Способ создания искусственных облаков и осадков

Изобретение относится к области искусственного увеличения осадков и может быть использовано в засушливых регионах для защиты от засухи. Осуществляют инициирование восходящих потоков за счет нагревания приземного воздуха от солнечной радиации. Из частиц радиусом от 0,1 до 0,8 мкм в дозировке не менее 10¹² частиц на 1 м² создают сплошной искусственный аэрозольный слой, поглощающий солнечную радиацию, на площади не менее 1 км². Обеспечивается инициирование термической конвекции и создания восходящих потоков, искусственных конвективных облаков и осадков в безоблачной атмосфере, а также усиление естественных облаков и осадков за счет использования энергии солнечной радиации. 6 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области искусственного увеличения осадков и может быть использовано в засушливых регионах для защиты от засухи.

По оценкам ООН в 2025 году около 1,8 миллиарда человек будут жить в регионах с «абсолютным дефицитом воды». Прирост населения Земли на три миллиарда человек к 2050 году может повысить спрос на воду на 55%, и 40% населения нашей планеты будет испытывать острый дефицит воды.

Для смягчения дефицита пресной воды в засушливых странах используют технологии добычи грунтовых вод и опреснения морской воды. Но возможности таких подходов зачастую ограничены запасами грунтовых вод и высокой энергоемкостью опреснения воды.

Одним из перспективных путей пополнения запасов пресной воды является применение способов искусственного увеличения осадков (ИУО), которые используются более чем в 50 странах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Традиционные способы ИУО предусматривают повышение эффективности осадкообразования в естественных облаках путем их засева ядрами кристаллизации и конденсации с помощью авиационных, ракетных, артиллерийских и наземных технических средств (Колосков Б.П., Корнеев В.П., Щукин Г.Г. Методы и средства модификации облаков. – СПб., 2012. 341 с.).

Однако во многих регионах с аридным климатом длительные периоды не бывает облаков. Например, в ОАЭ и соседних странах среднегодовое число безоблачных дней достигает 355, и с апреля по декабрь выпадает всего 20 - 40 мм осадков при годовой норме 130 - 150 мм.

В данном изобретении в отличие от традиционных методов ИУО предлагается новый способ создания искусственных облаков и осадков в безоблачной атмосфере. Научными предпосылками для этого являются следующие два фактора:

Во-первых, атмосфера Земли всегда содержит около 1,27⋅10¹⁶ кг водяного пара, источником которого является испарение с поверхности океанов, морей, влажной почвы и растений. Если весь водяной пар, содержащийся в атмосфере, превратить в осадки, то вся поверхность Земли будет покрыта слоем воды толщиной в среднем около 25 мм. Эти запасы водяного пара непрерывно обновляются за счет круговорота испарение-конденсация и выпадение осадков, совершая ежегодно 8-9 гидрологических циклов продолжительностью около 40-45 дней. Т.е., имеющееся в атмосфере количество водяного пара постоянно пополняется и является неистощимым источником влаги для ИУО.

Во-вторых, еще в древности обнаружено, что над мощными источниками тепла зачастую образуются конвективные облака и осадки, которых нет в окружении. Такими источников тепла, порождающими конвективные облака и осадки, являются лесные и другие крупные пожары, действующие вулканы, прогретые солнцем вершины гор, «тепловые острова», формирующиеся над крупными городами, атомными электростанциями, нефтеперерабатывающими комбинатами и теплоэлектростанциями.

Это связано с тем, что прогретый над источниками тепла воздух становится легче окружающего и поднимается вверх, стимулируя развитие термической конвекции и зарождение облаков, называемых «PyroClouds» и «IndustryClouds», которые иногда могут давать ливневые осадки в условиях, когда без таких источников тепла естественные облака и осадки не образуются.

Поэтому все известные способы вызывания дождя в засуху основаны на создании искусственных источников тепла:

А) Известен древний способ вызывания дождя в период засухи, предусматривающий создания искусственных пожаров в прериях и саваннах, применявшийся в Южной Америке и Экваториальной Африке.

