СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ЦИКЛОНА ВО ФРОНТАЛЬНЫЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF CONVERTING THERMAL CYCLONE INTO FRONT AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретения относятся к способу и устройству для активного воздействия на термический циклон и могут быть использованы в регионах, для которых характерно образование термических циклонов, с целью увеличения количества атмосферных осадков, преимущественно для сельского хозяйства и водохозяйственных нужд.
Предшествующий уровень техники
Циклоны представляют собой атмосферное возмущение вихревого характера с пониженным давлением воздуха (минимальное давление в центре) и с циркуляцией воздуха вокруг центра против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном. Большая часть циклонов относится к фронтальным циклонам и возникает на границе воздушных масс с разной температурой. При продвижении теплого воздуха происходит его восходящее скольжение над фронтальной поверхностью (теплого фронта), что приводит к образованию перед линией атмосферного фронта облачной системы в несколько сотен километров шириной, в которой облачность меняется от тонких и высоких перистых до мощных слоисто-дождевых облаков с обложными осадками. В тыловой части циклона атмосферный фронт является холодным с продвижением холодного клина вперед и с вытеснением теплого воздуха в высокие слои тропосферы. Это приводит к образованию кучево-дождевых облаков с выпадением ливневых осадков и усилением ветра.
Существуют различные способы ликвидации или ослабления фронтальных циклонов. В частности, известен способ, согласно которому для снижения разрушительной силы тропических ураганов предложено воздействовать на зоны минимальной метеостабильности на периферии циклона путем формирования в этих зонах разновращающихся локальных восходящих и нисходящих вихрей. Локальные вихри в зависимости от состояния атмосферы формируют с помощью солнечных нагревателя и отражателя или посредством подрыва по определенной схеме тепловых зарядов, сбрасываемых с летательных аппаратов, RU 2020797 C1.
Известен способ ослабления тропических фронтальных циклонов (ураганов, тайфунов), согласно которому воздействие осуществляют на зоны в тропосфере, в которых достигаются предельные значения потенциальной энергии и которые расположены вблизи или в зоне максимальной неустойчивости, для преобразования потенциальной энергии в кинетическую, инициируя образование циклона, мощность которого не достигает разрушительного уровня. Воздействие представляет собой взрывное и/или тепловое воздействие на тропосферу выше зоны или в зоне максимальной неустойчивости и/или путем засева веществом, создающим центры конденсации влаги непосредственно над зоной максимальной неустойчивости, RU 2150134 C1.
Известен способ ослабления фронтального циклона, который состоит в том, что потоком ионизированного воздуха в зоне теплой фронтальной поверхности и/или холодного сектора циклона формируют область пониженного атмосферного давления с последующим формированием вторичного циклона, что лишает циклон энергетической подпитки, RU 2321870 C2.
Описанные выше способы воздействия на атмосферу относятся к решению задачи ликвидации или, по крайней мере, ослабления фронтальных циклонов, которые способны причинить значительный ущерб в сельском хозяйстве, приносят с собой сложные погодные условия - облачность, осадки, сильные ветры, а также нередко такие сезонные явления, как грозы, туманы, метели, гололед и др., и могут представлять серьезную угрозу для наземного, водного и воздушного транспорта. Особенно опасны крупномасштабные вихревые явления, связанные с фронтальными циклонами, такие как смерчи и тайфуны, которые наносят наибольший ущерб.
Вместе с тем в неразрушительных фронтальных циклонах есть и положительная сторона, если они несут влагу в засушливые районы.
Кроме фронтальных циклонов существуют и нефронтальные циклоны, формирующиеся в однородной воздушной массе, так называемые, термические циклоны, связанные с конкретным районом, см., например,  (копия прилагается), а также А.С.Зверев. Синоптическая метеорология. М., Гидрометиздат, 1977, с.281 (копия прилагается). Причиной возникновения термических циклонов является неравномерное нагревание солнцем в дневное время естественных неоднородностей подстилающей поверхности и образование над теплыми участками (пустыни, полупустыни, вспаханные степи) устойчивых местных конвективных (восходящих) потоков воздуха над сравнительно большими площадями в радиусе 100-200 км и, как следствие этого, появление местных областей падения атмосферного давления. Термические циклоны - это области пониженного атмосферного давления с достаточно равномерным распределением температуры воздуха, которая выше, чем в окружающей тропосфере. Как правило, это неподвижные (малоподвижные), низкие (неглубокие), то есть имеющие сравнительно высокое давление в центре барические образования с малыми барическими градиентами, достигающими развития к 14-15 часам. В малоградиентном барическом поле возникает замкнутая вихревая циклоническая циркуляция воздуха. Продолжительность их существования полностью зависит от прогрева солнцем данного участка подстилающей поверхности, после уменьшения прогрева во второй половине дня они исчезают и по продолжительности не превышают нескольких часов. Образование облаков с выпадением осадков наблюдается крайне редко, при этом осадки весьма непродолжительные и слабые.
