СПОСОБ АКТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ГРАДОВЫЕ ОБЛАКА
METHOD OF HAIL CLOUDS SUPPRESSION

Изобретение относится к области активных воздействий на облака с целью предотвращения градобитий с использованием авиационной техники.
Известны различные способы активных воздействий на градовые облака, основанные на внесении кристаллизующего реагента в зону зарождения и роста града, определенную путем радиолокационного зондирования с земли (а.с. СССР №213445, кл. A01G 15/00, 1966 и а.с. СССР №249831, кл. A01G 15/00, 1968).
Согласно известным способам кристаллизующий реагент вносят в зону зарождения и роста града с помощью противоградовых ракет и снарядов. При этом зона зарождения и роста града выделяется с помощью метеорологического радиолокатора как зона повышенной радиолокационной отражаемости. Однако, как показала практика, засев области роста града не может дать положительного результата, а в некоторых случаях может даже привести к ускорению роста града. Кроме того, засев зоны зарождения града по всему сечению облака требует примерно 20-кратного завышения затрат реагента, стоимость которой превышает стоимость нанесенного градом ущерба. Поэтому известные методы нереальны и не эффективны.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ активных воздействий на градовые облака путем внесения кристаллизующего реагента в области будущего градообразования, выделенные в активном слое облачной среды, ограниченном снизу пороговым уровнем температуры кристаллизации реагента, а по периметру - изоконтурами пороговых уровней радиолокационной отражаемости, полученными путем циклического измерения радиолокационных сигналов по дискретным пространственным точкам (патент РФ №2090056, кл. А01 15/00, 1997 г. ПРОТОТИП).
Данный способ лежит в основе действующей Российской технологии, которая успешно применяется как у нас в стране, так и за рубежом.
Несмотря на достоинства известного способа по прототипу имеется один серьезный недостаток, который заключается в следующем. Физической основой этого способа (как и всех других способов, основанных на засеве облаков кристаллизующими реагентами) является ускорение осадкообразования за счет внесения кристаллизующих частиц, на которых формируются облачные кристаллы, которые растут быстрее капель воды благодаря разности упругости насыщения водяного пара над водой и льдом. При 100% насыщении водяного пара относительно облачных капель воды имеет место пересыщение водяного пара относительно кристаллов льда. Это приводит к тому, что кристаллы растут, понижая содержание водяного пара, а капли испаряются, восполняя дефицит водяного пара. В результате реализуется так называемый механизм перегонки водяного пара с капель на кристаллы (механизм Бержерона-Финдайзена).
Однако для проявления эффекта воздействия требуется длительный инкубационный период формирования облачных кристаллов и их роста до размеров (30 мкм), при которых начинается их гравитационный рост, приводящий к ускорению осадкообразование. Согласно данным лабораторных и теоретических исследований время инкубационного периода составляет 6-8 мин. Это означает по существу, что время получения эффекта воздействия запаздывает на указанные 6-8 мин. При воздействии на быстротечные градовые процессы это приводит к снижению эффективности воздействия, значительному расходу дорогостоящих противоградовых ракет и снарядов, а также пропускам градобитий на защищаемой территории.
Техническим результатом от использования заявленного способа является повышение эффективности активных воздействий на градовые облака путем массированного засева областей будущего градообразования готовыми центрами коагуляции, которые могут сразу же (без запаздывания) привести к быстрому осадкообразованию за счет коагуляционного роста (захвата облачных капель). В качестве таких готовых центров коагуляции предлагается осуществлять массированный засев фидерных облаков, питающих основное градовое облако влагой, каплями воды или частицами гигроскопического вещества с размерами частиц 30-100 микрон.
Технический результат достигается тем, что в известном способе активных воздействий на градовые облака путем определения во фронтальной части облака в направлении навеса радиоэха зоны воздействия, ограниченной по высоте пороговыми уровнями температуры, а с тыльной стороны пороговым уровнем радиолокационной отражаемости, определенным путем циклического измерения радиолокационных сигналов по дискретным пространственным точкам, с последующим внесением реагента в эту зону с помощью авиационной техники, при определении зоны воздействия предварительно формируют вертикальное сечение структуры радиоэха от облака, с изоконтурами радиолокационной отражаемости Z=10 dBZ и Z=55 dBZ, определяют направление вектора воздушного потока, направление вектора движения облака, и направление навеса радиоэха, после чего на уровне навеса радиоэха облака формируют горизонтальное сечение, после этого в направлении навеса радиоэха, в слое облачной среды, лежащем выше нулевой изотермы, выделяют зону фидерных облаков, ограниченную по высоте: с тыльной стороны - профилем изоконтура радиолокационной отражаемости Z=10 dBZ, с наветренной стороны - вертикальной плоскостью, проходящей по вектору ведущего потока, с подветренной стороны - вертикальной плоскостью, проходящей параллельно направлению навеса радиоэха, касательно к изоконтуру радиолокационной отражаемости Z=55 dBZ, а с фронтальной стороны - границами фидерных облаков, после чего с борта летательного аппарата осуществляют визуальный обзор фидерных облаков, находящихся в этой зоне, среди которых затем выделяют пригодные для воздействия фидерные облака, после чего на вершину каждого из них, начиная с наветренного фланга градового облака, сбрасывают не менее 500 кг воды либо гигроскопического вещества, диспергированных до размеров частиц 30-100 мкм.
