Способ снижения концентрации озона в приземных областях атмосферы Российский патент 2024 года по МПК A01G15/00 

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для снижения концентрации озона в приземных областях атмосферы в контролируемых регионах.

Известно изобретение по снижению концентрации озона в воздухе салонов самолетов, осуществляющих полет в верхней тропосфере [RU2537300C1. Катализатор разложения озона и способ его приготовления П.С. Галкин, Н.В. Гельфонд, И.К. Игуменов, К.В. Жерикова, И.Б. Киреенко, А.Н. Михеев, Н.Б. Морозова, Е.С.Филатов].

Реактивные самолеты летают на высотах порядка 5000-12000 м. Содержание озона в воздухе пассажирских салонов при длительном полете составляет 80-100 мг/м³, что существенно выше предельно допустимого содержания озона в воздухе 0,1 мг/м³ по ГОСТ 12.1.005-88. Изобретение предназначено для снижения содержания озона в воздухе салонов самолетов до значения 0,1 мг/м³ путем применения катализатора разложения озона.

Недостатком способа при его применении для уменьшения концентрации озона в верхней тропосфере является высокие материальные затраты в установки по снижению его концентрации, учитывая большие объемы обрабатываемого тропосферного воздуха.

Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков к предложенному изобретению является способ искусственного снижения концентрации озона в воздухе верхней тропосферы [Gierens, К. Statistical analysis of contrail lifetimes from a satellite perspective / K. Gierens, M. Vazquez-Navarro // Meteorologische Zeitschrift. - 2018. - V. 27, No. 3. - P. 183-193] в контролируемых регионах путем искусственного образования ледяных кристаллических частиц в шлейфах из выхлопов реактивных самолетов, которые способны отражать ультрафиолетовые лучи обратно в космическое пространство [Самохвалов, И.В. Определение матрицы обратного рассеяния света конденсационного следа самолета/И.В. Самохвалов, И.Д. Брюханов, И.В. Животенюк, С.В. Насонов, Н.С. Кириллов, А.П. Стыкон // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXII Международного симпозиум. Томск: Издательство ИОА СО РАН. - 2016. С.465-468] и тем самым уменьшать содержание озона в нижних слоях атмосферы.

Шлейфы ледяных кристаллических частиц из выхлопов реактивных самолетов, также как и перистые облака состоят из множества мелких пластин или столбиков, призм, колонн, способных частично отражать поток ультрафиолетового излучения в обратном направлении в космическое пространство [Самохвалов И.В., Кауль Б.В., Насонов С. В., Животенюк И.В., Брюханов И.Д. Матрица обратного рассеивания света зеркально отражающих слоев облаков верхнего яруса, образованных кристаллическими частицами, преимущественно ориентированными в горизонтальной плоскости // Оптика атмосферы и океанов. 2012. Т. 25. №5. - С. 403-411]. В результате уменьшается поток ультрафиолетового излучения и снижается концентрация озона в слое атмосферы, расположенном ниже стояния перистых облаков и шлейфов от выхлопов реактивных самолетов.

Недостатком данного способа являются температурные условия полета реактивных самолетов, часто не совпадающие с температурными условиями воздуха, при которых образуются кристаллические ледяные частицы, имеющие форму с большой площадью зеркальных граней, когда достигается максимальное отражение ультрафиолетовых лучей обратно в космическое пространство.

Технической проблемой настоящего изобретения является повышенная концентрация озона в поверхностных областях атмосферы в контролируемых регионах вследствие низкой степени отражения ультрафиолетовых лучей от ледяных кристаллических частиц обратно в космическое пространство.

Технический результат заключается в максимальном уменьшении концентрации озона в поверхностных областях атмосферы в контролируемых регионах путем зеркального отражения ультрафиолетового излучения обратно в космическое пространство, этим самым максимального уменьшения их потока к земной поверхности.

Поставленная проблема решается тем, что снижение концентрации озона в поверхностных областях атмосферы в контролируемых регионах, достигается за счет максимальной степени отражения ультрафиолетового излучения обратно в космическое пространство, путем формирования кристаллических частиц с формой пластин, имеющих максимально возможную площадь зеркальных граней.

