СПОСОБ СОЗДАНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ ОБЛАКОВ И ОСАДКОВ Российский патент 2023 года по МПК A01G15/00 

Область техники:

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для защиты от засухи, опустынивания земель и пополнения водохранилищ и озер.

Уровень техники:

Для смягчения засухи, опустынивания земель и устранения дефицита пресной воды обычно применяются технологии добычи грунтовых вод, опреснения морской воды и вторичного использования сточных вод. Наряду с этим во многих странах применяются технологии искусственного увеличения осадков путем засева облаков кристаллизующими и гигроскопическими реагентами.

Аналоги:

Известны также попытки создания искусственных облаков и осадков, основанные на инициировании тепловой конвекции путем прогрева приземного воздуха с использованием различных источников тепла, в том числе:

а) тепла искусственных пожаров в прериях и саваннах Южной Америки и Африки;

б) тепла, выделяющегося при сжигании нефтепродуктов в метеотронах типа:

• факельный метеотрон, опробованный во Франции и на Кубе (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 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.);

• метеотрон с реактивным двигателем, реактивную струю которого направляют вверх и в нее вводят три типа гигроскопических аэрозолей с целью подпитки энергетики струи теплом конденсации водяного пара (Абшаев М.Т., Абшаев А.М., Абдулла Ал Мандоус. Способ и устройство создания искусственных облаков и осадков. Патент RU № 2738479 от 14.07.2019);

в) тепла солнечной радиации, поглощаемого разными искусственными экранами, включая:

• покрытые асфальтом, черной тканью или черными блоками участки поверхности земли, которые хорошо поглощают солнечную радиацию (Brenig L., Zaady E., 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);

• искусственный аэрозольный слой, состоящий из аэрозоля оптимальной дисперсности (Абшаев М.Т., Абшаев А.М., Абдулла Ал Мандоус. Способ и устройство создания искусственных облаков и осадков. Патент RU № 2732710 от 11.04.2019);

• многоярусная гирлянда экранов 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 имеет желаемой эффективности и не используется для создания искусственных облаков и осадков по следующим причинам:

- Способ создания лесных и растительных пожаров не приемлем из-за недопустимости сжигания таких ресурсов, а также вреда флоре и фауне.

- Способы создания восходящих потоков с помощью метеотронов (факельных, огнеметных и с реактивными двигателями) малоэффективны из-за недостаточной мощности и приводят к загрязнению природной среды.

- Солнечные метеотроны с малой площадью не эффективны, а зачерненные экраны в виде асфальтовых, матерчатых и аэрозольных покрытий земной поверхности, имеющие площадь более 1-5 км², не созданы из-за больших затрат.

- Метод Гелиатора не работоспособен вследствие низкой энергетики и невозможности поднять 30-40 ярусную гирлянду зачерненных экранов на высоту несколько сот метров из-за большой парусности даже при слабом ветре (1-2 м/с).

Прототип:

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ и устройство создания облаков и осадков с помощью вертикально-направленной струи авиационного реактивного двигателя, в которую вводятся три типа гигроскопических аэрозолей с целью энергетической подпитки струи теплом конденсации водяного пара (Абшаев и др., Патент RU № 2738479). Натурные испытания и этого способа показали, что он не обеспечивает создание осадкообразующих облаков. Причинами этого является то, что вопреки теоретическим ожиданиям реактивная струя не получает энергетической подпитки теплом конденсации из-за медленности процесса конденсации (особенно при низкой влажности воздуха в засушливых регионах), а начальная мощность струи использованного двухконтурного турбореактивного двигателя Д-30 III серии недостаточна для инициирования глубокой конвекции и создания осадкообразующих облаков. Численное моделирование движения реактивной струи в атмосфере на основе трехмерной гидродинамической модели FlowVision показало, что даже слабый ветер (1-2 м/с), скорость которого плавно нарастает с высотой, сносит реактивную струю двигателя Д-30 (Фигура 1), и она не достигает высоты уровня конденсации, которая располагается обычно выше 1-1,5 км.

Эти расчеты также показали, что увеличение мощности экспериментальной установки в 2, 4 и 8 раз приводит к заметному повышению высоты подъема реактивной струи. В случае увеличения мощности двигателя в 16 раз струя искусственного восходящего потока может достигать высоты 2000-2500 м и инициировать развитие конвективного облака. Тяга такой установки составляет около 100 тонн. Такую тягу могут создать, например, 3-4 авиационных двигателями типа ПД-35 Пермского авиазавода или 2 двигателя типа GE90 производства General Electric, США. Но более приемлемым является следующее техническое решение.

Раскрытие изобретения:

В заявляемом способе создание искусственных конвективных облаков и осадков осуществляется с помощью направленной вверх струи водяного пара, имеющего расход около 100 кг/с и более, начальную температуру около 2700-3000°С и начальную скорость около 4000 м/с, а для ускорения образования облаков и осадков в эту струю водяного пара вносят гигроскопический аэрозоль размером около 5 мкм в количестве не менее 10¹² частиц/с.

