УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ АТМОСФЕРНЫХ УСЛОВИЙ
UNIVERSAL PYROTECHNIC COMPOSITION FOR CHANGE OF ATMOSPHERIC CONDITIONS

Изобретение относится к области метеорологии и является реализацией электрических методов активных воздействий на атмосферные процессы для искусственного регулирования осадков из облаков различных форм. Наиболее распространенным видом активного воздействия на облака является искусственное вызывание осадков (ИБО). ИБО основывается на воздействии на микро- и макрофизические процессы в облаках, приводящем к образованию осадков.
Известно, что естественные облака, образующиеся при положительной температуре из водных капель, называются «теплыми»; при отрицательной температуре - из ледяных кристаллов - «кристаллическими» и «смешанными» из переохлажденных капель и кристаллов. Определение физического состояния облака необходимо для выбора соответствующего реагента и способа его применения. В проведенных и опубликованных в разные годы исследованиях, приведенных в обзорах [1, 2], сделано уточнение механизма осадкообразования. Необходимым условием для образования осадков являются не только процессы конденсации водяного пара и гравитационное осаждение образовавшихся капель и кристаллов, но и адсорбция гидратированных ионов и мелких капель, имеющих отрицательный электрический заряд, более крупными. За счет конденсации водяного пара капли растут до радиуса 5-8 мкм, минимальный радиус капель для образования осадков составляет 18-20 мкм. При конденсационном росте капель для достижения радиуса капли 18-20 мкм требуется от 1,5 ч до 7,5 ч [3]. Время жизни конвективной ячейки от момента образования выпадения осадков и распада ~30-40 мин, что явно не соответствует фактическому времени образования и выпадения осадков из конвективного облака. Следовательно, необходимо учитывать ускоренный рост капель в облаке, происходящий при реализации микроэлектрической неустойчивости облачных капель при достижении ими предела Релея.
Электрическое состояние облаков обусловлено зарядами отдельных облачных элементов и распределением зарядов внутри облака. Электрическая структура конвективных облаков выявлена в результате экспериментальных наблюдений и измерений [4, 5]. Конвективное облако в стадии зарождения и на стадии Cu hum - Cu med обычно заряжено целиком положительно. Отрицательные заряды (гидратированные ионы) задействованы на образование и рост облачных капель. В стадии Cu cong вверху облака накапливается положительный заряд, внизу - отрицательный. Эта структура сохраняется и при переходе облака в дождящее кучево-дождевое. С распадом облака упорядоченная структура зарядов размывается.
Заряд отдельных облачных капель преимущественно обусловлен свойством воды избирательно захватывать из воздуха отрицательные ионы. Облачная капля может изменить полученный заряд также и под влиянием электрического поля, образовавшегося внутри облака. В восходящих потоках влажного воздуха наряду с незаряженными ядрами всегда присутствуют положительно и отрицательно заряженные ядра. Дж. Таунсенд и Ч. Вильсон различными экспериментальными методами установили, что конденсация влаги в воздухе на отрицательно заряженных ядрах начинается при меньших перенасыщениях водяного пара, чем на положительно заряженных или нейтральных ядрах. Теоретическое объяснение этого явления было дано А.И. Русановым [6]. Он показал, что в случае полярных жидкостей (вода - полярная жидкость) коэффициент поверхностного натяжения воды зависит, как от величины, так и от знака заряда ядра конденсации. Для отрицательно заряженных ядер величина этого коэффициента значительно меньше, чем для положительно заряженных. Поэтому, вероятность возникновения отрицательно заряженных зародышей капель выше, чем положительно заряженных.
3
4
При перенасыщении пара ~1% вероятность возникновения отрицательно заряженных зародышей капель на 3-4 порядка ~(10-10) больше, чем положительных. Это означает, что в случае небольшого перенасыщения в атмосфере конденсационная активность отрицательно заряженных ядер на порядки выше, чем положительных, так как конденсация происходит преимущественно на отрицательно заряженных ядрах [5].
