СПОСОБ ЛОКАЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АТМОСФЕРУ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF LOCAL IMPACT ON ATMOSPHERE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область применения
Изобретение относится к способам и устройствам для изменения состояния атмосферы над заданной территорией и может быть использовано для вызывания осадков или рассеяния облаков или туманов, а также в экологических целях.
Уровень техники
Из уровня техники известны многочисленные способы и устройства для электрического воздействия на атмосферу с целью изменения ее состояния. Изменение погоды с помощью электрических методов без применения химических реагентов или сжигания топлива характеризуется высокой экологичностью и поэтому весьма перспективно. Устройства, называемые ионизаторами, обеспечивают возникновение или перераспределение в атмосфере над заданной территорией объемных электрических зарядов и/или устойчивых конвенционных потоков ионизированного воздуха, приводящих к изменению фазового состояния содержащейся в атмосфере воды.
Наиболее разработанными из устройств такого рода являются ионизаторы атмосферы, действующие на основе возникновения коронного разряда на электрическом проводнике. Первые многочисленные из подобных устройств представляли собой отдельные проводники, расположенные на значительном протяжении над земной поверхностью. Однако степень воздействия на атмосферные образования отдельных электрических проводников оказалась недостаточно эффективной, поскольку использование таких проводников не позволяло создавать достаточно концентрированные потоки ионов или крупные объемные электрические заряды в атмосфере. Усовершенствование ионизаторов привело к созданию более компактных устройств, но позволяющих формировать направленные потоки ионизированного воздуха и более эффективно вызывать изменения в состоянии атмосферы над заданной территорией. Задачи по воздействию на атмосферу (вызывание осадков, рассеяние туманов, «проветривание» нижних слоев атмосферы и т.д.) могут быть различными, приходится создавать потоки ионов в разных метеорологических условиях и при этом следует учитывать динамику атмосферных процессов. Поэтому для решения разных задач по воздействию на атмосферу требуется использование ионизаторов, предусматривающих регулирование параметров формируемого потока ионов, таких как его плотность, степень направленности, устойчивость и др.
Типичный ионизатор содержит генератор ионов, включающий, как минимум, два электрода - коронирующий электрод (эмиттер электронов), обычно представляющий собой электрический проводник малого сечения, и заземляющий электрод, который может иметь различное выполнение. Проводники закрепляют на опорном каркасе таким образом, чтобы они располагались над земной поверхностью. В состав ионизатора входит блок управления напряжением, подаваемым на электроды. Более сложные генераторы ионов включают дополнительные электроды, например, экстрактор, представляющий собой электрический проводник, способствующий постоянному оттоку электронов и ионов с коронирующего электрода и, тем самым, поддержанию устойчивого потока образующихся ионов.
Одним из первых устройств, успешно примененных для создания восходящего тока ионов в атмосфере, является ионизатор, описанный в патенте РФ №2090057. Известный ионизатор включает рабочие секции, каждая из которых содержит коронирующий и заземленный электроды, которые, каждый в пределах одной секции, расположены в целом в параллельных плоскостях, причем одни рабочие секции генератора ионов расположены горизонтально, а другие - вертикально или наклонно. В генераторе может быть предусмотрен также экстрактор, выполненный в виде электростатического или иного устройства. Для более эффективной работы генератор может быть снабжен увлажнителем формируемого потока ионов и/или устройством для продувки воздуха, что позволяет дополнительно регулировать интенсивность и/или скорость потока ионов. Конструктивные особенности и взаимное расположение электродов определяют степень направленности формируемого потока ионизированного воздуха. Одна из возможных конструкций известного генератора ионов, аналогичная конструкции заявленного устройства, показана на фиг.3 указанного документа. Данное техническое решение является прототипом для ряда последующих разработок.