Новым в предложенном изобретении является кристаллизация мельчайших водяных частиц в атмосфере в диапазоне температур воздуха минус 16 минус 22°С, в котором частицы приобретают форму пластин с максимальной площадью зеркальных граней, согласно выражению:

F_гр - площадь плоской грани кристаллической частицы, м²; G_гр, g_гр - полный и удельный потоки водяного пара к плоской грани кристаллической частицы, кг и кг/(Па⋅м²); р_в - р_гр - перепад парциальных давлений водяного пара в воздухе и у поверхности грани кристаллической частицы, Па. При этом, перепад парциальных давлений водяного пара в воздухе и у ребер и вершин кристаллических частиц будет всегда ниже, чем у их граней в диапазоне температур воздуха минус 16 ÷ минус 22°С [Хименков А.Н., Брушков А.В. Введение в структурную криологию. М: Юрайт, 2021. - 304 с]. Поток водяного пара из окружающего воздуха прямо пропорционален перепаду парциальных давлений водяного пара в воздухе и у поверхности грани. Поэтому величина g_гр к граням будет выше чем к ребрам и вершинам кристаллических частиц, так как выше перепад парциальных давлений водяного пара в воздухе и непосредственно у граней кристаллических частиц граней, то есть р_в - р_гр.

Изобретение поясняется чертежом: фиг.1.

На фиг.1 представлена схема способа снижения концентрации озона в приземных областях атмосферы. Позиции на чертеже (фиг.1) обозначают: 1 - вода для тонкого распыла; 2 - установка для приготовления водяных частиц (паров) размером не более 0,05 мм; 3 - водяные частицы (пары) размером не более 0,05 мм на первом этапе формирования струи; 4 - укрупнение водяных частиц на втором этапе формирования струи; 5, 6 - кристаллизация крупных и мелких частиц на третьем этапе формирования струи; 7 - ультрафиолетовые лучи, проходящие к земной поверхности между кристаллическими частицами 5 и 6; 8 - ультрафиолетовые лучи, падающие на зеркальные поверхности кристаллических частиц 5 и 6; 9 - ультрафиолетовые лучи, отражающиеся от зеркальных поверхностей кристаллических частиц 5 и 6. Площади F_гр зеркальных поверхностей кристаллических частиц на фрагментах А, Б и В фигуры 1 показаны светлым фоном. Наибольший размер кристаллических частиц обозначен как L.

Способ реализуют следующим образом.

Вначале определяют температурный диапазон воздуха, при котором водяные частицы формируются в виде кристаллических ледяных пластинок, имеющих наибольшую площадь зеркальных светоотражающих граней. Согласно [Хименков А.Н., Брушков А.В. Введение в структурную криологию. М: Юрайт, 2021. - 304 с.], в зависимости от температуры влажности и термодинамических условий в верхнем слое тропосферы во время выпадения ледяные кристаллы могут иметь разнообразную форму и размеры. Так кристаллические частицы, имеющие хорошую отражательную способность и форму пластин с наибольшей площадью зеркальных граней, и поэтому с большим отражением ультрафиолетовых лучей, образуются в диапазоне температур воздуха t_B: минус 16 ÷ минус 22°С. Согласно [Хименков А.Н., Брушков А.В. Введение в структурную криологию. М: Юрайт, 2021. - 304 с.], хорошая отражающая способность, наибольшая площадь зеркальных граней и как следствие наибольший поток отраженных ультрафиолетовых лучей обратно в космос в диапазоне температур t_B: минус 16 ÷ минус 22°С, достигается за счет природных особенностей формирования частиц, заключающихся в превышении удельного потока водяного пара g_гр из окружающего воздуха непосредственно к граням кристаллических частиц, по сравнению с их ребрами и вершинами. При этом в диапазоне температур от минус 16 ÷ минус 22°С кристаллические частицы имеют хорошую отражающую способность, а их наибольший размер составляет L=0.3÷0,5 мм.

При увеличении температур воздуха t_B до диапазона минус 12 минус 15°С образуются дендриты, то есть частицы с выходящими из их центральной части боковыми ледяными ответвлениями (фрагмент Б рис. 1), которые, по сравнению с диапазоном минус 16 ÷ минус 22°С, имеют худшую отражающую способность, меньшую удельную площадь освещенных солнцем зеркальных граней отдельных кристаллических частиц и, как следствие, в меньшей степени отражают ультрафиолетовые лучи, в сравнении с плоскими пластинками.

При уменьшении температур воздуха t_B до диапазона: минус 23 ÷ минус 40°С образуются целые и пустотелые столбики и колонны, которые имеют меньшую удельную площадь (фрагмент В рис. 1), освещенных солнцем зеркальных граней отдельных кристаллических частиц по сравнению с диапазоном минус 16 ÷ минус 22°С, и как следствие в меньшей степени отражают ультрафиолетовые лучи, в сравнении с плоскими пластинками. При этом с уменьшением температуры воздуха до минус 23 ÷ минус 40°С наибольшие размеры кристаллических частиц уменьшаются до L=0.15-0.25 мм.

Затем, согласно таблицам [Войткевич Г.В., Голиков И.В. Справочник по охране геологической среды. Ростов н/Д.: Феникс, 1996. Т. 1. - 446 с] подбирают высоту, на которой имеет место температура минус 16 ÷ минус 22°С, при которой кристаллические частицы имеют хорошую отражающую способность, наибольшую площадь зеркальных граней и как следствие наибольший поток отраженных ультрафиолетовых лучей обратно в космос.