Технический результат достигается с помощью кислородно-водородного жидкостного реактивного двигателя (ЖРД) типа РД-0120 или его аналога, или трехкомпонентного кислород-керосин-водородного двигателя типа РД-0750 или РД-704, который в отличие от прямого назначения должен быть установлен на неподвижной опоре соплом вверх, так чтобы высокотемпературная струя водяного пара, истекающая из сопла, создавала мощный восходящий поток и инициировала развитие искусственного осадкообразующего конвективного облака. Время работы ЖРД должно быть около 300 секунд и более, чтобы создать облако водяного пара (конвективное облако) объемом не менее 100-150 млн м³.

Для реализации способа по своим параметрам хорошо подходит РД-0120, имеющий тягу 148 тонн, время работы до 500 секунд, давление в камере сгорания 223 атм., степень расширения 86:1, расход жидкого кислорода 376.8 кг/с, жидкого водорода 62.8 кг/с, отношение расхода кислород/водород 6:1, габариты: диаметр 2.42 м, высота 4.55 м, масса 3.45 тонн.

Могут быть успешно использованы также двигатели типа:

- трехкомпонентный РД-0750, который в 1-м режиме работы имеет расход жидкого кислорода 258 кг/с, керосина 33,2 кг/с, жидкого водорода 29,2 кг/с и тягу 94,5 тонн, а во втором режиме работы имеет расход жидкого кислорода 149,3 кг/с, жидкого водорода 25,5 кг/с и тягу 55,6 тонн, габариты: диаметр 2,42 м, высота 4,55 м, масса 4,26 тонн;

- трехкомпонентный РД-704, который в 1-м режиме работы имеет расход жидкого кислорода 388,4 кг/с, керосина 73,7 кг/с, жидкого водорода 29,5 кг/с и тягу 189 тонн, а во 2-м режиме - расход жидкого кислорода 148,5 кг/с и жидкого водорода 24,7 кг/с и тягу 78,5 тонн);

- другие аналоги с выбросом водяного пара в количестве около 100 кг/с.

Гигроскопический аэрозоль диаметром около 5 мкм, например, аэрозоль NaCl или NaCl/TiO₂, вносится в реактивную струю в концентрации не менее 10¹² частиц/сек на высоте, где температура струи водяного пара станет ниже порога диссоциации (плавления) аэрозоля NaCl (801°С). Внесение аэрозоля осуществляется путем распыления порошков с дрона для опрыскивания полей типа DJL-40, зависающего в центре струи на безопасной высоте (300-500 м), либо путем разбрызгивания водного раствора NaCl на капли диаметром около 10 мкм, которые мгновенно испаряясь, образуют аэрозоль диаметром около 5 мкм.

Описание чертежей:

На фигуре 1 показаны вертикальные сечения расчетных полей скорости восходящих потоков (W, m/c) и превышения температуры струи (ΔT, °C), которые могут быть созданы в атмосфере авиационным реактивным двигателем «Д-30» III серии в количестве 1, 2, 4, 8 и 16 шт. Атмосферные условия, при которых проведены расчеты: U = 1+0,05H, где U - скорость ветра, H - высота над уровнем установки; γ = 8,5°C/км - вертикальный градиент температуры воздуха; f = 70% - относительная влажность воздуха. Из фигуры 1 следует, что восходящий поток, создаваемый реактивной струёй одного двигателя «Д-30», в результате сноса горизонтальным ветром не может достигать уровня конденсации, который обычно располагается на высоте 1000-1500 м. Следовательно, такой восходящий поток не может инициировать развитие искусственного конвективного облака. Повышение мощности реактивной струи в 2, 3 и 8 раз приводит к повышению высоты подъема восходящего потока. При увеличении мощности реактивной струи в 16 раз восходящий поток может подниматься до высоты 2000 м и достигать уровня конденсации, обеспечивая инициирование развития конвективного облака.

На фигуре 2 представлены алгоритмы выбора дней с благоприятными условиями для создания искусственных облаков и осадков.

Осуществление изобретения

Для получения целевого результата выбирают позицию на высоте 100-500 м над уровнем моря, чтобы инициировать восходящий поток из приземного слоя, где абсолютное влагосодержание воздуха имеет максимальное значение. Эта позиция должна быть не ближе 1000 м от жилых и рабочих объектов, чтобы шум работающей установки не превышал допустимый санитарный уровень (80 dB). Целесообразно, также чтобы позиция была расположена на наветренном фланге какой-либо возвышенности, способствующей развитию орографической конвекции. На этой позиции на прочном железобетонном фундаменте крепится рабочая установка (например, кислородно-водородный двигатель типа РД-0120 или его аналог) с соплом направленным вверх, размещаются баки для жидкого водорода, жидкого кислорода, устройство распыления гигроскопического аэрозоля, а также аппаратура измерения параметров атмосферы и искусственных облаков и осадков, включая: автоматическую метеостанцию, профайлер температуры и влажности воздуха, профайлер скорости и направления ветра, инфракрасный термограф, фото- и видеокамеры, аппаратура приема спутниковой и радиолокационной информации об облаках и осадках.

Эффективность создания искусственных облаков зависит от атмосферных условий. Основными критериями выбора дней с благоприятными условиями являются малые скорости ветра, повышенное влагосодержание приземного воздуха и наличие положительной потенциальной энергии неустойчивости.

