Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АТМОСФЕРУ

Изобретение относится к области техники, предназначенной для активного воздействия на атмосферу с целью рассеивания туманов и облаков на контролируемой территории (аэродромы, скоростные автодороги, открытые площадки для проведения различных спортивных и зрелищных мероприятий и т.д.) и вызывания дополнительных осадков.

Известны способы воздействия на облака и туманы, основанные на искусственной конденсации паров воды путем использования специальных веществ (реагентов). См., например, патент RU №2357404, опубликованный 10.06.2009 г., патент RU №2175185, опубликованный 27.10.2001 г., патент RU №2061358, опубликованный 10.06.1996 г.

Доставка реагентов и их распространения в тумане или облачности осуществляется с самолетов (см., например, патент США №2815928, МПК A01G 15/00, опубликованный 10.12.1957 г.), с помощью ракет (см., например, авторское свидетельство СССР №576839, МПК A01G 15/00), снарядов (см., например, Российская Федерация, патент №2034444, МПК 6 A01G 15/00, опубликованный 10.05.1995 г.). Применение данных методов ограничивается переохлажденными туманами (туманами, образуемыми в условиях отрицательных температур окружающего воздуха). Теплые туманы являются устойчивыми и с помощью реагентов не рассеиваются.

Известны способы электрического воздействия на аэрозольное облако, основанные на доставке в аэрозольное облако коронирующих проводов, соединенных с источником высокого напряжения (см., например, авторское свидетельство СССР №71260, МПК A01G 15/00, опубликованное 31.07.1948 г., патент США №3456880, МПК A01G 15/00, опубликованный 22.07.1969 г.).

Основным недостатком описываемого способа и известных устройств является необходимость подъема коронирующих проводов на высоту расположения облака, что предопределяет большие затраты ресурсов и не всегда осуществимо по погодным условиям.

Известен способ, заключающийся в обдуве воздушным потоком, формируемым с помощью технических средств, коронирующих электродов, установленных у поверхности земли.

Технические решения, которые реализуют известный способ, - это способ вызывания дождя (см. авторское свидетельство СССР №29675, МПК A01G 15/00, опубликованное в 1948 г.), а также устройство для разрушения тумана (см. опубликованную заявку ФРГ №4005304, МПК E01H 13/00).

Описываемый способ способствует распространению ионизированного воздуха, т.е. электрически заряженных частиц вверх, ускоряя тем самым процесс выпадения осадков из облачности или осаждение тумана.

Известен способ рассеивания туманов и облаков, заключающийся в генерации электрических зарядов в атмосферу путем подключения к источнику высокого напряжения коронирующих проводов, закрепленных через изоляторы на опорах у поверхности земли (см. "Журнал геофизических исследований ", Кембридж, Массачусета, март 1962 г., т. 67, стр 1073-1082). Сведения об этом способе отражены и в отечественной технической литературе (см. Л.Г. Качурин "Физические основы воздействия на атмосферные образования", Гидрометеоиздат, Ленинград, 1978 г., стр. 287-293).

Как следует из приведенных источников информации, определяющим фактором рассеивания тумана в известном способе является пространственный заряд, воздействующий на атмосферные образования.