Б) Известны способы создания облаков с помощью метеотронов, которые представляют собой искусственные тепловые источники прогрева приземного воздуха за счет тепла, выделяющегося при сжигании нефтепродуктов:

- Метеотроны Дессанса, использованные во Франции и на Кубе для создания облаков, содержали 100 и более струйных горелок, размещенных на площади радиусом 33 м (Дессенс А. Можем ли мы изменить климат? Пер. с франц. Л.: Гидрометеоиздат. 1969. 119 с.). Они расходовали около 60 и 105 тонн/час газойля и имели мощности 700 и 1000 МВт. Неполное сгорание топлива приводило к сильному загрязнению атмосферы сажей.

- Метеотрон Института геологии и геофизики СО РАН имел 60 струйных огнеметов, размещенных по периметру восьмиугольника со стороной 53 м, развивал мощность 5–6 тысяч МВт, расходуя при этом около 430 тон/час дизтоплива. Восходящие потоки в некоторых из 8 опытов поднималось до 3 км.

- Метеотроны Челябинского политехнического института (8 вариантов), были предназначены для вентиляции угольных разрезов, создания облаков и рассевания туманов. Они содержали от 10 до 100 центробежных форсунок с расходом дизтоплива от 7 до 30 тонн/час, и развивали мощность от 80 до 400 МВт. Мелкодисперсное распыление дизтоплива в сочетании с различными вариантами размещения форсунок обеспечивало полное сгорание топлива, и получение бездымной струи (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 4 и 10 реактивными двигателями, предназначенные для исследования возможности создания искусственных облаков и осадков, имели мощности 200 и 500 МВт, а «Суперметеотрон», построенный на берегу высокогорного озера Севан, для пополнения уровня воды в нем, содержал 6 двигателей с общей мощностью 500 МВт (Вульфсон Н.И., Левин Л.М., Метеотрон как средство воздействия на атмосферу. М.:, Гидрометеоиздат, 1987. – 131 с.). Благодаря полному сгоранию топлива эти метеотроны гораздо меньше загрязняли атмосферу, чем метеотроны Дессенса и Института геологии и геофизики.

В) Известны также способы стимулирования создания облаков с помощью солнечных метеотронов, представляющих собой покрытые асфальтом или, черной тканью, или черными блоками участки поверхности земли, которые хорошо поглощают солнечную радиацию (Brenig L., Zaady E., Vigo-Agular J., Karnieli A., Fovell R., Arbel Sh., Al Baz I., Offer Z.Y. Cloud formation and rainfalls induced by artificial solar setting: A weather engineering project for fighting aridity. Geographical Forum – Geographical studies and environment protection research. Year 7, No 7 / 2008. P. 67-82.).

Способ Орановского В.В. (патент РФ № 2071243, 1997) предусматривает создание приподнятого над землей зачерненного экрана и для повышения эффективности такого солнечного метеотрона окружить его системой поворотных зеркал, фокусирующих солнечную энергию на экран.

- Известен также «Способ создания восходящего потока воздуха в атмосфере путем его нагрева» с помощью устройства Гелиатор, представляющего собой нагреваемую Солнцем многоярусную гирлянду надутых гелием торроидов с зачерненной поверхностью (Патент РФ № 2462026, опубликован 27.09.2012). В целях повышения реализуемости этого способа предложена упрошенная конструкция этого устройства, в которой вместо громоздких надувных торроидов предлагается использовать конусовидные полосы черной ткани (патент РФ № 2670059 от 21.12.2017 г.).

Недостатками перечисленных способов являются следующее:

- древний метод сжигания растительности прерий и саван не приемлем ввиду их ограниченности и вреда, наносимого флоре и фауне;

- факельные и огнеметные метеотроны требует огромных расходов топлива, и приводят к серьезным загрязнениям окружающей среды;

- покрытие асфальтом и тепловыделяющими материалами с низким альбедо больших площадей требует больших затрат и их эффективность снижают потери энергии за счет утечки в глубь почвы, на поверхности которой находится экран;

- способ Орановского предусматривает исключение этих потерь путем устройства экрана на опорах, изолирующих зачерненный экран от земли, однако он практически не реализуем из-за огромных габаритов экрана и громоздкой система зеркал, окружающих экран (в описании патента справедливо указано, что площадь экрана должна достигать несколько км²);

- солнечные метеотроны с поглотительными экранами в виде асфальтовых, тканевых и других черных покрытий, имеющих небольшие площади не эффективны, а создание экранов, имеющих площадь порядка 2 - 6 км² и более, очень дорого и пока остается на уровне нереализованных идей.