Как только в поднимающемся из приземного слоя воздухе появляется перенасыщенный пар, начинается процесс образования облака - конденсация влаги и быстрый рост капель, происходящий преимущественно на отрицательно заряженных ядрах. В процессе конденсации капли растут до размеров (1-2) мкм. Далее их рост происходит за счет других факторов. Под действием сил тяготения движение капель вверх сильно замедляется. В свою очередь, на положительно заряженных ядрах процесс конденсации замедлен (для этого требуется значительно большая степень перенасыщения пара, наблюдающаяся на значительно больших высотах), и эти ядра продолжают движение вверх вместе с восходящим потоком. В результате в облаке происходит макромасштабное пространственное разделение зарядов с образованием отрицательного объемного заряда внизу и положительного в верхней части облака.
2
Избирательные свойства поверхности воды связаны с двойным электрическим слоем (ДЭС) на границе вода-атмосфера. ДЭС на границе вода-атмосфера образуется в результате несимметричности молекулы воды, состоящей из двух разнородных атомов. В результате этого, в поверхностном слое жидкости существует слой ориентированных полярных молекул воды, причем молекулы НО на поверхности капли воды ориентированы отрицательными полюсами наружу, а положительными внутрь. Согласно теории Я.И. Френкеля [7], избирательная адсорбция ионов поверхностью воды объясняется более легким проникновением отрицательных ионов через двойной электрический слой, чем положительных. Это обусловлено тем, что под влиянием электрического поля ориентированных диполей отрицательно заряженные ионы, попадающие на водную поверхность, начинают двигаться внутрь жидкости, а положительные ионы остаются на поверхности и могут испаряться также, как и нейтральные молекулы воды.
В результате различия энергетических затрат на преодоление поверхностного слоя ионами противоположных зарядов по обе стороны от водной поверхности происходит формирование областей с электрическим зарядом противоположного знака и равного значения, то есть на поверхности возникает ДЭС. Современная теория строения ДЭС, предложенная Штерном, обобщает две существовавшие ранее теории Гельмгольца-Перрена и Гуи-Чепмена. Согласно этой теории в жидкости располагается ряд ионов одного знака, а в прилегающем воздухе часть ионов противоположного знака.
-9
Потенциал в адсорбционном слое убывает линейно, а в диффузионном слое по экспоненциальному закону. За толщину диффузионного слоя принимают расстояние, на котором потенциал убывает в е (2.718…) раз. При уменьшении температуры хаотическое движение ионов замедляется, и толщина диффузионного слоя уменьшается вплоть до толщины адсорбционного слоя. Поверхностью воды захватываются только ионы, у которых кинетическая энергия больше значения ее потенциального барьера А. На границах такого ДЭС скачок потенциала равен ~0.26 В, а толщина слоя равна 5·10 м. Из-за наличия избирательных свойств водной поверхности при одинаковой проводимости положительных и отрицательных ионов в атмосфере, поверхность воды будет заряжаться отрицательно.
+
-
max
max
Теоретически определяются предельные заряды капель в облаке: максимальный положительный заряд Q (r) и максимальный отрицательный Q . Если величина Q превосходит максимальный заряд капли, то энергия электростатического поля заряда капли будет больше ее поверхностной энергии. В этом случае происходит дробление капли из-за близости одноименных зарядов [8]. При поглощении ионов и электронов аэрозолями было показано, что при данной напряженности электрического поля и при данном размере частицы существует максимально возможный заряд этой частицы. Однако заряд жидкой капли не может достигать предельного значения, определяемого выражением, за исключением случаев, когда ее размеры не превышают в диаметре 100 мкм. Максимальный заряд капель (по модулю), при котором происходит их дробление (предел Релея), представлен в табл. 1.
Аналогичный процесс наблюдается при испарении заряженной капли. Заряженная капля будет испаряться до тех пор, пока внешняя сила электрического поля на поверхности капли не превысит внутреннюю силу ее поверхностного натяжения. Тогда из-за близости зарядов одного знака капля разлетится на части, образуя несколько более мелких отрицательно заряженных капель.