Известное устройство по патенту РФ №2124288 C1, кл. E01H 13/00, 19.12.1997 г., опубликованному 10.01.1999 г, бюл. №1, которое содержит подсоединенные к источнику тока провода с малым радиусом кривизны поверхности, закрепленные на изоляторах опор параллельно электропроводной сетке, смонтированной в вертикальной плоскости, проходящей через оси симметрии смежных опор. Генерируемый коронирующими проводами коронный разряд создает ионный ветер, который направлен от коронирующих проводов к заземленной сетке. Облако тумана, проходя через область коронного разряда, получает электрический заряд и ионным ветром, а также внешним ветровым потоком направляется на заземленную сетку. Проходя через ячейки заземленной сетки, электрически заряженные капли тумана сепарируются от ветрового потока, и очищенный от тумана ветровой поток направляется в область защищаемого от тумана пространства. Известное техническое решение обеспечивает сепарацию капель тумана из набегающего на защищаемый объект воздушного потока. Очищенный от капель тумана воздушный поток обладает хорошей оптической прозрачностью и обеспечивает необходимую дальность видимости. Сепарация капель тумана в известном техническом решении осуществляется в два этапа: на первом этапе в области горения коронного разряда производят электрическое заряжание капель тумана; на втором этапе электрически заряженные капли сепарируются на заземленной поверхности. Эффективность сепарации капель в известном техническом решении определяется устойчивостью горения коронного разряда, которая может быть обеспечена в условиях высокой точности зазора разрядного промежутка по всей площади устройства, что является сложной технологической задачей и требует значительных финансовых затрат. Более совершенной конструкцией, обеспечивающей устойчивое горение разряда, является техническое решение, представленное в патенте Ru №2516988. Данное устройство дополнительно снабжено установленными с зазором относительно коронирующих электродов на раме поверх заземленной электропроводной сетки электропроводными стержнями параллельно коронирующим электродам с шагом, вдоль поверхности сетки кратным шагу коронирующих электродов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ рассеивания тумана по патенту РФ на изобретение №2422584. Известный способ заключается в определении направления распространения тумана относительно защищаемого объекта с последующей генерацией коронного разряда с наветренной относительно защищаемого объекта стороны потоком заряженных частиц, ориентированным в сторону, направленную на защищаемый объект.

Известный способ основан на эффекте сепарации капель. В процессе генерации коронного разряда в системе коронирующих электродов, установленных с зазором относительно осадительного электрода, значительная часть поверхности которого прозрачна для прохождения воздушного потока, происходит сепарация капельной дисперсии. Сепарируемые капли осаждаются на поверхности осадительного электрода, после их укрупнения до размеров, когда гравитационные силы будут превышать значение сил смачивания, выпадают вниз, а воздух, очищенный от капель, увлекаемый ионным ветром, совпадающим с направлением естественного ветрового потока, направляется на контролируемую территорию и вытесняет капельные дисперсии из контролируемого пространства. В результате происходит очищение защищаемой территории от тумана и облаков.

Целью предлагаемого изобретения является расширение области воздействия и повышение его эффективности.

Для достижения заявленной цели в известном способе воздействия на атмосферу, заключающемся в определении направления движения ветровых воздушных потоков относительно области планируемого воздействия с последующей генерацией в объеме воздушного потока, проходящего через область планируемого воздействия, коронного разряда, в процессе генерации коронного разряда в объеме проходящего воздушного потока повышают концентрацию паров серной кислоты;

процесс генерации коронного разряда предваряют получением данных о параметрах выходящей из устройства генерации коронного разряда струи воздушного потока в области планируемого воздействия с последующим расчетом распространения в струе электрических зарядов и паров серной кислоты, а повышение концентрации паров серной кислоты осуществляют в процессе генерации коронного разряда путем добавления в воздушный поток ее паров, объем которых и интенсивность генерации коронного разряда регулируют в процессе генерации коронного разряда до значений, обеспечивающих в области планируемого воздействия концентрации электрических зарядов не менее 10³ 1/см³, а концентрацию молекул серной кислоты в диапазоне значений (10⁶-10⁹)1/см³;

в воздушный поток добавляют пары аммиака в объеме, обеспечивающем концентрацию его молекул в области планируемого воздействия в диапазоне значений (10⁶-10⁹)1/см³;

в воздушный поток добавляют пары аммиака и диметиламина в объеме, обеспечивающем концентрацию его молекул в области планируемого воздействия в диапазоне значений (10⁶-10⁹)1/см³.