Вследствие громоздкости и потребности в больших затратах ни один из солнечных метеотронов не реализован и не применяются (как и все другие) на практике борьбы с засухой, оставаясь пока предметом исследований и отдельных экспериментов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту являются способ создания облаков с помощью солнечного метеотрона Орановского (Прототип, патент РФ № 2071243, 1997).

Заявляемый способ решает задачу инициирования термической конвекции и создания восходящих потоков и искусственных конвективных облаков и осадков в безоблачной атмосфере, а также усиления естественных облаков и осадков за счет использования энергии солнечной радиации.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе создания искусственных облаков в качестве черного экрана, прогреваемого солнечной радиацией, вместо асфальтовых, матерчатых или блочных покрытий поверхности земли создается аэрозольный слой, эффективно поглощающий солнечную радиацию.

Аэрозольный слой, имеющий требуемую оптическую плотность и малое альбедо, создается в приземной атмосфере с помощью аэрозольных генераторов. Разница в альбедо аэрозольного слоя и его окружения приводит к тому, что температура воздуха в аэрозольном слое превышает температуру окружения пропорционально разности их альбедо. Более теплый воздух в аэрозольном слое всплывает и приводит к развитию вынужденной термической конвекции, формированию восходящих потоков, которые при достижении уровня конденсации, приводят к образованию конвективных облаков и осадков.

В целях минимизации расхода дымового состава аэрозольный слой создают с такой дисперсностью аэрозоля, который максимально эффективно поглощает солнечную радиацию в диапазоне длин волн от 0,3 до 0,9 мкм.

Выбор оптимальной дисперсности аэрозоля выполнен на основе теории рассеяния световых волн в аэрозольной среде и установлено, что основной спектр солнечной радиации наилучшим образом поглощается аэрозольными частицами радиусом от 0,1 до 0,8 мкм.

Расчеты значений коэффициента поглощения (γ, м^-1), проведенные по точным дифракционным формулам теории рассеяния, показали, что при дозировке такого аэрозоля более 0,25 г/м² число аэрозольных частиц в вертикальном столбе достигает N_AS ≥ 10¹² м^-2, которое обеспечивает практически полное поглощение солнечной радиации.

Для повышения эффективности предлагаемого способа аэрозольный слой, создается из гигроскопических и электрически заряженных частиц являющихся активными центрами конденсации водяного пара, способствующими эффективному облако и осадкообразованию.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАЦИЙ

Сущность изобретения поясняется рисунками, где изображено:

• на фиг. 1 – схема создания аэрозольного слоя дымовыми шашками маскирующего действия;

• на фиг. 2 – схема установки для создания аэрозольного слоя путем мелкодисперсного разбрызгивания морской воды или водного раствора карбамида в реактивной струе: 1 – турбореактивный двигатель; 2 – эжектор-отвод, обеспечивающий разбавление и поворот реактивной струи на 90 градусов; 3 - реактивная струя; 4 – устройство впрыскивания рабочей жидкости в реактивную струю;

• на фиг. 3 – распределение концентрации аэрозольных частиц, приходящихся на единицу площади (N_AS, m^-2), создаваемое при непрерывной работе в течение 1 часа 5 непрерывных источников аэрозоля, размещенных поперек ветра и расходующих по 150 кг/час дымового состава при скорости ветра: а) u = 0,5 м/с; б) u = 1 м/с;

• на фиг. 4 – временной ход площади (S(t), км²) и объема (V(t), км²) аэрозольного слоя, который могут создать пять источниками аэрозоля непрерывного действия, размещенных через 200 м по линии перпендикулярной направлению приземного ветра, имеющего скорость: u = 0,5 и 1,0 м/с;