Далее определяют давление воздуха на этой высоте. Достаточно точно этот параметр определяется по таблицам [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.].

После этого на этой высоте на первом этапе формирования струи с помощью установки 2 (фиг.1) осуществляют тонкий распыл водяных частиц 3 размером 0,05 мм, характерным для природных перистых облаков. Затем мелкие водяные частицы укрупняются вокруг центров конденсации в частицы большего размера 4 на втором этапе формирования струи. На третьем этапе формирования струи водяные частицы 4 замерзают в диапазоне температур формирования кристаллических ледяных пластинок с зеркальными гранями, когда из них образуются крупные 5 и мелкие 6 кристаллические пластинки.

Таким образом, множество мелких пластин 5 и 6 становятся зеркальным экраном, частично отражающим поток ультрафиолетового излучения в обратном направлении в космическое пространство и уменьшающим этот поток к поверхности земли.

Пример. Определить высотную отметку от поверхности земли, на которой следует осуществить тонкий распыл водяных частиц при реализации способа снижения концентрации озона в поверхностных областях атмосферы для летного периода года в умеренно теплой климатической полосе России.

Решение

1. Определяют температуру воздуха в тропосфере, при которой образуются кристаллические частицы, имеющие форму пластин. Согласно [Хименков А.Н., Брушков А.В. Введение в структурную криологию. М: Юрайт, 2021. - 304 с.], кристаллические частицы, имеющие форму пластин, наиболее интенсивно отражающие солнечные лучи, образуются в диапазоне температур: минус 16 ÷ минус 22°С. Принята средняя температура минус 19°С, которая имеет место на высоте 6000 м.

2. На высоте 6000 м с помощью установки 2 (фиг.1) осуществляют тонкий распыл воды 1 с получением водяных частиц 3 размером не более 0,05 мм (первый этап формирования струи).

3. На этой же высоте (6000 м) осуществляется естественное укрупнение мелких водяных частиц 3 вокруг центров конденсации в более крупные 4 на втором этапе формирования струи.

4. На этой же высоте (6000 м) происходит образование крупных 5 и мелких 6 кристаллических пластинок, имеющих хорошую отражательную способность и форму пластин с наибольшей площадью зеркальных граней, образуются в диапазоне температур воздуха t_B: минус 16 ÷ минус 22°С.

Таким образом, предлагаемый способ снижения концентрации озона в приземных областях атмосферы для летного периода года в средней климатической полосе России, позволяет достигнуть максимальной степени зеркального отражения ультрафиолетовых лучей обратно в космическое пространство при температуре минус 19°С на высотной отметке от поверхности земли 6000 м, на которой осуществляют тонкий распыл водяных частиц с образованием кристаллических пластинок имеющих хорошую отражательную способность и форму пластин с наибольшей площадью зеркальных граней.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для снижения концентрации озона в приземных областях атмосферы в контролируемых регионах. Способ включает распыление мельчайших водяных частиц размером не более 0,05 мм в атмосфере с последующей их кристаллизацией. Распыление мельчайших водяных частиц осуществляют в диапазоне температур воздуха минус 16 ÷ минус 22°С, в котором частицы приобретают форму пластин с максимальной площадью зеркальных граней. Техническим результатом является снижение концентрации озона в приземных областях атмосферы в контролируемых регионах путем зеркального отражения ультрафиолетового излучения обратно в космическое пространство и этим самым уменьшение их потока к земной поверхности. 1 ил.

1. Способ снижения концентрации озона в приземных областях атмосферы, включающий распыление мельчайших водяных частиц в атмосфере с последующей их кристаллизацией, отличающийся тем, что распыление мельчайших водяных частиц размером не более 0,05 мм осуществляют в диапазоне температур воздуха минус 16 ÷ минус 22°С, в котором частицы приобретают форму пластин с максимальной площадью зеркальных граней, согласно выражению:

где:

F_гр - площадь плоской грани кристаллической частицы, м²;

G_гр, g_гр - полный и удельный потоки водяного пара к плоской грани кристаллической частицы, кг и кг/(Па⋅м²);

р_в - р_гр - перепад парциальных давлений водяного пара в воздухе и у поверхности грани кристаллической пластинки, (Па), который будет всегда выше, чем у ребер и вершин кристаллической плоской частицы в диапазоне температур воздуха минус 16 ÷ минус 22°С.

2. Способ по п. 1 отличающийся тем, что вначале устанавливают высоту с температурой воздуха в диапазоне минус 16 ÷ минус 22°С, в котором замерзшие водяные частицы приобретают форму кристаллических пластинок, позволяющих достигнуть максимальной степени зеркального отражения солнечного излучения обратно в космическое пространство.