Технический результат достигается и тем, что пригодность фидерных облаков для воздействия определяют по их высоте, которая должна составлять не менее 2 км от уровня нулевой изотермы.
Предлагаемый способ сброса готовых центров коагуляции по данным теоретического моделирования и экспериментальным данным обеспечивает вымывание водосодержания фидерных облаков, формирование нисходящих потоков, приводящих к динамическому разрушению мощных конвективных облаков за 2-4 мин и прерыванию градообразования в облаке из-за отсутствия подпитки.
На фиг.1 представлено вертикальное сечение структуры радиоэха градового облака, а на фиг.2 - горизонтальное сечение структуры радиоэха на уровне навеса радиоэха (вид по А-А).
Градовое облако обозначено позицией 1, а визуально определяемая ее граница - позицией 2. Пороговый уровень радиолокационной отражаемости Z=10 dBZ обозначен позицией 3. Зона формирования и выпадения градовых осадков обозначена цифрой 4. Данная зона ограничена изоконтуром радиолокационной отражаемости 5, уровень которой соответствует Z=55 dBZ. Во фронтальной части зона формирования и выпадения градовых осадков 4 показан навес радиоэха 6.
o
o
o
o
1
2
На фиг.2 векторы основного потока, направления движения градового облака 1 и навеса радиоэха 6 обозначены, соответственно, стрелками «А», «В» и «С». Уровень нулевой изотермы на фиг.1 обозначен горизонтальной линией t-t. Зона фидерных облаков обозначена позицией 7 и на фиг.2 контуры ее выделены жирной линией. Данная зона 7 ограничена: снизу уровнем нулевой изотермы t-t, с тыльной стороны - профилем изоконтура радиолокационной отражаемости 3 (Z=10 dBZ), с наветренной стороны - вертикальной плоскостью П, проходящей по вектору ведущего потока А, с подветренной стороны - вертикальной плоскостью П, проходящей параллельно вектору направления навеса радиоэха С, касательно к изоконтуру радиолокационной отражаемости 5, уровень которого соответствует Z=55 dBZ. С фронтальной стороны зона 7 ограничена границами фидерных облаков 8. Высота зоны 7 на фиг.1 обозначена через h.
Над фидерными облаками 8 (фиг.1) схематично показан самолет 9, с которого осуществляется визуальный обзор фидерных облаков и воздействие на них (показано стрелкой). На фиг.2 пунктирной линией 10 со стрелками показана рекомендуемая схема движения самолета 9 над фидерными облаками 8.
Предлагаемый способ активных воздействий на градовые облака на практике осуществляется следующим образом.
С помощью метеорадиолокатора (не показан) осуществляют периодический обзор пространства (полусферы) с цикличностью 3-5 мин. В каждом цикле обзора регистрируют амплитуды радиолокационных сигналов во всех точках трехмерного пространства полусферы с разрешающей способностью по всем трем координатам не хуже 0,5 км (выбранные значения цикличности и разрешающей способности являются оптимальными). В результате радиолокационного зондирования в каждом цикле обзора получают вертикальные и горизонтальные сечения структуры радиоэха градового облака 1 в виде линий отражаемости 3 и 5. На фиг.1, 2 показаны выборочно изоконтуры радиолокационной отражаемости 3 и 5, которые соответственно отвечают уровням отражаемости Z=10 dBZ и Z=55 dBZ. Изоконтур радиолокационной отражаемости 5 (Z=55 dBZ) ограничивает зону формирования и выпадения градовых осадков 4 внутри облака. Остальные применяемые на практике линии радиолокационной отражаемости из-за отсутствия необходимости в них не показаны. После получения вертикального (Фиг.1) сечения структуры радиоэха градового облака 1 и горизонтального его сечения (А-А) на уровне навеса радиоэха 6 (Фиг.2) известными методами определяют направление ведущего потока (среднего ветра) (показано стрелкой А), направление движения градового облака 1 (показано стрелкой В), и направление навеса радиоэха 6 (показано стрелкой С).
o
o
o
o
o
o
1
2
o
o
Далее, используя данные температурного радиозондирования атмосферы, определяют положение нулевой изотермы t-t относительно уровня моря. На фиг.1 данный уровень отображен линией t-t. Затем в градовом облаке 1 в направлении навеса радиоэха (С), в слое облачной среды, лежащем выше нулевой изотермы t-t, выделяют зону воздействия 7 с фидерными облаками 8, ограниченную с тыла изоконтуром радиолокационной отражаемости 3 (Z=10 dBZ), а по бокам: с наветренной стороны - вертикальной плоскостью П, проходящей по вектору ведущего потока А, с подветренной стороны - вертикальной плоскостью П, проходящей параллельно вектору направления навеса радиоэха С, касательно к изоконтуру радиолокационной отражаемости Z=55 dBZ и с фронтальной стороны - границами фидерных облаков 8. После этого с борта самолета 9 осуществляют визуальный обзор фидерных облаков 8 в зоне 7, среди которых затем выделяют пригодные для воздействия фидерные облака. При этом пригодность фидерных облаков для воздействия определяют по их высоте, которая должна составлять не менее 2 км от уровня нулевой изотермы (t-t). После чего, начиная с наветренного фланга градового облака 1, на вершину каждого из них сбрасывают не менее 500 кг диспергированной воды, либо гигроскопического вещества, имеющего размеры 30-100 мкм. В качестве гигроскопического вещества могут быть использованы различные удобрения, обладающие высокой гигроскопичностью, например калиевая селитра. Частицы воды и гигроскопического вещества размерами 30-100 мкм являются готовыми центрами коагуляции, поэтому эффект воздействия на облачную среду фидерных облаков 8 проявляется сразу после их внесения.