• на фиг. 5 – временной ход количества тепла (Q_0,5 и Q_1,0, ГДж), выделяющегося в аэрозольном слое, созданном пятью источниками аэрозоля непрерывного действия, размещенными через 200 м по линии перпендикулярной направлению ветра, имеющего скорость: u = 0,5 и 1,0 м/с;

• на фиг. 6 – вертикальные сечения области восходящих потоков (W, м/с), стимулируемых аэрозольным слоем. Показаны сечения через 20, 30, 40 и 50 минут после создания аэрозольного слоя. Расчет выполнен на основе гидродинамической модели FlowVision.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Аэрозольный слой с требуемой дисперсностью и дозировкой аэрозоля создают с помощью аэрозольных генераторов (дымовые шашки, дымовые машины), которые генерируют аэрозоль с размерами частиц от 0,1 до 0,8 мкм , эффективно поглощающего солнечную радиацию в световом диапазоне волн, (фиг. 1). Для формирования такого аэрозоля аэрозольные генераторы снаряжают пиротехническим составом маскирующего действия (например, Резников М.С. и др. Пиротехнический состав черного дыма, патент РФ № 2528851), предназначенным для маскировки кораблей, аэропортов и других крупных объектов.

Альтернативным способом получения мелкодисперсного гигроскопического аэрозоля является распыление на мельчайшие капельки и испарение морской воды или водного раствора карбамида в реактивной струе реактивного двигателя (фиг. 2).

Такие источники аэрозоля размещают через 200 м вдоль линии поперек направлению ветра (фиг. 1), так чтобы турбулентная диффузия и ветровой перенос приводили к слиянию дымовых шлейфов друг с другом и образованию над поверхностью земли сплошного аэрозольного слоя, в виде полосы, вытянутой по направлению ветра. На фиг. 3 показано поле концентрации аэрозоля в изолиниях его содержания в вертикальном столбе (N_AS, m^-2), создаваемое при непрерывной работе 5 источников, размещенных через 200 м по линии поперек направления ветра и расходующих в течение 1 часа по 150 кг/час дымового состава при скорости ветра: а) u = 0,5 м/с; б) u = 1 м/с. (Расчеты проведены на основе теоретической модели распространения аэрозоля в атмосфере: Абшаев А.М., Малкаров Х.Ж., Оптимизация параметров искусственного аэрозольного слоя… – Метеорология и гидрология, 2009, № 9, С. 27-39).

При непрерывной работе источников аэрозоля площадь и объем аэрозольного облака будут увеличиваться со временем (фиг. 4), приводя к увеличению количества тепла, поглощаемой солнечной радиации (фиг. 5).

Поглощение солнечной радиации в аэрозольном слое будет прямо пропорционально количеству аэрозольных частиц, приходящихся на единицу площади слоя. При концентрации аэрозоля порядка 2⋅10¹² м^-2 обеспечивается практически 100% поглощение солнечного излучения в видимом диапазоне.

Вокруг аэрозольного слоя воздух также нагревается пропорционально поглощению солнечной радиации, которое тем меньше, чем больше альбедо земной поверхности (A) и пропорционально (1-A). С учетом этого избыточное количество энергии, поглощаемое аэрозольным слоем, будет равно:

Q = P(λ)⋅Δλ⋅γ⋅S⋅sinθ⋅A⋅t,

где P(λ) – спектральная плотность излучения Солнца; λ – длина волны; Δλ – ширина полосы поглощения аэрозольного слоя; γ – коэффициент поглощения солнечной радиации; S – площадь аэрозольного слоя; θ – угловое положение Солнца; A – альбедо ландшафта, окружающего аэрозольный слой; t – время от момента создания аэрозольного слоя.

Полагая, что у поверхности земли P(λ) ≈ 1 Вт /(м²⋅нм), Δλ = 600 нм; γ ≈ 0,9 м^-1; площадь аэрозольного слоя S = 1,5⋅10⁶ м²; θ = 70^o; альбедо окружения (например, для пустыни) A = 0,35; t = 1 час, получим, что количество тепла, поглощаемое аэрозольным слоем, составляет Q ≈ 2,66⋅10⁵ кВт⋅ч ≈ 9,6⋅10⁸ кДж.

