждение капель на втором этапе формирования струи; 5 - замерзание капель с образованием наиболее крупных кристаллических частиц на третьем этапе формирования струи; 6 - поднятие менее крупных кристаллических частиц в восходящем потоке воздуха в верхнюю часть струи на третьем этапе ее формирования; 7 - солнечные лучи, проходящие к земной поверхности между кристаллическими частицами 5 и 6; 8 - солнечные лучи, падающие на зеркальные поверхности кристаллических частиц 5 и 6; 9 - солнечные лучи, отражающиеся от зеркальных поверхностей кристаллических частиц 5 и 6.

Способ реализуют следующим образом.

Для заданного района заблаговременно проводят определение физических параметров околоземного пространства.

Для ряда значений высот h определяют величины скоростей течения восходящего воздушного потока υ (м/с), наибольших размеров кристаллической частиц льда L (м), кинематические вязкости потока воздуха ν (м²/с). Затем, согласно выражению (1), проверяется для какого значения высоты выполняется условие Re≤50.

Определяют давление воздуха на этой высоте. Достаточно точно этот параметр определяется по таблицам [Хименков А.Н., Брушков А.В. Введение в структурную криологию. М: Юрайт, 2021. - 304 с.].

После этого на этой высоте на первом этапе формирования струи с помощью установки 2 (фиг. 1) осуществляют тонкий распыл воды 1 с получением водяных частиц 3 с размером 0,005⋅10^-3 м, характерным для природных перистых облаков. Затем мелкие водяные частицы укрупняются вокруг центров конденсации в водяные капли 4 на втором этапе формирования струи. На третьем этапе формирования струи водяные капли 4 замерзают в диапазоне температур формирования кристаллических ледяных частиц, когда из них образуются более крупные 5 и менее крупные 6 кристаллические частицы. Менее крупные 6 кристаллические частицы начинают подниматься вверх в восходящем потоке воздуха за счет его подъемной силы.

При определенной скорости (скорости витания) величина подъемной силы потока, действующей на отдельную частицу, уравновешивает ее вес.

В этом случае, грани ледяных частиц с наибольшим размером принимают положение параллельно земной поверхности, поскольку действующий на них момент сил, разворачивает их перпендикулярно направлению потока [Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 1. Гидродинамика. М.: Физматлит, 2001. 731 с.].

Такое параллельное положение частиц наблюдается при их ламинарном течении в восходящем воздушном потоке при значении критерия Рейнольдса не более 50 [Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 1. Гидродинамика. М.: Физматлит, 2001. 731 с.].

Если масса частицы окажется меньше, чем у остальных, она поднимается вверх, до момента, когда ее вес будет уравновешиваться величиной подъемной силы воздушного потока.

В этом случае, множество мелких горизонтально ориентированных частиц становятся зеркальным экраном, частично отражающим поток солнечного излучения в обратном направлении в космическое пространство и уменьшающим поток солнечной энергии к поверхности земли.

Пример. Определить численные параметры при реализации способа снижения уровня солнечного излучения к земной поверхности для летного периода года в средней климатической полосе России.

Решение

1. Осуществляется определение ряда значений высот h в зависимости от температуры над поверхностью земли [1) Войткевич Г.В., Голиков И.В. Справочник по охране геологической среды. Ростов н/Д.: Феникс, 1996. Т. 1. 446 с. 2). Мазин И.П., Хргиан А.Х. Облака. Облачная атмосфера Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 648 с.].

2. Для ряда найденных значений высот h (см. п. 1) осуществляется:

- дистанционное определение скорости воздушного потока, основанное на методе акустической локации восходящего воздушного потока υ (м/с);

- дистанционное оптическое определение наибольших размеров кристаллических частиц льда L (м), с помощью лидара;

- определение кинематические вязкости потока воздуха ν (м²/с) в зависимости от высоты над поверхностью земли, согласно [1) Войткевич Г.В., Голиков И.В. Справочник по охране геологической среды. Ростов н/Д.: Феникс, 1996. Т. 1.446 с. 2). Мазин И.П., Хргиан А.Х. Облака. Облачная атмосфера. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 648 с.] равняется 12,0⋅10^-6.

3. Затем, согласно выражению (1), проверяется для какого значения высоты, выполняется условие - Re≤50.

4. Согласно результатам расчетов по формуле (1), условие Re≤50 начинает выполняться на высоте 5300 м при значении скорости восходящего воздушного потока d=1,07 м/с, наибольшем размере кристаллической частиц льда L=0,56⋅10^-3 м и кинематической вязкости потока воздуха ν=12⋅10^-6 м²/с. Так Re=(1,07⋅0,56⋅10^-3/12,0⋅10^-6)=49,9, что меньше 50, то есть Re≤50.

