СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ АТМОСФЕРНЫХ УСЛОВИЙ НАД ЗАДАННОЙ ТЕРРИТОРИЕЙ
METHOD OF CHANGING ATMOSPHERIC CONDITIONS OVER GIVEN TERRITORY

Изобретение относится к области физики атмосферы и прикладной метеорологии, а именно к способам изменения атмосферных условий над заданной территорией, и может быть использовано для формирования облаков и вызывания осадков в случае засух, для устранения смога и т.п.
Основным природным механизмом возникновения облаков является восхождение влагосодержащих приземных слоев воздуха. В процессе подъема приземный объем воздуха адиабатически охлаждается (сухоадиабатический процесс) и на некоторой высоте достигает температуры, при которой начинается нестимулированная конденсация влаги и образование капель воды, составляющих облачную структуру. Однако восходящий поток воздуха самопроизвольно образуется лишь при условии неустойчивой стратификации в атмосфере, когда вертикальный градиент температуры превышает значение сухоадиабатического градиента температуры, который составляет порядка 10 К/км. При меньших значениях градиента температуры поднявшийся объем приземного воздуха оказывается холоднее окружающих слоев воздуха и восходящий поток не формируется. Вертикальный градиент температуры для стандартной атмосферы составляет порядка 6,5 К/км, что соответствует состоянию устойчивой стратификации. Если же каким-либо способом обеспечить частичную конденсацию влаги, то конденсирующаяся влага нагревает объем воздуха, способствуя положительной плавучести воздуха. Процесс подъема воздуха с учетом теплового эффекта конденсации называется влажно-адиабатическим процессом. При значительном влагосодержании воздуха значение влажно-адиабатического градиента температуры может оказаться меньше значения вертикального градиента температуры и возникнут условия для самопроизвольного образования восходящих потоков. Таким образом, положительная плавучесть и формирование восходящих потоков могут быть достигнуты, если создать условия для частичной конденсации влаги как в приземном слое атмосферы, так и в процессе восхождения потоков воздуха, то есть создать условия для влажно-адиабатического процесса восхождения.
Известны различные способы воздействий, активизирующих восходящее движение воздуха в атмосфере и, соответственно, обеспечивающих образование облаков. Например, известны способы (см. патенты GB 988109, RU 2071243), заключающиеся в зачернении большого участка земной поверхности. Зачерненный участок земной поверхности будет нагреваться Солнцем до более высокой температуры, нежели окружающие участки земной поверхности. Предполагается, что положительная плавучесть воздуха будет достигнута вследствие дополнительного нагрева воздуха над зачерненным участком из-за его более высокой температуры. Однако для достижения скорости восходящих потоков, превышающих скорость турбулентных пульсаций скорости воздуха в атмосфере, необходимо аккумулировать солнечную энергию с поверхности в несколько миллионов квадратных метров. Следовательно, предложенные способы являются слишком громоздкими, дорогостоящими и малоэффективными.
-6
Также, известны способы и устройства воздействия на атмосферу, основанные на использовании инжекции в приземный слой атмосферы униполярно заряженных ионов или электрически заряженных мелкодисперсных частиц (см. патенты RU 2090057, RU 2098942, RU 2115296, RU 2297758, RU 2233578, RU 2373693). В таких способах положительная плавучесть воздуха не формируется и предполагается, что восходящий поток воздуха образуется вследствие увлечения частиц воздуха инжектированными зарядами, восходящее движение которых обусловлено электрическим полем Земли. Однако инжектированный в приземный слой атмосферы объемный заряд приводит к перераспределению зарядов на поверхности Земли, создавая «зеркально наведенный» заряд противоположного знака, электрическое поле которого притягивает объемный заряд к земной поверхности. Например, при высоте объемного заряда над поверхностью земли 10 м, напряженность наведенного электрического поля превосходит напряженность электрического поля Земли уже при суммарном заряде инжектированных ионов 6÷10 Кл. Очевидно, что такое количество элементарных зарядов недостаточно для эффективного воздействия на атмосферу.
Известны способы воздействия на атмосферу с помощью различных аэрозолей и химических реагентов (RU 2014773, RU 2101920, RU 2295231), распыляемых в облаках или в туманах. Распыляемые реагенты имеют различные механизмы воздействия: инициирование зародышеобразования льда, создание локального переохлаждения, интенсификация конденсационного роста или коагуляции капель. Однако упомянутые способы не формируют положительную плавучесть воздуха и не приводят к образованию восходящих воздушных потоков и используются для стимулирования осадков из уже образовавшихся облаков или туманов, размеры капель в которых недостаточны для самопроизвольного выпадения. Очевидно, что описанные выше способы не смогут быть с должной эффективностью использованы для стимулирования осадков при несформировавшихся облаках или же при отсутствии дождевых облаков. То есть описанные выше способы не смогут быть использованы для стимулирования осадков во время засухи или же для снижения негативного влияния смога, возникающего в городских условиях.
В свою очередь, предлагаемое изобретение позволит устранить указанные выше недостатки и позволит предложить способ изменения атмосферных условий, который позволит стимулировать выпадение дождевых осадков во время засухи или же при возникновении смога, и для осуществления которого будет необходим минимальный набор технических средств.