Т.е. мощность такого солнечного метеотрона достигает 1000 - 2000 МВт (фиг. 5), что превышает мощности метеотронов Дессанса и Вульфсон-Левина, в которых за 1 час сжигалось около 60 тонн нефтепродуктов.

Тепло Q идет на нагревание воздуха в аэрозольном слое и может привести к превышению его температуры над окружением на ΔT, равное

ΔT =Q⋅t/M_A⋅t⋅ c_p .

где c_p = 1,005 кДж/(кг⋅^oC) – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, а M_A – масса прогреваемого воздуха, равная:

M_A = V_A⋅t⋅ ρ = S⋅h⋅t⋅ρ.

где V_A – объем аэрозольного слоя; h – толщина аэрозольного слоя; ρ – плотность воздуха.

При S = 1,5⋅10⁶ м², h = 30 м объем прогреваемого аэрозольного облака равен V_A = 4,5⋅10⁷ м³. На высоте 1000 м над уровнем моря, где плотность воздуха ρ = 1,11 кг/м³ масса прогреваемого воздуха будет равна M_A ≈ 5⋅10⁷ кг.

Через 6 мин (t = 0,1 часа) после создания аэрозольного слоя превышение температуры воздуха в нем достигнет

ΔT = Q / M_A⋅c_p ≈ 1,91 ^оС.

Учитывая, что температура термиков при естественной конвекции в атмосфере превышает температуру окружающего воздуха на ΔT ≈ 0,2–0,3 ^оС, можно утверждать, что превышение температуры воздуха в аэрозольном слое относительно окружения на ΔT ≈ 1,91 ^оС приведет к интенсивной вынужденной термической конвекции. При непрерывная работе источников аэрозоля объем восходящего потока будет увеличиваться во времени и может достигать 10⁸ – 10⁹ м³ (фиг. 4), при средней скорости восходящего потока до 15 м/с (фиг. 6).

Площадь и объем восходящего потока, инициируемого предлагаемым способом, сопоставим с объемом мощно-кучевых (Cu Cong) и кучево-дождевых облаков (Cb) даже без учета вовлечения окружающего воздуха. Теоретическое моделирование показало, что искусственные восходящие потоки могут достигать уровня конденсации, расположенного даже выше 2,5 км (фиг. 6), обеспечить формирование конвективных облаков и осадков.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одним из вариантов создания аэрозольного метеотрона такой мощности является зажигание дымовых шашек с массой дымового состава 30 кг и временем горения 10 мин, например, в 5 точках, расположенных по линии перпендикулярной направлению ветра, через каждые 10 минут. В течение 1 часа будет израсходовано 30 шашек с общей массой дымового состава 900 кг.

Численное моделирование восходящих потоков стимулируемых аэрозольным слоем на основе трехмерной гидродинамической модели движения FlowVision показало, что при вертикальных градиентах температуры в атмосфере γ ≥ 8 ^оС/км и малых скоростях ветра в аэрозольном слое возникают восходящие потоки, достигающие высоты 2 - 2,5 км и имеющие скорости до W_max = 12 - 15 м/с (фиг. 6). (Расчет по модели FlowVision выполнили специалисты Инжиниринговой компании «ТЕСИС» А.Е. Щеляев и Ю.А. Фишер). По расчетным данным через 40 - 50 минут после создания аэрозольного слоя эти потоки могут достигать уровня конденсации и запустить механизм конденсация водяного пара, выделения тепла конденсации и формирования конвективного облака и осадков.

Преимуществами предлагаемого способа создания искусственных облаков и осадков над прототипом и всеми ранее предложенными является следующее:

1. Превышение мощности аэрозольного солнечного метеотрона по сравнению с метеотронами, в которых сжигаются нефтепродукты.

2. Простота и экономичность реализации способа:

2.1. Создание аэрозольного слоя многократно дешевле по сравнению с асфальтовыми, тканевыми и блочными покрытиями огромных площадей.