Термические циклоны не связаны с атмосферными фронтами, над сушей развиваются только в весьма сухих районах земли, имеют обычно небольшие горизонтальные размеры, слабо развиты по вертикали (до 1-1,5 км) и не достигают высоты, на которой атмосферная влага начинает конденсироваться и образуются облака. При этом следует подчеркнуть, что именно в указанных районах существует исключительно большая потребность в воде, однако осадки могут выпадать, практически, только при наличии теплого и холодного фронтов, которые имеют место во фронтальном циклоне и отсутствуют в термическом циклоне. Таким образом, для получения осадков из термического циклона необходимо его преобразовать во фронтальный, однако заявителю не известны какие-либо решения этой задачи в частности и способы воздействия на термические циклоны вообще, поэтому заявляемый способ преобразования термического циклона во фронтальный не имеет прототипа.
Известные устройства для создания восходящего потока ионизированного воздуха основаны на эффекте коронного разряда.
o
Коронный разряд - это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях. Резко неоднородное поле характерно для промежутков, создаваемых электродами типа игла-плоскость, провод-плоскость, а также стержень-плоскость или шар-плоскость при малом радиусе закругления шара и большом расстоянии между электродами. Особенностью резко неоднородных полей являются высокие напряженности поля у электрода с малым радиусом закругления даже при сравнительно небольшом напряжении на промежутке. Это означает, что в этой области могут идти процессы ударной ионизации, возникают лавины электронов, и условие самостоятельности разряда выполняется, когда зона ионизации охватывает только малую часть промежутка. Соответствующее значение напряжения (U) носит название начального напряжения зажигания разряда.
Свое название «коронный» разряд получил из-за свечения, наблюдаемого на тонких проводах и напоминающего солнечную корону.
Часть промежутка, где происходят ионизационные процессы, называется чехлом коронного разряда, а оставшаяся часть промежутка, где происходит дрейф заряженных частиц, является зоной дрейфа. Если в зоне дрейфа существуют заряды только одного знака, то корону называют униполярной, а если заряды обоих знаков, то биполярной.
Униполярная корона существует там, где имеется промежуток только с одним коронирующим электродом или с несколькими коронирующими электродами с одинаковой полярностью питающего напряжения.
Основную часть промежутка между электродами при униполярном коронном разряде занимает зона дрейфа (внешняя зона коронного разряда), в которой движутся ионы только одного знака. Чехол коронного разряда, в котором сосредоточены ионизационные процессы, играет роль поставщика ионов для внешней зоны.
При высоких значениях приложенного напряжения разряд в промежутке около электрода с малым радиусом кривизны проходит несколько стадий. Сначала возникают лавины, которые в зависимости от направления поля (в зависимости от полярности электрода) развиваются к электроду или от него. В результате разделения зарядов в лавинах около электрода образуется избыточный объемный заряд одного знака, который создает собственное поле, снижающее поле у электрода (эффект экранирования) и резко усиливающий поле в промежутке перед зарядом.
Таким образом, при коронном разряде образующийся объемный заряд внешней зоны (зоны дрейфа) ослабляет напряженность поля в зоне ионизации и ограничивает силу тока коронного разряда. Результат же воздействия на атмосферные образования электрическим методом с помощью коронного разряда зависит от величины его тока: чем больше ток коронного разряда при данном напряжении, тем мощней и стабильней образующийся восходящий воздушный поток, тем больших высот он достигнет, тем более сильному ветру он сможет противостоять.
Известно устройство для создания восходящего потока ионизированного воздуха, содержащее генератор ионов, включающий вертикальный коронирующий электрод, соединенный с отрицательным полюсом источника высокого постоянного электрического напряжения, к положительному полюсу которого подключен заземленный электрод, RU 2090057 C1.
Недостатком устройства с вертикально расположенными электродами является то обстоятельство, что, когда происходит коронный разряд, электроны поднимаются вверх и создают собственное электрическое поле, которое уменьшает коронный разряд в верхней части коронирующего электрода и тем самым существенно снижает эффективность устройства.
Известно также устройство для создания восходящего потока ионизированного воздуха, включающее генератор ионов, в котором имеются коронирующий электрод, размещенный в целом по наклонной, сужающейся к его основанию поверхности, расположенный снаружи от коронирующего электрода заземленный электрод и расположенный в полости коронирующего электрода экстрактор ионов; экстрактор ионов и/или заземленный электрод имеют пространственную форму, подобную форме коронирующего электрода и смонтированы с возможностью вертикального перемещения относительно последнего, RU 2321870 C2.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения в части устройства.