10
9
8
Максимальное количество ионов и электронов для капли диаметром 100 мкм составляет 3,47·10 и 1,72·10 соответственно. Для сравнения, на дождевой капле диаметром 100 мкм в грозу находится около 4·10 элементарных зарядов, что составляет 1% предельного заряда. У испаряющихся капель предел Рэлея понижается с уменьшением размера капли. Поэтому, у капель, которые могут испаряться, диаметр будет уменьшаться пока не составит 0,01 мкм. Мелкие капли, имеющие преимущественно отрицательный заряд, поглощаются более крупными, увеличивая их размеры, обеспечивая тем самым их рост до размера осадков. Механизм укрупнения облачных капель за счет микроэлектрической неустойчивости происходит как при восходящих, так и нисходящих вертикальных движениях в облаке. При средней скорости вертикальных движений в облаке ~10 м/с время образования осадков в конвективном облаке составит несколько минут, что происходит в действительности. В естественных природных условиях наблюдается несколько стадий развития конвективного облака от стадии зарождения до кучево-дождевого облака с выпадением осадков. В 50% случаев стадия развития заканчивается образованием мощного кучевого облака без выпадения осадков. Мощные кучевые облака без выпадения осадков являются ресурсной облачностью, воздействие на которую искусственно генерируемыми ионами стимулирует их рост до кучево-дождевой стадии и выпадение осадков.
Аналогами предлагаемого изобретения [9, 10, 11] являются патенты РФ №№2179800, 2181239, авторы Козлов В.Н., Лихачев А.В. и другие. Для искусственного вызывания осадков из смешанных облаков используется иодид серебра (AgJ), патент США №3375148 и др.
Аналог патент РФ №2181239, Пиротехнический состав для изменения погодных условий, опубликованный 20.04.2002, Бюл. №11, относится к области метеорологии и может быть использован при проведении работ по активным воздействиям на метеорологические процессы. Пиротехнический состав содержит в качестве горючего порошок магния или его сплавов, в качестве окислителя нитрат щелочного металла, в качестве регулятора процесса горения мочевину, фенолформальдегидную смолу и сульфат кальция при определенных соотношениях компонентов. Изобретение позволяет создать состав, который увеличивает чувствительность состава к действию воспламенительного вещества, стабилизировать процесс горения при соблюдении его экологической безопасности применения и неограниченного температурного порога воздействия на облака. Практика применения пиротехнического состава выявила его недостаток, заключающийся в замедленной льдообразующей активности при засеве переохлажденных облачных слоев.
15
Аналог патент США №3375148, опубликованный 26.03.1968 г. Пиротехнические вещества, включающие йодистое серебро, нитрат аммония, нитроцеллюлозу и эфиры нитратов, представляющие собой улучшенный иодид серебра. Пиротехническое вещество при воспламенении на земле дает активные ядра в количестве ~10 частиц на грамм пиросмеси. Эти ядра формируют правильные и однородные кристаллы льда. Недостатком образующихся ядер является температурный порог действия, равный минус 6°C, что делает непригодным применение йодистого серебра для искусственного вызывания осадков из теплых облаков.