2.2. Для получения предлагаемым способом мощности 1000 МВт требуется расход дымового состава 450 кг, а применение метеотронов Дессенса и других требует в 100 раз большее количество нефтепродуктов.

3. Аэрозольный солнечный метеотрон, в отличие асфальтовых и тканевых покрытий не имеет потерь за счет утечки энергии в почву.

4. Важным достоинством предлагаемого способа также является то, что генерируемый дымовыми шашками аэрозольные частицы имеют электрические заряды, разветвленную форму и активные гигроскопические свойства (Шидловский A.A. Основы пиротехники. М.: «Машиностроение», 1973. 280 с.). Т.е. частицы аэрозольного слоя являются активными центрами конденсации водяного пара даже в ненасыщенном воздухе. При попадании в искусственное конвективное облако эти частицы могут играть роль активных ядер конденсации, способствующих осадкообразованию.

Совокупность этих преимущества и достоинств, предлагаемого способа обеспечивают более высокую эффективность по сравнению с известными способами, удешевление и повышение реализуемости создания искусственных облаков и осадков.

Одним из вариантов реализации способа создания аэрозольного слоя является распыление водного раствора карбамида, морской воды или другой рабочей жидкости в струе турбореактивного двигателя (фиг. 1), с получением мелкодисперсного гигроскопического аэрозоля.

Создание аэрозольного облака с помощью высокоскоростной и высокотемпературной реактивной струи с расходом 200 кг/с и более дополнить преимущества предлагаемого способа в следующем:

- повышение оперативности создания аэрозольного облака;

- придание аэрозольному облаку начального перегрева до 500 ^оС, приводящее к его высокой плавучести;

- создание начального импульса восходящего потока с большой скоростью (400-600 м/с), который может пробить задерживающие слои и согласно данным Вульфсона и Левина подняться в устойчивой атмосфере до высоты 400 м, в слабоустойчивой атмосфере до 1000–1500 м, а при наличии слоя неустойчивости или слоистообразной облачности до 3000–4500 м, приводя к образованию конвективного облака.

Этот способ создания искусственных облаков объединяет возможности солнечного и струйного метеотронов и позволяет реализовать следующую цепь физических процессов:

а) Кинетическая энергия высокоскоростной струи реактивных газов создаст начальный импульс восходящего потока (динамический фактор).

б) Высокая начальная температура струи приведет к усилению восходящего потока (термический фактор).

в) Вовлечение окружающего воздуха и расширение струи по мере подъема приведет к увеличению размеров аэрозольного облака и количества поглощаемой солнечной радиации, повышая тем самым мощность предлагаемого аэрозольного солнечного метеотрона.

г) После достижения уровня конденсации восходящий поток усиливается за счет выделения тепла конденсации водяного пара и приводит к образованию мощного конвективного облака.

д) Конденсации водяного пара способствует высокое содержание гигроскопического аэрозоля.

е) При наличии в атмосфере потенциальной энергии неустойчивости искусственное облако развивается до стадии Cb и дает ливневые осадки.

Предлагаемый способ создания искусственных облаков и осадков в безоблачной атмосфере рекомендуется использовать в дни с благоприятными условиями, которые следует выбирать по следующим критериям:

А) повышенная влажность воздуха;

Б) малые скорости ветра;

В) наличие задерживающего слоя в слое атмосферы ниже уровня конденсации;

Б) наличие потенциальной энергии неустойчивости выше уровня конденсации.

Наиболее приемлемым временем суток для создания искусственных облаков является период максимального прогрева приземного воздуха с 14³⁰ до 18⁰⁰, а более приемлемым местом – наветренный фланг горы или горного хребта с высотой над уровнем моря около 1000-1500 м.

Авторы: А.М. Абшаев

М.Т. Абшаев

А. А. Мандус

Способ создания искусственных облаков и осадков, включающий инициирование восходящих потоков за счет нагревания приземного воздуха от солнечной радиации, характеризующийся тем, что из частиц радиусом от 0,1 до 0,8 мкм в дозировке не менее 10¹² частиц на 1 м² создают сплошной искусственный аэрозольный слой, поглощающий солнечную радиацию, на площади не менее 1 км².