Технический результат в предлагаемом способе заключается в том, что помимо процесса сепарации капель в предлагаемом методе инициируются процессы конденсации паров содержащейся в атмосфере влаги. Электрические заряды снижают давление насыщенных паров на поверхностях электрически заряженных капель и способствуют образованию в атмосфере новых центров конденсации. См., например, В.Б. Лапшин и др. О давлении пара над заряженной каплей. Журнал физической химии, 2002, том 76, №10, стр. 1901-1903; А.А. Лушников и др. Образование наноаэрозолей в тропосфере под действием космического излучения. Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2014, том 50, №2, стр. 175-184. Степень влияния электрических зарядов на скорость образования новых центров конденсации более существенна при незначительных значениях пересыщения паров воды и определяется содержанием в воздухе серной кислоты. Более существенному повышению скорости образования новых центров конденсации способствует дополнительное повышение концентрации аммиака либо и аммиака, и диметиламина. См., например, Joa^~o Almeida, et. аl. Molecular understanding of sulphuric acid-amine particle nucleation in the atmosphere. Nature. Vol. 502. 2013. 359-363. Инициирование в контролируемом пространстве новых центров конденсации способствует нарушению термодинамического равновесия в контролируемом пространстве и обеспечивает разрушение облаков и туманов либо вследствие укрупнения капель и их гравитационного выпадения, либо вследствие выделения тепла конденсации, незначительного подъема облака (тумана) в более сухую область атмосферы и его испарения.

Реализация предлагаемого способа предусматривает, прежде всего, использование технических средств, обеспечивающих генерацию коронного разряда в атмосфере. Для этих целей могут быть использованы различные известные устройства, описание которых представлено в патентах РФ на изобретение. См., например, патенты Ru №2525333, №2516988, №2488266. Для дальнейшего описания представленного способа используется схема устройства, представленная в патенте на изобретение №2525333 Ru. Схема устройства представлена на рис. 1 Устройство включает установленную в корпусе 1 заземленную решетчатую конструкцию 2 с зазором Δ, относительно которой электрически изолированно, например, на изоляторах 3 закреплены коронирующие электроды 4. Коронирующие электроды соединены с высоковольтным источником питания. Вдоль заземленной решетчатой конструкции 2 с противоположной относительно коронирующих электродов 4 стороны установлен аэродинамический отражатель 5. Аэродинамический отражатель 5 может быть выполнен в виде вставляемых друг в друга отдельных сегментов. Поверхность аэродинамического отражателя выполнена в виде цилиндрической поверхности, образующая которой параллельна заземленной решетчатой конструкции 2. При этом направляющая цилиндрической поверхности аэродинамического отражателя выполнена по кривой линии, угол наклона которой к заземленной решетчатой конструкции α уменьшается по мере удаления его образующей от заземленной решетчатой конструкции 2. Аэродинамический отражатель 5 установлен с возможностью регулирования длины и угла наклона его направляющей относительно заземленной конструкции. Крепление аэродинамического отражателя может быть осуществлено на поворотной оси 6, закрепленной на заземленной решетчатой конструкции 2. После выбора устройства генерации коронного разряда определяют направления движения воздушных потоков относительно области планируемого воздействия и определяют линии тока ветровых потоков в окрестности контролируемой территории в периоды проведения работ. Технические средства, обеспечивающие генерацию коронного разряда в атмосфере, устанавливают с наветренной стороны таким образом, чтобы линии тока воздушного потока, выходящего из устройств генерации коронного разряда (на рис. 1 обозначены линиями A и B), максимально перекрывали область планируемого воздействия. Количество устройств генерации коронного разряда и их размещение на контролируемой территории выбирают исходя из анализа сценарных расчетов прохождения через область планируемого воздействия линий тока, выходящих из устройств генерации коронного разряда струй. Далее производятся сценарные расчеты распространения выходящих из устройств генерации коронного разряда струй в области планируемого воздействия. В результате расчетов получают зависимости рассеивания по длине струи потока электрических зарядов, паров серной кислоты, аммиака и диметиламина. Исходными данными для сценарных расчетов являются параметры устройства генерации коронного разряда (габаритные размеры, скорости ионного ветра, ограничения по возможностям регулирования аэродинамического отражателя), орография контролируемой территории, направление и скорости ветровых потоков. Расчеты могут производиться с использованием известных методик, используемых для расчета рассеивания загрязняющих веществ из дымовых труб промышленных предприятий. См., например, В.Е. Бекетов и др. Конспект лекций «Рассеивание загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и методики расчета приземных концентраций» по дисциплине «Инженерная экология городов». Харьков. 2011. При этом учитывается специфика происходящих в струе микрофизических процессов, связанных с образованием и эволюцией субмикронных аэрозолей вследствие добавления в струю электрических зарядов, серной кислоты, аммиака и диметиламина. По результатам сценарных расчетов определяется необходимое количество серной кислоты, аммиака и диметиамина, которые необходимо добавлять в струю потока в области ее выхода из устройства генерации коронного разряда и мощность генерируемых коронный разряд устройств из условия достижения в области планируемого воздействия требуемых концентраций:

- электрических зарядов не менее 10³ 1/см³;

- паров серной кислоты в диапазоне значений (10⁶-10⁹)1/см³;

- аммиака в диапазоне (10⁶-10⁹)1/см³;

- диметиламина в диапазоне (10⁶-10⁹)1/см³.

Учитывая, что методики расчета распространения воздушных потоков в погранслое атмосферы, а также методики расчета рассеивания содержащихся в воздушных потоках примесей носят приближенный характер, полученные расчетные данные рекомендуется уточнить проведением лабораторными исследованиями и проведением экспериментальных исследований в условиях реальной местности. Для визуализации и моделирования распространения струй из устройства генерации коронного разряда относительно области планируемого воздействия могут быть использованы дымовые потоки.

В отсутствие возможности получения прогноза о распространении содержащихся в струе воздушного потока веществ требуемый их объем, который будет добавляться в процессе генерации, выбирают исходя из нижних пределов их концентрации:

электрических зарядов не менее 10³ 1/см³;

- паров серной кислоты не менее 10⁶ 1/см³;

- аммиака не менее 10⁶ 1/см³;

- диметиламина не менее 10⁶ 1/см³.

Последующее увеличение концентрации добавляемых веществ, вплоть до установления верхней границы их концентрации, осуществляют до достижения положительного эффекта воздействия. Интенсивность генерации коронного разряда регулируют до значений максимальной величины тока устойчивого коронного разряда (исключающего вероятность искрового пробоя разрядного промежутка), формируемого устройством генерации коронного разряда.