Ближайшим аналогом изобретения является патент РФ №2179800. Патент РФ №2179800, пиротехнический состав для изменения атмосферных условий, опубликованный 27.02.2002, Бюл. №6, относится к области метеорологии и может быть использован при проведении работ по активным воздействиям для искусственного регулирования осадков. Пиротехнический состав содержит в качестве горючего порошок магния или его сплавов, в качестве окислителя нитрат щелочного металла, в качестве регулятора ионов - мочевину, а в качестве технологического и ионно-донорного компонента используют сульфат кальция при определенных соотношениях компонентов. Изобретение позволяет создать состав, который позволяет стабилизировать процесс горения и увеличивать количество отрицательных ионов, генерируемых пиротехническим составом. Практика применения пиротехнического состава выявила его недостаток, заключающийся в замедленной льдообразующей активности при достижении вершиной засеянного реагентом облака переохлажденных облачных слоев из-за недостаточного количества положительных ионов, что сказывается на увеличении времени образования осадков.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание универсального пиротехнического состава для термоионизационного генерирования заряженных реагентов в целях искусственного вызывания (регулирования) осадков. Повышение эффективности осадкообразования может быть достигнуто не только в результате воздействия на теплую часть облака, расположенную в области положительных температур, но и путем активизации классического механизма осадкообразования Вегенера-Бержерона-Финдайзена в переохлажденной части облака введением льдообразующего аэрозоля (AgJ). Это достигается интенсификацией льдообразования засеянным реагентом с положительно заряженными ионами в области отрицательных температур при достижении вершиной засеянного облака переохлажденных облачных слоев. Физический эффект воздействия при этом наблюдается в сокращении времени осадкообразования при дальнейшем росте вершины облака в области отрицательных температур, увеличении количества выпадающих осадков, увеличении площади выпадения осадков.
Сущность изобретения состоит в том, что поставленная задача решается использованием универсального пиротехнического состава для изменения атмосферных условий путем искусственного регулирования осадков в результате генерирования искусственных отрицательных и положительных ионов термоионизационным способом из пиротехнической смеси, содержащей порошкообразное металлическое горючее, в качестве окислителя нитрат щелочного металла и органическое вещество в качестве регулятора процесса горения, отличающимся тем, что он дополнительно снабжен электрически заряженным льдообразующим составом для кристаллизации облачных капель при отрицательной температуре в атмосфере при следующих соотношениях, мас.%:
Порошок магния или порошок сплавов магния
40-49
Нитрат щелочного металла
40-52
Мочевина
2-8
Сульфат кальция
2-8
Иодид серебра
1-2
Универсальный пиротехнический состав, представленный в процентном соотношении в табл. 2, действует следующим образом. Воспламенительный механизм снаряженного пиропатрона, например ГТВ-26, инициирует возгорание пиротехнической смеси, состоящей из порошкообразного металлического горючего, например магния или его сплавов, и окислителя калийной селитры (нитрата калия). Введение органических добавок, например мочевины (карбомид), безводного сульфата кальция (ангидрит) и иодида серебра, способствует равномерному стабильному горению. В результате сгорания пиротехнической смеси в атмосфере происходит образование ионогенного гигроскопического аэрозоля, состоящего из смешанных ядер конденсации, имеющих преимущественно отрицательный заряд, и льдообразующих ядер, имеющих преимущественно положительный заряд. Попадание отрицательно заряженного аэрозоля в облако стимулирует конденсационный рост облачных капель, способствует росту мощности облака за счет выделения скрытой теплоты парообразования, вызывающей интенсивное развитие восходящих вертикальных движений. Гидрофобные ядра йодистого серебра коагулируют с положительными ионами и не взаимодействуют с гидратированными отрицательными ионами. При достижении растущей вершиной облака зоны отрицательных температур начинается процесс интенсивного оледенения облачных капель под влиянием положительно заряженного льдообразующего аэрозоля из йодистого серебра, имеющего идентичную кристаллическую структуру с кристаллами льда. Происходит интенсивный процесс осадкообразования с выпадением осадков на земную поверхность.
Использование универсального пиротехнического состава проводилось при тушении лесных пожаров с 2002 г. по 2006 г. в ряде авиабаз ФГУ «Авиалесоохрана». При оперативном проведении работ анализировалось: количество воздействий, количество израсходованных изделий в макетах пиропатронов ПВ-26, данные наблюдений за числом случаев выпадения осадков, площадь выпадения, количество погашенных пожаров искусственно вызванными осадками.