В основу предлагаемого способа положено создание устойчивого на большом пространственном протяжении восходящего конвективного потока воздуха, инициируемого распылением в приземном слое атмосферы мелкодисперсных гигроскопичных водорастворимых частиц и/или капель химических реагентов, давление насыщающих паров водных растворов которых над поверхностью меньше давления естественных водяных паров, содержащихся в атмосфере. Размер распыляемых частиц должен быть достаточно мал, чтобы при конденсации на них влаги не происходило их преждевременное выпадение в поле сил тяжести.
2
Условие, что давление насыщающих паров над поверхностью распыляемых реагентов должно быть меньше давления естественных водяных паров в приземном слое атмосферы является существенным отличительным признаком предлагаемого способа. В качестве реагентов могут быть использованы, например, LiCl, CaCl, КОН, NaOH, NaCl. В результате распыления реагента, описанным выше образом, ненасыщенный водяными парами приземный слой атмосферы для инжектированных частиц оказывается пересыщенным и на них начинает конденсироваться влага. Инжектированная частица растворяется в конденсировавшейся на ней воде и в воздухе образуется капля насыщенного раствора распыленного реагента. В соответствии с законом Рауля давление насыщенных паров над раствором меньше давления над чистым растворителем и разница давлений пропорциональна концентрации раствора. В процессе дальнейшей конденсации воды концентрация раствора в капле падает, и давление насыщенных паров увеличивается. Процесс конденсации воды на капле продолжается до значения концентрации раствора, при котором давление насыщенных паров над каплей раствора оказывается равным давлению водяных паров. Конденсация пара на частице реагента сопровождается выделением теплоты парообразования и нагреванием воздуха. Начальный перегрев относительно окружающих слоев воздуха зависит от концентрации реагента, температуры и относительной влажности в приземном слое атмосферы. Вследствие перегрева реагентосодержащий объем воздуха оказывается легче окружающих слоев воздуха и начинает всплывать. Таким образом, положительная плавучесть воздуха обеспечивается за счет накопленной во влажном воздухе скрытой теплоты парообразования. При восхождении температура объема воздуха понижается. Это приводит к дополнительной конденсации пара на каплях раствора и дополнительному выделению теплоты парообразования.
3
3
Вследствие наличия в объеме воздуха распыленного реагента и конденсации влаги, процесс подъема из сухоадиабатического процесса переходит в влажно-адиабатический процесс. Размер распыляемых частиц должен быть достаточно мал и не должен превышать 20 мкм, чтобы при конденсации на них влаги не происходило преждевременное выпадение осадков. При достаточной концентрации реагента и соответствующих атмосферных условиях начальный перегрев объема воздуха и конденсация влаги в процессе подъема смогут обеспечить преодоление участка устойчивой стратификации до высоты массовой конденсации, содержащейся в объеме влаги. То есть исходя из атмосферных условий в конкретной местности и типа используемого реагента возможно обеспечить образование массива дождевых облаков, даже при отсутствии облачности над данной местностью. Массовая конденсация приводит к интенсивному выделению теплоты парообразования, следовательно, дополнительному нагреву и дальнейшему восхождению облака. На Рис.1 представлена зависимость температуры в восходящем объеме воздуха от высоты при распылении хлорида кальция с содержанием 0,3 г/м, начальная температура приземного слоя воздуха 30°С, относительная влажность 80%. Пунктиром представлена температура окружающих слоев воздуха при вертикальном градиенте 6,5 К/км. Легко видеть, что температура восходящего объема воздуха на всех высотах остается выше температуры окружающих слоев воздуха, тем самым обеспечивая восхождение. При меньших значениях относительной влажности необходимо большее значение начального перегрева, и, следовательно, более высокая концентрация реагента. Например, Рис.2 соответствует случаю относительной влажности 70% и содержанию реагента 0,8 г/м.
Таким образом, показано, что распыление в приземном слое атмосферы реагента, давление насыщаюших паров, над поверхностью которого меньше давления водяных паров в приземном слое атмосферы, приводит к:
- конденсации влаги на частицах реагента в ненасыщенном воздухе;
- выделению накопленной во влажном воздухе скрытой теплоты парообразования, перегреву и положительной плавучести реагентосодержащего объема воздуха;
- возникновению условий влажно-диабатического процесса при восхождении реагентосодержащего объема воздуха.
В итоге совокупность этих процессов создает условия для возникновения восходящих конвекционных потоков, которые могут достигать уровня нестимулированной конденсации и приводить к возникновению дождевых облаков. Очевидно, что конкретная технология использования предложенного изобретения будет довольно проста, что потребует использование типовых устройств для распыления капель и/или частиц реагентов и комплекта типового оборудования, обеспечивающего определения атмосферных условий, и/или оборудования, обеспечивающего получение метеорологической информации, без обязательной разработки каких-либо новых технических средств. Очевидно, что предложенное изобретение может быть использовано при возникновении засухи, например, в районах с жарким влажным климатом при выраженном дефиците осадков. Также, предложенное изобретение может быть использовано в условиях крупных городов с неблагоприятной экологической обстановкой для снижения воздействия смога. Так, в случае возникновения смога, восходящие потоки воздуха позволят «проветривать» застоявшийся слой атмосферы.
Таким образом, предложен способ изменения атмосферных условий над заданной территорией, который сможет быть эффективно использован для формирования дождевых облаков, например, во время засух.