После того как выбраны и установлены устройства генерации коронного разряда и получены данные о требуемых объемах добавляемых веществ и мощности генерации коронного разряда, осуществляют процесс воздействия на атмосферу. Путем подключения коронирующих электродов 4 к источнику питания вследствие высокого напряжения на коронирующих электродах 4 между коронирующими электродами 4 и заземленной решетчатой конструкцией 2 формируется мощное электрическое поле и зажигается коронный разряд. При генерации коронного разряда формируется ионный ветер от коронирующего электрода 4 к заземленной решетчатой конструкции 2. Ионный ветровой поток складывается с естественным натекающим ветровым потоком и попадает в разрядный промежуток, где содержащиеся в нем аэрозольные частицы и молекулы воздуха приобретают электрический заряд. При прохождении воздушного потока, сформированного ионным ветром и естественным натекающим ветровым потоком, мимо заземленных электропроводных элементов заземленной решетчатой конструкции, часть электрически заряженных частиц электрическим полем осаждается на их заземленных поверхностях и сепарируется от ветрового потока. Сформированный воздушный поток, обогащенный электрически заряженными частицами, которые вследствие малости своих размеров не смогли быть сепарированы электрическим полем, выходит из заземленной решетчатой конструкции 2. В выходящий воздушный поток, обогащенный электрически заряженными частицами, добавляют пары серной кислоты, а для повышения эффективности в случае необходимости и аммиака, и диметиламина в объеме, значение которого определено до начала генерации коронного разряда при проведении сценарных расчетов. Обогащенный добавленными веществами и электрическими зарядами воздушный поток попадает на аэродинамический отражатель 5, отражаясь от поверхности которого выходит наружу в естественную атмосферу в виде струи. Сформированная предлагаемым устройством очищенная от тумана струя воздушного потока, имеющая скорость (W+ΔW), под воздействием внешнего естественного натекающего ветрового потока, имеющего скорость W, трансформируется в результирующую струю, ограниченную линиями тока A-B (см. рис. 1). При ориентации аэродинамического отражателя 5 в положение, обеспечивающее направление выходящей из предлагаемого устройства струи вертикально вверх, границы линий тока результирующей струи будут описываться уравнениями, представленными на рис. 1. При других положениях аэродинамического отражателя, либо всего устройства, когда выходящая из него струя будет ориентирована под углом к натекающему внешнему естественному ветровому потоку, границы струи определяются исходя из общих уравнений взаимодействия струй, достаточно полно описанных в специальной литературе по прикладной аэродинамике. См., например, Г.Н. Абрамович. Прикладная газовая динамика. Часть 1. Издание пятое. Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы. 1991 г.; И.А. Шепелев. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. Москва. Строиздат. 1978. Сформированная струя воздушного потока, насыщенного электрическими зарядами, серной кислотой, аммиаком и диметиламином, направляется в область планируемого воздействия. При работе в условиях тумана значительная часть капель тумана (более 80% по данным лабораторных экспериментов) будет сепарироваться от воздушного потока в устройстве генерации коронного разряда. В область воздействия будет попадать очищенный от тумана воздух, который, как и в известном способе, будет вытеснять туман из контролируемой территории. Содержащиеся в струе воздушного потока электрические заряды инициируют процессы конденсации, которые усиливаются в условиях повышенной концентрации серной кислоты. Выделяющееся при этом тепло способствует процессу подъема воздушных масс, рассеиванию тумана на значительной территории, в том числе и подъему нижней границы облачности, что расширяет область воздействия и повышает его эффективность. Повышение концентрации серной кислоты, а также одновременно и аммиака, и диметиламина еще больше усиливает интенсификацию процесса конденсации паров и, соответственно, повышает эффективность воздействия. Как показали экспериментальные исследования, проведенные в натурных условиях, микрофизические процессы, происходящие в атмосфере, обогащенной электрическими зарядами, способствуют рассеиванию тумана на значительной территории. См., например, В.Б. Лапшин и др. «Результаты натурных экспериментов по оценке влияния коронного разряда на плотность тумана». Метеорология и гидрология. 2006, №1, стр 41-47. Учитывая, что увеличение концентрации серной кислоты значительно усиливает процессы конденсации, предлагаемый способ обеспечит расширение области воздействия и повышение его эффективности. Добавление паров серной кислоты, а также и при необходимости аммиака и диметиламина может также осуществляться на входе в устройство генерации коронного разряда. В этом случае в сценарных расчетах распространения выходящих из устройств генерации коронного разряда струй необходимо учитывать микрофизические процессы образования и эволюции капельных дисперсий в области генерации коронного разряда и осаждение капельных дисперсий на поверхности заземленной решетчатой конструкции.

Использование предлагаемого способа для инициирования процессов образования осадков предусматривает формирование восходящих воздушных потоков, поднимающихся до высот не менее 100 метров, что требует использование устройства генерации коронного разряда на площади не менее 10⁴ м², с линейным размером устройства вдоль по ветру не менее 100 м. Предлагаемый способ может быть также реализован при генерации коронного разряда в области, где естественным образом уже сформировался восходящий воздушный поток. В этом случае необходимо, чтобы линии тока воздушного потока, выходящего из устройства генерации коронного разряда, направлялись в область восходящего воздушного потока. В этом случае восходящий воздушный поток с помощью воздушного потока, генерируемого коронным разрядом, будет насыщен электрическими зарядами и повышенной концентрацией серной кислоты, а при добавлении в поток аммиака и диметиламина еще и аммиаком, и диметиламином. При этом в восходящем воздушном потоке образуются дополнительные частицы, которые вследствие адиабатического расширения воздуха перерастут в облачные ядра конденсации, сконденсируют на себе пересыщенную влагу, что увеличит вероятность выпадения осадков.

Таким образом, предложенное техническое решение благодаря новым, ранее неизвестным признакам в сочетании с известными признаками, позволяет расширить области воздействия на атмосферу и повысить эффективность воздействия, добиться цели изобретения.