Это устройство несколько более эффективно, нежели вышеописанное устройство с вертикальными электродами, однако также имеет существенные недостатки.
Восходящий поток ионизированного воздуха, создаваемый устройством-прототипом, расширяется в направлении вверх, угол выхода ионов может достигать 180°, в связи с чем в нем уменьшается концентрация ионов; также уменьшается скорость восходящего потока воздуха, что увеличивает его зависимость (рассеяние) от ветра; в результате поток ионизируемого воздуха поднимается на недостаточную для воздействия на метеообразования высоту.
Раскрытие изобретений
Задачей настоящего изобретения в части способа является преобразование термического циклона во фронтальный с присущим последнему поступательным перемещением и осадками на теплом и холодном фронтах.
Задачей настоящего изобретения в части устройства является обеспечение сужения потока ионизированного воздуха, увеличение концентрации в нем ионов, а также увеличение скорости потока, снижение его зависимости от ветра, и тем самым обеспечение подъема ионизированного воздуха на большую высоту.
Согласно изобретению в части способа в способе преобразования термического циклона во фронтальный в зоне термического циклона выделяют сектор, ограниченный с севера линией, соответствующей направлению от центра циклона на восток, и с запада - линией, соответствующей направлению от центра циклона на юго-запад, и в этом секторе восходящим потоком ионизированного воздуха формируют область пониженного атмосферного давления.
Как указано выше, согласно информации, которой располагает заявитель, задача преобразования термического циклона во фронтальный решена настоящим изобретением впервые. Указанное обстоятельство позволяет сделать вывод о соответствии заявленного способа критериям «Новизна» (N) и «Изобретательский уровень» (IS).
Согласно изобретению в части устройства устройство для создания восходящего потока ионизированного воздуха, включающее генератор ионов, снабжено рефлектором, выполненным в виде трубчатой конструкции из металлической сетки, генератор ионов размещен внутри рефлектора, при этом рефлектор заземлен; генератор ионов может быть снабжен увлажнителем воздуха, расположенным под ним; увлажнитель воздуха может быть выполнен в виде генератора пара.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному устройству, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «Новизна» (N).
Реализация отличительных признаков заявленного устройства обусловливает важное новое свойство объекта, которое отсутствует у других известных устройств для создания восходящего потока ионизированного воздуха, состоящее в уменьшении угла конусности этого потока и, соответственно, увеличении концентрации ионов в нем.
Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «Изобретательский уровень» (IS).
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретения поясняются подробным описанием примера их осуществления со ссылками на чертежи, на которых представлены:
на фиг.1 - вид сверху, состояние атмосферы до преобразования термического циклона во фронтальный;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, состояние атмосферы после преобразования термического циклона во фронтальный.
на фиг.3 - схематическое изображение устройства в аксонометрии;
на фиг.4 - схематическое изображение устройства в продольном разрезе, металлическая сетка рефлектора частично (в нижней части) не показана.
Лучший вариант осуществления изобретений
атм
Известно, что с подъемом на каждые 100 м воздух адиабатически охлаждается, примерно, на 1°C, термические же циклоны имеют высоту всего 1-1,5 км, следовательно, поднимающийся на эту высоту воздух может охладиться только на 10-15°C. Однако, чтобы относительная влажность достигла 100%, то есть влага начала конденсироваться, при начальной дневной температуре воздуха 40°C и влажности 20% необходимо понизить температуру воздуха на 30°C, что можно осуществить, подняв воздух, как минимум, на 3 км. Только при этом условии начнется образование облаков. Для этого в зоне термического циклона с центром «H», где атмосферное давление Р минимально, выделяют сектор 1, который ограничен с севера линией 2, соответствующей направлению от центра «H» циклона на восток, и с запада - линией 3, соответствующей направлению от центра «H» циклона на юго-запад. В этом секторе создают восходящий поток ионизированного воздуха с помощью описанного ниже устройства, и этим потоком формируют область 4 (фиг.2) пониженного давления.
