Способ корректировки локальных погодных условий и мезомасштабных синоптических ситуаций Российский патент 2023 года по МПК A01G15/00 

Изобретение относится к прикладной физике и предназначено для создания технических систем для корректировки локальных погодных условий и мезомасштабных синоптических ситуаций.

Известны способы корректировки погодных условий на локальных участках местности посредством активного воздействия на метеопроцессы и метеоявления узконаправленным акустическим излучением от наземного комплекса активного воздействия.

Прототипом изобретения по сущности решаемой задачи и используемому фактору воздействия является представленное в заявке №2010148748 изобретение «Способ активного воздействия на метеопроцессы и метеоявления и устройство для его осуществления».

Технический результат от применения изобретения «Способ активного воздействия на метеопроцессы и метеоявления и устройство для его осуществления» ожидается в виде возможности корректировки хода атмосферных процессов низкочастотным акустическим излучением от наземного робототехнического комплекса, вызывающим в экспонируемой этим излучением области атмосферы ускорение конденсационного роста крупных капель в облачной среде и/или активации части избыточного количества ядер конденсации и/или кристаллизации влаги с соответственными изменениями теплообменных процессов и конвекционных потоков в облачной среде. Экспонирование атмосферного воздуха по данному изобретению осуществляется создаваемым акустической фазоактивной антенной решеткой наземного комплекса узконаправленным акустическим излучением с частотой колебаний избыточного давления воздуха порядка 4,5-5,5 Гц.

Недостатками прототипа изобретения являются его недостаточная эффективность и ограниченность применимости.

Недостаточная эффективность прототипа изобретения обусловлена отсутствием точного представления о физическом механизме перехода эффектов фазовых превращений влаги в субмикронных масштабах в эффекты макро- и мезомасштабных конвективных потоков атмосферного воздуха, определяющих характер и интенсивность облачных процессов и, тем самым, погодных условий. Указанное обстоятельство ограничивает эффективность управления характером атмосферных процессов уровнем эмпирически вырабатываемого способа реагирования на внешне воспринимаемое изменение поведения погодных феноменов.

Ограниченность применимости прототипа изобретения обусловлена возможностью воздействия на режимы фазовых превращений атмосферной влаги в объеме экспонируемого участка атмосферы в пределах досягаемости узконаправленного излучения антенной решетки над расположением комплекса активного воздействия, а также указанным в формуле изобретения узким диапазоном частот акустических колебаний в пределах 4,5-5,5 Гц.

В термодинамическом смысле указанные недостатки прототипа изобретения обусловлены тем, что положенный в основу изобретения предполагаемый механизм воздействия акустических колебаний давления воздуха на вероятность состояния микросистемы «насышенный пар - поверхность ядра/зародыша микрокапли/микрокристалла» не включает зависимость вязкости газовой среды от температуры и диссипацию энергии движения силами взаимного трения при смещении объектов кластеризовавшейся влаги относительно воздуха. Вследствие чего остаются неучтенными эффект перестройки структуры тензоров вязких напряжений в газовой среде в процессе подвода/отвода теплоты парообразования/конденсации и связь между тензором вязких напряжений и тензором скоростей деформаций среды в акустических волнах. Эта связь является обратной положительной и проявляется в экспонированной акустическими волнами массе влагосодержащего атмосферного воздуха как термоакустическая неустойчивость этой массы. Реализация термоакустической неустойчивости приводит к увеличению амплитуды колебаний давления экспонирующего акустического излучения за счет теплоты конденсации/кристаллизации. При этом, вследствие зависимости давления (упругости) насышенных паров влаги над поверхностью ядер/зародышей микрокапли/микрокристалла от размера зародыша и температуры среды, а также от электрического заряда и характера химических примесей в среде и в ядре/зародыше, экспонированием влагосодержащей среды акустическими волнами с определенными частотой и амплитудой можно воздействовать на режимы роста/испарения ядер/зародышей или микрокапель/микрокристаллов разного размера при различных условиях образования и роста ядер/зародышей. В частности, примеси различаются для ядер/зародышей, образовавшихся над сушей или над акваторией и от того, над пресноводной или морской акваторией они образовались.

Заявленное изобретение направлено на достижение технического результата в виде повышения эффективности и увеличения применимости наземных робототехнических систем акустического воздействия на атмосферные процессы.