Пример конкретного выполнения способа.
После выделения в направлении навеса радиоэха (С) зоны воздействия 7 осуществляют практическую реализацию способа путем порционного сброса воды или грубодисперсных порошков над вершинами фидерных облаков градового облака. При этом встречный воздушный потоком обеспечивает распыление сброшенной воды (порошков) на мелкие капли и их разлет на сотни метров от центра сброса. На каждое фидерное облако, согласно расчетам, вполне достаточно одного сброса воды (порошка) массой около 500-1000 кг.
Для воздействия на фидерные облака идеально подходит российский самолет-амфибия БЕ-200, который снабжен средствами навигации по I и II категории ICAO, средствами связи, системой глобального спутникового позиционирования, противообледенительными системами (термической, электроимпульсной, антифрикционной) и может обеспечить при каждом вылете восемь сбросов воды, грубодисперсного порошка, или раствора по 1500 кг. После расходования запаса воды самолет может осуществлять снижение на водоем, забор воды при скольжении по поверхности воды и вновь набрать высоту для продолжения засева. Засев облаков может осуществляться на высотах до 8-12 км. Время подъема самолета БЕ-200 на высоту 8 км составляет 16 минут. Он имеет 8 резервуаров для воды и 6 резервуаров для порошков емкостью 1200 л. Время полета с 6 тоннами воды на высоте 8000 м составляет 4 часа. Предусмотрено компьютерное программируемое управление стоком воды из 8 резервуаров для получения регулируемого и однородного расхода воды, контроль заполнения резервуаров и расхода воды. Забор 12 тонн воды осуществляется за 14 с при скорости скольжения по поверхности водоема 180 км/час. Время непрерывного вытекания воды при скорости полета 180 км/час составляет около 14 с. Протяженность пути разбрызгивания воды равен 740 м с расходом воды 1,1-5,6 л/м. С одной заправкой самолет может обеспечить сброс 240 тонн воды. Время полного вымывания облачной воды центрами коагуляции разных размеров, рассчитанное без учета пополнения водности облака восходящими потоками, составляет 2-5 мин. Принятие решения о засеве и наведение самолета на цель может осуществляться по данным автоматизированной радиолокационной системы «АСУ-МРЛ» и системы GPS. Контроль эффективности засева предусматривается осуществлять по эволюции структуры градовых облаков и характеристик градовых осадков, аэровизульной фото- и киносьемкой процесса разрушения фидерных облаков и последующего разрушения градового облака в целом.
4
5
В основе предлагаемого способа лежит новый физический принцип предотвращения града, базирующийся на засеве облаков готовыми центрами коагуляции. Такой засев фидерных облаков приведет к быстрому вымыванию жидкокапельной влаги, стимулированию нисходящих потоков и динамическому разрушению областей будущего градообразования. При этом коэффициент увеличения осадков (в сравнении со сброшенной на фидерное облако массой воды или грубодисперсного вещества) может достигать значений 10-10 и варьируется в зависимости от уровня внесения центров коагуляции и их размеров.
Предложенный способ позволяет оперативно разрушить за короткое время мощное градовое облако путем подавления подпитывающих его фидерных облаков воздействием на них готовыми центрами коагуляции.
Преимуществами предлагаемого способа является:
- простота практической реализации;
- повышение эффективности противоградовой защиты;
- возможность расширения площадей защиты с одного радиолокационного пункта управления от 0,2-0,5 млн. га до 2-3 млн. га;
- применение воды вместо дорогостоящих противоградовых ракет (стоимость 1 ракеты составляет 10,5 тысяч руб.);
- сокращение расходов на создание многочисленных территориально разбросанных ракетных пунктов, оснащенных ракетными установками, средствами связи, электроснабжения и т.д.;
- сокращение расходов на содержание многочисленного персонала.
По существующему способу для защиты 1 млн. га требуется 60-70 ракетных пунктов, каждый из которых обслуживается четырьмя обученными специалистами, а годовой расход ракет составляет около 6-8 тысяч шт., общей стоимостью 63-85 миллионов руб.
Таким образом, предлагаемый способ прост в реализации, не требует дорогостоящих средств воздействия, значительно снижает трудозатраты, обеспечивает защиту больших территорий, а также позволяет существенно повысить эффективность активных воздействий на градовые облака.