Результаты вызывания осадков на лесные территории, проводимые ФГУ «Авиалесоохрана» на территории Российской федерации в 2000-2006 гг., приведены в приложении и обобщены в табл. 3. В различные годы ИБО на лесные территории для снижения КПО и тушения лесных пожаров применяли авиабазы: Амурская, Дальневосточная, Забайкальская, Западно-Сибирская, Иркутская, Красноярская, Северо-Западная, Северная, Сыктывкарская, Томская, Тюменская, Уральская, Ханты-Мансийская, Читинская, Якутская.
Реагенты с иодидом серебра в штатных пиропатронах ПВ-26 применялись в 2000 г. и в 2002 г. с эффективностью вызывания осадков 47% в 2000 г. и тушения пожаров 23 из 60 (38%); в 2002 г. было проведено 2 воздействия 20 пиропатронами на 2 пожара из них один был погашен (табл. 3). Более низкая вероятность вызывания осадков при тушении лесных пожаров реагентами с йодистым серебром объясняется наличием «теплых облаков», когда вершины облаков не достигают температурного порога срабатывания реагента. С 2002 г. авиабазами ФГУ «Авиалесоохрана» реагенты с йодистым серебром не использовались (табл. 3).
Всего за 2000-2006 гг. заряженными гигроскопическими реагентами было произведено 643 воздействия на мощные кучевые облака, использовано 2103 пиропатрона ПВ-ФХС, количество пожаров, на которые выпали осадки - 281; погашено - 177(63%). Из них в 2000-2002 гг. использовался прототип в макетах пиропатронов ПВ-26 (ФХС) в количестве 780 штук. Средняя эффективность погашенных пожаров за эти годы составляет ~55%. В 2003-2006 гг. использовался пиротехнический состав по заявляемому изобретению, было израсходовано 1323 пиропатрона, средняя эффективность погашенных пожаров за эти годы составила 72%. Проведение производственных работ по тушению лесных пожаров искусственно вызванными осадками заявляемым пиротехническим составом показало положительный эффект, выразившийся в увеличении количества погашенных пожаров на 17%.
Потенциальный экономический эффект от применения искусственно вызванных осадков для тушения лесных пожаров за 2000-2006 гг. составляет ~3333,2 млн долларов США с учетом того, что 1 га леса оценивается в 25000 $, из них на 2003-2006 гг. приходится 2728,05 млн $ (табл. 4). Средняя площадь погашенных пожаров в 2003-2006 гг. на один пиропатрон составляет ~82,5 га. За 2000-2002 гг. ~31 га. Увеличение площади погашенных пожаров в 2,66 раза свидетельствует об увеличении количества выпадающих осадков и времени их выпадения заявляемым универсальным пиротехническим составом.
Использованные источники
1. Козлов В.Н., Емельянова Н.А., Коршун Н.А. Искусственное регулирование осадков. - Saarbrucken Deutschland. - Изд.: LFP LAMBERT Academic Publishing. - ISBN: 978-3-659-46160-6. - 2013. - 372 C.
2. Козлов B.H. Методы искусственного вызывания осадков для борьбы с лесными пожарами.- Санкт-Петербург. - Изд.: Инфо-да. - ISBN 978-5-94652-359-2 - 2011. - 202 с.
3. Левин Л.М. Исследования по физике грубодисперсных аэрозолей. - М.: Изд. АН СССР. - 1961 - 266 с.
4. Зайцев В.А., Ледохович А.А. Приборы для исследования туманов, облаков и измерения влажности. - Л.: Гидрометеоиздат. - 1970. - 255 с.
5. Левин Л.М. Электрическая коагуляция облачных капелек. // Тр. Эльбрусской высокогорной экспедиции 1961. - Т. 2(5). - С. 5-42.
6. Русанов А.И. К термодинамике нуклеации на заряженных центрах. // ДАН СССР. - Т. 238. №4. 1978 - С. 831-834.
7. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Изд. «Наука» Ленинград. - 1975. Отредактировано 2011. - 592 с.
8. Райст П. Аэрозоли. - М.: Мир. 1987 - 278 с.
9. Патент РФ №2179800, 2001 г.
10. Патент РФ №2181239, 2002 г.
11. Патент США №3375148, 1968 г.