Операции по созданию искусственных облаков (или усилению существующих) обычно проводятся в период максимального прогрева атмосферы с 15⁰⁰ до 17⁰⁰ местного времени или в период вторжения холодных фронтов. Решение о проведении операции по созданию искусственных облаков и осадков принимается на основе измерений вертикальных профилей скорости ветра, температуры и влажности воздуха по алгоритмам, разработанным на основе теоретического моделирования (фигура 2).

После принятия решения о проведении операции включается установка по созданию восходящего потока перегретого водяного пара и система введения в этот поток гигроскопического аэрозоля. Продолжительность операции по созданию искусственных облаков составляет от 300 до 500 секунд в зависимости от достижения целевого эффекта.

Измерение параметров искусственных восходящих потоков, облаков и осадков осуществляется непрерывно до, в период и после проведения операции до завершения проявлений эффекта воздействия на атмосферу:

- температура, влажность воздуха, направление и скорость ветра у земли измеряются с помощью автоматической метеостанции, например, типа WXR-536;

- структура полей температуры в восходящих потоках может быть получена с помощью, например, инфракрасного сканирующего термографа типа ИРТИС-2000;

- трехмерная структура скорости восходящих потоков может быть измерена по данным лазерного профайлера Lidar Halo Photonics Streamline XR;

- вертикальный профиль температуры, высоту и водосодержание восходящего потока измеряется прибором типа 14 канальный микроволновый радиометр HATRO PRO;

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

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

Сведения, подтверждающие возможность реализации способа:

Предлагаемое изобретение предусматривает введение в атмосферу около 100 кг/с и более водяного пара и 0,1-0,15 кг/с и более гигроскопического аэрозоля. За время одной операции в атмосферу вводится не менее 30-50 тонн водяного пара и не менее (3-5)×10¹⁴ частиц аэрозоля. Количество водяного пара, вносимого в атмосферу, сравнимо с водосодержанием естественного мощно-кучевого облака, имеющего площадь основания 500х500 м², высоту 400-600 м и среднюю водность 0,3 г/м³. Концентрация внесенных гигроскопических частиц в таком облаке составит около 0,1 частиц/см³, чего вполне достаточно для инициирования осадкообразования.

Все это означает, что даже без учета вовлечения окружающего воздуха искусственное облако самодостаточно для начала осадкообразования, а в реальной атмосфере восходящий поток, инициируемый сверхмощной струей перегретого водяного пара, приведет к вовлечению окружающего воздуха, увеличению объема и водосодержания искусственного облака. Это подтверждается результатами численного моделирования, представленными на фигуре 1, согласно которым высота подъема шлейфа восходящего потока может достичь уровня конденсации и запустить механизм образования облаков и осадков.

С другой стороны современные достижения в области ракетно-космической области вселяют полную уверенность в технической реализации изобретения путем применения имеющихся образцов кислородно-водородных ракетных двигателей типа РД-0120 или его аналога, или кислородно-керосино-водородных ракетных двигателей типа РД-0750, РД-704 или их аналогов. В целях удешевления может быть создан упрощенный наземный вариант такого двигателя без сложных элементов конструкции, необходимых для применения на ракетах носителях космических аппаратов.

Огромным преимуществом предлагаемого способа и устройства создания искусственных облаков и осадков является их экологическая чистота, так как в атмосферу вносится только водяной пар, из которого состоят естественные облака.

Практическая реализация предлагаемого изобретения требует ощутимых инвестиций, но они несравнимо меньше ущербов, наносимых такими природными катастрофами, как исчезновение Аральского моря, опустынивание земель и дефицит пресной воды.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для защиты от засухи, опустынивания земель и пополнения водохранилищ и озер. Способ создания искусственных облаков и осадков заключается в том, что в приземную атмосферу вводят направленную вверх струю водяного пара, имеющую начальную температуру 2400-3000°С, начальную скорость 3000-4000 м/с, расход 100-300 кг/с. Для ускорения образования облаков и осадков в струю водяного пара вносят не менее 10¹² частиц/с гигроскопического аэрозоля диаметром 5 мкм. Распыление гигроскопического аэрозоля осуществляют на высоте 300-500 м, где температура струи водяного пара ниже температуры диссоциации вещества аэрозоля. Техническим результатом является повышение эффективности и экологической безопасности способа искусственного увеличения осадков. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ создания искусственных облаков и осадков, отличающийся тем, что в приземную атмосферу вводят направленную вверх струю водяного пара, имеющую начальную температуру 2400-3000°С, начальную скорость 3000-4000 м/с, расход 100-300 кг/с, а для ускорения образования облаков и осадков в струю водяного пара вносят не менее 10¹² частиц/с гигроскопического аэрозоля диаметром 5 мкм, при этом распыление гигроскопического аэрозоля осуществляют на высоте 300-500 м, где температура струи водяного пара ниже температуры диссоциации вещества аэрозоля.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что применяют жидкостный реактивный двигатель, основным продуктом сгорания которого является водяной пар, при этом выходное сопло двигателя направляют в зенит.