Указанный технический результат достигается тем, что в основу изобретения ставится реализация прямого термоакустического эффекта во влагосодержащем атмосферном воздухе посредством экспонирования атмосферы узконаправленным акустическим излучением от наземного комплекса активного воздействия, частоту излучения которого меняют от 1 Гц до 14-15 Гц в зависимости от цели воздействия и в соответствии с состоянием экспонируемой области атмосферы, главным образом, в соответствии с наличием и характером сдвига ветра и турбулентности в атмосфере; началом формирования конвективных явлений в атмосфере; уровнем расположения, наличием и мощностью облачных образований; наличием и видом гидрометеоров в них; водности и фазового строения облаков; наличием и толщиной слоя переохлажденной жидко-капельной фазы на гидрометеорах; появлением градин в верхней части мощных облаков; высотой расположения зон ледяных кристаллов.

Для достижения определенного результата активного воздействия на атмосферные процессы экспонируемую акустическими волнами область атмосферы одновременно экспонируют электромагнитным излучением поляризационного допплеровского метеорадиолокатора субдециметрового диапазона с системой обработки отраженного сигнала, дополнительно включающей вычисление следующих поляризационных характеристик метеообъектов:

- дифференциальной отражаемости Z_DR=10×lg(Z_H/Z_V), где Z_H и Z_V, соответственно, оценки радиолокационной отражаемости вертикальной и горизонтальной поляризации излучения;

- дифференциального фазового сдвига K_DR=dФ_DR/2r, где Ф_DR – величина фазового сдвига, r - расстояние до экспонируемой области атмосферы;

- коэффициента взаимной корреляции вертикальной и горизонтальной составляющей сигнала

ρ_HV=‹│S_HHS*_VV │›/ ‹│S_HH│²›^1/2 ‹│ S_VV │²›^1/2,

где S_HH и S_VV, соответственно, диагональные элементы матрицы рассеяния в линейном поляризационном базисе; индексы H и V, соответственно, обозначают горизонтальную и вертикальную поляризации принимаемой (первый индекс) и зондирующей (второй индекс) электромагнитной волны.

По величине дифференциальной отражаемости Z_DR оценивают форму, ориентацию и величину диэлектрической проницаемости рассеивающих гидрометеоров и, соответственно, по совокупности этих параметров, определяют вид рассеивающих гидрометеоров.

Величина дифференциального фазового сдвига K_DR указывает на форму и ориентацию рассеивающих частиц и на их агрегатное состояние.

Коэффициент взаимной корреляции вертикальной и горизонтальной составляющей поляризованного сигнала ρ_HV указывает на дисперсию форм и дисперсию ориентации рассеивающих несферических частиц в атмосферной среде, а также, дает практически индикаторный признак отличия радиолокационных сигналов от метеообъектов и от подстилающей поверхности местности.

Для данного изобретения особо важным обстоятельством является возможность с помощью поляризационных методов в метеорадиолокации определять с высокой точностью вид и интенсивность атмосферных осадков на расстояниях до 100 км. Получая в реальном времени сведения о виде и интенсивности осадков на удалениях, значительно превышающих дистанцию прямого наблюдения метеоявлений, система управления наземным комплексом активных воздействий обретает возможность использовать прямой термоакустический эффект для корректировки синоптической ситуации на мезомасштабном пространстве, находящимся под воздействием циклона. Для этого в автоматизированную систему управления компьютеризованным наземным комплексом активных воздействий включают программу управления плавным изменением частоты генерации акустического излучения комплекса соответственно изменению значений дифференциальной отражаемости Z_DR, дифференциального фазового сдвига K_DR и коэффициента взаимной корреляции вертикальной и горизонтальной составляющей поляризованного сигнала ρ_HV отраженного сигнала контролирующего эффективность акустического воздействия допплеровского метеорадиолокатора для поддержания условия реализации прямого термоакустического эффекта в вовлеченных в циклонический процесс воздушных массах. Прямой термоакустический эффект во влагосодержащих циклонических воздушных массах в виде увеличения интенсивности осадков, усиления акустических колебаний и дальнейшего распространения акустического излучения в циклонических воздушных массах приведет к снижению влагосодержания в приближающихся к ядру циклона воздушных массах и, соответственно, снижению количества энергии, выделяющейся при конвективном подъеме достигших ядра циклона воздушных масс.Продолжением экспонирования циклонических воздушных масс акустическим излучением до разрыва петли положительной обратной связи по энерговыделению при конденсации влаги в конвективных потоках в ядре циклона достигают подавления конвективного подъема достигающих ядра циклона воздушных масс. В результате, вследствие заполнения ядра циклона сближающимися со скоростью радиальной составляющей циклонического движения воздушными массами с пониженным содержанием влаги, в области ядра циклона возникнет кумулятивный эффект в виде быстрого повышения давления вследствие перехода кинетической энергии центростремительного движения воздушных масс в энергию динамического давления, сопровождающегося быстрым испарением микрокапель и снижением относительной влажности с соответствующим дополнительным повышением давления и быстрым - в виде ударной волны - распространением состояния повышенного давления на всю вовлеченную в циклонический процесс воздушную массу. В результате такой последовательности явлений выявляется принципиальная возможность инверсирования циклонов в антициклоны и, таким образом, изменения синоптической ситуации на мезомасштабных участках траектории. В частности, система подобных комплексов, расположенных вдоль морского/океанского побережья в районах вероятного выхода на сушу тропических циклонов позволит инверсировать приближающиеся к суше циклоны и, тем самым, предотвратить возникновение экстремальных погодных явлений на мезомасштабных территориях.