Несмотря на свою компактность и общую эффективность в создании направленного потока ионов, известный ионизатор представляет собой жесткую конструкцию, в которой не предусмотрено оперативное изменение расположения рабочих секций ионизатора, что могло бы позволить дополнительно регулировать параметры формируемого потока ионов.
Ионизатор, описанный в патенте RU №2297758, помимо коронирующего и заземленного электродов также может содержать третий электрод - экстрактор. Этот ионизатор, в котором все три электрода, как и в устройстве по патенту 2090057 расположены параллельно и эквидистантно друг другу, отличается от последнего строго кубической формой эмиттера с определенной длиной ребра куба, у которого верхняя грань отсутствует, нижняя грань расположена горизонтально, а боковые грани - вертикально. Являясь частным случаем ионизатора по патенту 2090057, ионизатор по патенту 2297758 обладает тем же недостатком - жесткостью конструкции. Недостатком это является потому, что сходные на первый взгляд погодные условия могут быть обусловлены различными метеорологическими ситуациями (например, туманы могут иметь различную природу, высоту и плотность), задачи работ могут различаться (например, полное или частичное рассеивание туманов, вызывание или предотвращение осадков), а рабочие параметры ионизатора оказываются ограниченными узким диапазоном. В указанных известных устройствах изменение параметров работы ионизатора достигается, в основном, управлением напряжением и током, подаваемым на электроды, а также выборочным использованием дополнительного оборудования, например, парогенератора, воздуходува и т.п.
Однако разнообразие метеорологических факторов велико, атмосферные процессы весьма динамичны, поэтому в ряде случаев ни электрическое управление рабочими параметрами, ни использование дополнительного управления не могут обеспечить необходимое и надежное управление параметрами создаваемого ионизированного потока воздуха. Стремление создать ионизатор, пригодный для использования в самых различных условиях, не применяя изменение его конструкции для оперативного регулирования параметров создаваемого потока ионов, не привело к успеху.
Раскрытие изобретения
В заявленном изобретении решается задача управления создаваемым ионизированным потоком воздуха в более широком диапазоне погодных условий, а также задача создания ионизатора, обеспечивающего более высокую степень регулирования параметров формируемого потока ионизированного воздуха.
Первая поставленная задача решается тем, что в известном способе локального воздействия на атмосферу, включающем регулирование параметров потока ионов, создаваемого установленным на заданной территории ионизатором, регулирование параметров потока ионов осуществляют посредством изменения наклона рабочих секций ионизатора или использования группы ионизаторов с регулируемым наклоном рабочих секций.
Вторая поставленная задача решается тем, что в ионизаторе, включающем расположенные параллельно друг другу экранирующий электрод, электрод-эмиттер и электрод-экстрактор, каждый из которых выполнен в виде сопряженных рабочих секций из размещенного в плоскости электрического проводника, все секции каждого электрода наклонены к общему центру, а каждая секция каждого электрода смонтирована на опорном каркасе с возможностью регулирования наклона к осевой плоскости устройства и изменения положения относительно расположенных напротив секций других двух электродов с сохранением параллельного расположения, при этом верхняя часть электрода-экстрактора и верхняя часть экранирующего электрода в рабочем состоянии расположены выше электрода-эмиттера.
Хотя, в принципе, из уровня техники известны способы локального воздействия на атмосферу, включающие регулирование формируемого потока ионов, все они предполагают такое регулирование за счет изменения подаваемого на коронирующий электрод электрического напряжения или использование дополнительного оборудования (см. указанные патенты). Однако регулирование создаваемого потока ионов за счет оперативного изменения конструкции (формы) самого ионизатора, особенно за счет изменения наклона электродов, из уровня техники авторами изобретения не обнаружено.