5. После этого на высоте 5300 м с помощью установки 2 (фиг. 1) осуществляют тонкий распыл воды 1 с получением водяных частиц 3 размером 0,005⋅10^-3 м (первый этап формирования струи).

6. На этой же высоте (5300 м), практически одномоментно, осуществляется естественное укрупнение мелких водяных частиц 3 вокруг центров конденсации в более крупные капли 4 (второй этап формирования струи).

7. На этой же высоте (5300 м), в течение двух - трех секунд, осуществляется замерзание укрупненных более крупных 5 и менее крупных кристаллических частиц 5 и 6.

8. На этой высоте подъемная сила потока, действующая на более крупные частицы 5, начинает уравновешивать их вес. В этом случае, при значении критерия Рейнольдса не более 50, грани ледяных частиц с наибольшим размером принимают положение параллельно земной поверхности, поскольку действующий на них момент сил, разворачивает их перпендикулярно направлению потока [Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 1. Гидродинамика. М.: Физматлит, 2001. 731 с.].

9. За счет дальнейшего течения восходящего воздушного потока его скорость непрерывно уменьшается, учитывая, что истечение воздуха осуществляется в расширяющееся по мере удаления от земной поверхности сферическое пространство. Скорость потока становится меньше υ<1,07 м/с (см. п. 4).

10. При уменьшении скорости воздушного потока ниже υ<1,07 м/с (см. п. 4), учитывая, что истечение воздуха осуществляется в расширяющееся по мере удаления от земной поверхности сферическое пространство, величина подъемной силы потока, действующей на отдельные частицы с осредненной величиной длины кристаллических ледяных частиц меньше L<0,56⋅10^-3 м (см. п. 8) начинает уравновешивать их вес. В этом случае, грани ледяных пластинок 6 с наибольшим размером L<0,56⋅10^-3 м принимают положение параллельно земной поверхности, поскольку действующий на них момент сил, также разворачивает их перпендикулярно направлению потока [Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 1. Гидродинамика. М.: Физматлит, 2001. 731 с]. Критерий Рейнольдса становится меньше Re<49,9, то есть Re<50.

Таким образом, предлагаемый способ снижения уровня солнечного излучения к земной поверхности, позволяет достигнуть увеличение степени зеркального отражения солнечного излучения обратно в космическое пространство и не способствует потеплению климата.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для изменения интенсивности потока солнечной энергии к поверхности земли. Способ снижения уровня солнечного излучения к земной поверхности включает распыление мелких водяных частиц в околоземном пространстве, укрупнение их в более крупные капли вокруг центров конденсации, образование ледяных кристаллических частиц. Высоту от поверхности земли, на которой образующиеся ледяные кристаллические частицы располагаются гранями с наибольшими размерами параллельно земной поверхности, определяют методом последовательных приближений при значениях критерия Рейнольдса восходящего воздушного потока менее 50, согласно выражению: , где h - высота над поверхностью земли, м; Re - безразмерный критерий Рейнольдса; υ - скорость течения восходящего воздушного потока на высоте h, м/с; L - наибольший размер кристаллической ледяной частицы на высоте h, м; ν - кинематическая вязкость потока воздуха на высоте h, м²/с. Техническим результатом является увеличение уровня отражения солнечных лучей обратно в космическое пространство. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Способ снижения уровня солнечного излучения к земной поверхности, включающий распыление мелких водяных частиц в околоземном пространстве, укрупнение их в более крупные капли вокруг центров конденсации, образование ледяных кристаллических частиц, отличающийся тем, что высоту от поверхности земли, на которой образующиеся ледяные кристаллические частицы располагаются гранями с наибольшими размерами параллельно земной поверхности, обеспечивающими увеличение уровня отражения солнечных лучей обратно в космическое пространство, определяют методом последовательных приближений из выражения:

,

где h - высота над поверхностью земли, м;

Re - безразмерный критерий Рейнольдса;

υ - скорость течения восходящего воздушного потока на высоте h, м/с;

L - наибольший размер кристаллической ледяной частицы на высоте h, м;

ν - кинематическая вязкость потока воздуха на высоте h, м²/с.

2. Способ снижения уровня солнечного излучения к земной поверхности по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют тонкий распыл воды с получением частиц размером 0,005⋅10^-3 м с последующим их укрупнением, замерзанием и подъемом вверх в восходящем потоке воздуха.

3. Способ снижения уровня солнечного излучения к земной поверхности по п. 1, отличающийся тем, что размер кристаллических ледяных пластинок колеблется в интервале L=1,0⋅10^-3÷0,005⋅10^-3 м на высоте h, а относительная скорость течения воздушного потока в зоне образования горизонтально ориентированных кристаллических частиц колеблется в интервале υ=2,0÷0,05 м/с на высоте h.