Поскольку для этого потребуется воздействовать на циклонические воздушные массы на удалениях, значительно превышающих удаление оптического горизонта, для отслеживания изменений состояния воздушных масс в районе ядра приближающегося циклона с радиусами в сотни километров следует использовать тесную связь явления рефракции электромагнитного излучения радиолокаторов с синоптической обстановкой, позволяющую прогнозировать проявление рефракции по метеорологическим данным, и, таким образом, контролировать метеорадиолокаторами результаты активного воздействия распространяющегося в самоподдерживающемся режиме акустического излучения на воздушные массы в районе циклонического ядра на удалениях до 200 км. При возникновении явления сверхрефракции и/или волноводной рефракции дальнодействие радиолокационного контроля активного воздействия может значительно увеличиться.

Таким образом, изобретение существенно увеличивает эффективность применения наземных роботизированных комплексов активного воздействия с помощью узконаправленного низкочастотного акустического излучения и расширяет применимость нового способа активных воздействия и наземных комплексов для его осуществления.

Изобретение предназначено для создания и поддержания благоприятных для жизнедеятельности погодных условий посредством корректировки вида и интенсивности атмосферных процессов и явлений и использует для этого термоакустическую неустойчивость влагосодержащего атмосферного воздуха. Термоакустическая неустойчивость реализуется в виде прямого термоакустического эффекта с помощью экспонирования массы атмосферного воздуха в определенной области атмосферы низкочастотным акустическим излучением от наземного комплекса активных воздействий с акустической фазоактивной антенной решёткой. Для обеспечения условий реализации прямого термоакустического эффекта частота экспонирующего акустического излучения плавно регулируется в соответствии с изменениями величины дифференциальной отражаемости, величины дифференциального фазового сдвига и величины коэффициента взаимной корреляции вертикальной и горизонтальной составляющей поляризованного сигнала метеорологического радиолокатора. Для наблюдения изменений состояния экспонируемых распространяющимся в самоподдерживающемся режиме акустическим излучением воздушных масс на большом удалении используют нормальную атмосферную радиорефракцию, или сверхрефракцию, или волноводное распространение излучения метеорадиолокатора. Техническим результатом является повышение эффективности применения наземных роботизированных комплексов акустического воздействия на атмосферные процессы для корректировки синоптической ситуации на мезомасштабном пространстве, находящемся под воздействием циклона.

Способ корректировки локальных погодных условий и синоптических ситуаций на мезомасштабном пространстве, находящемся под воздействием циклона, узконаправленным низкочастотным акустическим излучением от наземного комплекса активных воздействий с акустической фазоактивной антенной решеткой, отличающийся тем, что в экспонируемой акустическим излучением массе атмосферного воздуха реализуют прямой термоакустический эффект, а для поддержания режима реализации термоакустического эффекта в экспонируемой массе атмосферного воздуха используют встроенную в компьютеризованную систему управления наземным комплексом программу плавного изменения частоты акустического излучения в пределах диапазона 1-15 Гц в соответствии с изменениями величины дифференциальной отражаемости, величины дифференциального фазового сдвига и величины коэффициента взаимной корреляции вертикальной и горизонтальной составляющей поляризованного сигнала, экспонирующего ту же область атмосферы метеорологического радиолокатора, а для наблюдения изменений состояния экспонируемых распространяющимся в самоподдерживающемся режиме акустическим излучением воздушных масс на большом удалении используют нормальную атмосферную радиорефракцию, или сверхрефракцию, или волноводное распространение излучения метеорадиолокатора.