Выделение юг-юго-восточного сектора в зоне термического циклона объясняется следующим. В термическом циклоне присутствует воздушная масса с достаточно равномерными давлением и температурой, которая выше температуры окружающего термический циклон воздуха. Во фронтальном циклоне, в отличие от термического, всегда существуют две резко отличающиеся по давлению и температуре массы воздуха, при этом, практически, вся масса теплого воздуха с пониженным давлением всегда занимает только юг-юго-восточную часть фронтального циклона. Это объясняется тем, что во фронтальных циклонах северного полушария в юго-восточной передней части преобладают ветры южного направления, именно юго-восточные, южные или юго-западные ветры, тогда как в задней, северо-западной, половине преобладают ветры северных направлений, поэтому юго-восточная часть фронтального циклона является более теплой, а задняя, северо-западная, часть - более холодной. При реализации заявленного способа в юг-юго-восточном секторе термического циклона создается восходящий поток ионизированного воздуха, который содержит легкие отрицательные ионы, обладающие высокой подвижностью в электрическом поле. Когда ионы соединяются с молекулами водяного пара атмосферы, выделяется тепловая энергия, вызывающая нагрев воздуха в выделенном секторе, который в результате устремляется вверх, что приводит к формированию области разрежения, быстро перемещающейся вверх. Разница температур в выделенном юг-юго-восточном секторе термического циклона и в его остальной части приводит к образованию теплого фронта 5 на границе теплого воздуха в области 4 и холодного воздуха в области 7, а также к образованию холодного фронта 6 на границе теплого воздуха в области 4 и холодного воздуха в области 8. Таким образом, термический циклон преобразуется во фронтальный. Теплый воздух в области 4 поднимается на теплом фронте 5 и холодном фронте 6 до высоты 4-6 км, где происходит интенсивная конденсация атмосферной влаги и образование облаков 9, 10 соответственно на теплом 5 и холодном 6 фронтах. Образовавшийся из термического циклона фронтальный циклон перемещается с выпадением обильных осадков. Этот циклон существует продолжительное время и не зависит от факторов, вызвавших образование первичного термического циклона.
Устройство для реализации способа преобразования термического циклона во фронтальный путем создания восходящего потока ионизированного воздуха включает генератор ионов, который содержит коронирующий электрод 11, заземленный электрод 12 и экстрактор 13. Коронирующий электрод 11 соединен с отрицательным полюсом источника 14 высокого постоянного электрического напряжения и выполнен в виде электрического проводника малого сечения, который размещен по боковой поверхности усеченной пирамиды, обращенной большим основанием вверх. Заземленный электрод 12 соединен с положительным полюсом источника 14 и выполнен в виде электрического проводника большего сечения, чем коронирующий электрод 11. Электрод 12 имеет форму, подобную форме коронирующего электрода 11, то есть расположен по боковой поверхности усеченной пирамиды, обращенной большим основанием вверх.
Коронный разряд происходит в промежутке коронирующего электрода 11 и заземленного электрода 12. Коронирующий электрод 11 является эмиттером электронов. Экстрактор 13 расположен в полости, образуемой электродом 11, и представляет собой проводник, предназначенный для более интенсивного оттока вверх электронов с коронирующего электрода, который размещен в целом по осевой линии геометрического тела, по поверхности которого расположен коронирующий электрод 11. Экстрактор 13 имеет форму, подобную форме коронирующего электрода 11, то есть, расположен по боковой поверхности усеченной пирамиды, обращенной большим основанием вверх.
Электрод 11 смонтирован неподвижно, а экстрактор 13 и электрод 12 установлены с возможностью перемещения по вертикали относительно электрода 11. Перемещать экстрактор 13 и электрод 12 можно как при монтаже устройства, так и во время подачи рабочего напряжения на электрод 11 и экстрактор 13.
Рефлектор 15 выполнен в виде трубчатой конструкции из металлической сетки 19, генератор ионов размещен полностью внутри рефлектора 15, который при этом заземлен.
Для увеличения тока ионов, направленного вверх, необходимо уменьшить объемный заряд во внешней зоне, который ограничивает ток коронного разряда. Для этого генератор ионов снабжен расположенным под ним увлажнителем воздуха 18, который может быть выполнен в виде генератора пара (парогенератора).
Поток ионов после выхода из генератора ионов концентрируется в вертикальном направлении электрическим полем заземленного рефлектора и выходит вверх в виде конуса. Чем больше рефлектор 15 превышает генератор ионов, тем меньше угол этого конуса и тем больше концентрируется ионов в восходящем потоке воздуха, и, соответственно, тем мощней и стабильней поток ионизированного воздуха. Благодаря рефлектору 15 этот поток поднимается до значительно большей высоты.
Благодаря генератору пара 18 повышается влажность воздуха между заземленным электродом 12 и коронирующим электродом 11 генератора ионов. При конденсации влаги на ионах, дрейфующих в этом промежутке, выделяется тепловая энергия, равная 597 кал при конденсации 1 грамма воды. Поддерживая постоянно повышенную влажность в промежутке между электродами 11 и 12, постоянно поддерживают в нем повышенную температуру воздуха, что обеспечивает дополнительный вынос объемного заряда вверх.
Данное устройство при реализации заявленного способа позволяет значительно увеличить высоту теплого сектора циклона и обеспечивает эффективное и быстрое преобразование термического циклона во фронтальный.
Промышленная применимость
Для реализации изобретений используются известные материалы и обычное заводское оборудование, что обусловливает, по мнению заявителя, соответствие изобретений критерию «Промышленная применимость» (IA).