Сами по себе конструкции ионизаторов, в которых коронирующий или заземленный электрод имеют наклонные рабочие секции из электрического проводника, из уровня техники известны. Например, в установке для коррекции погодных условий по патенту РФ №2161881 коронирующий электрод (излучатель) выполнен в виде рамы в форме равносторонней пирамиды, по периметру которой намотан проводник. Однако в описании данного технического решения в качестве его преимущества относительно известных, указывается лишь на его компактность. Никаких других сведений о возможных технических результатах такого выполнения коронирующего электрода в его описании не приведено. Регулирование параметров создаваемого потока ионов за счет изменения формы электродов не предусмотрено. Между тем, известная конструкция ионизатора не позволяет создать высоко направленный и сконцентрированный поток ионов во многих метеорологических ситуациях, так как расположение рабочих секций предрасполагает скорее к созданию стационарных объемных зарядов в атмосфере, чем к формированию конвекционных потоков воздуха.
В техническом решении по патенту РФ №2233578 устройство для обеспечения устойчиво восходящего потока ионизированного воздуха содержит, по крайней мере, один генератор ионов, содержащий расположенные параллельно коронирующий и заземленный электроды, расположенные вокруг третьего электрода - экстрактора - в целом по наклонной, сужающейся в направлении основания экстрактора поверхности. Экстрактор представляет собой электрический проводник, размещенный по осевой линии геометрического тела, по поверхности которого расположен коронирующий проводник, образуя по отношению к последнему как бы «ручку зонтика». Такая конструкция обеспечивает оптимальное использование поверхности эмиттера и отсутствие блокирующего воздействия его участков, расположенных на разной высоте, что позволяет увеличить выход электронов с коронирующего электрода и создать плотный направленный вертикальный поток ионов в атмосферу. В данном техническом решении предусмотрено дополнительное регулирование концентрации создаваемого потока ионов с помощью электромагнитной муфты. Однако указанный известный ионизатор направлен на решение по существу одной задачи по изменению погоды, а именно на нарушение антициклонической циркуляции в атмосфере, т.е. на формирование облачности с последующим возможным выпадением осадков. Однако форма эмиттера не предусматривает использование данного устройства, например, для рассеяния туманов, поскольку оно предназначено для применения при ясной погоде.
Заявленные способ и устройство направлены на решение самых разнообразных задач по изменению погоды над заданной территорией, поэтому затруднительно даже выбрать техническое решение, которое может считаться наиболее близким аналогом заявленного изобретения.
Далее изобретение описывается более подробно со ссылками на чертежи.
Краткое описание фигур чертежей
На фиг.1 показан вид ионизатора сбоку.
На фиг.2 - вид ионизатора с торцевой стороны.
На фиг.3 - вид ионизатора сверху.
На фиг.4 показано масштабное распространение ионизированного потока, который зависит от высоты основания облачности и от угла между расположенными напротив одна другой рабочих секций электродов ионизатора.
На фиг.5 показана возможность регулирования угла между рабочими секциями на примере внутреннего электрода (эмиттера).
На фиг.6 изображены три ионизатора/устройства 1a, 1b, 1c с различными углами наклона между боковыми поверхностями. Ионизаторы/устройства 1a, 1b, 1c расположены в одном месте и для воздействий выбирают ту или иную установку в зависимости от поставленной задачи. В частности, показана выбранная установка ионизатора 1b для проведения воздействий на облачность нижнего яруса для увеличения ее водности и стимулирование выпадения осадков. Буквой «А» обозначена область, подвергаемая воздействию, в зависимости от выбранного ионизатора/устройства.
На фиг.7 также изображены три ионизатора/устройства 1a, 1b, 1c с различными углами наклона между боковыми поверхностями. Показана выбранная установка ионизатора 1c для разрушения тумана.
На фиг.8 изображено увеличение вертикального развития облаков на примере поэтапное воздействие на облачность. Сначала обрабатываются облака хорошей погоды кучевые-плоские Cu hum, что приводит к их вертикальному развитию до кучевых-средних Cu med, a затем уже создаем из них кучевые-мощные Cu cong облака, которые способные нести осадки. Стрелками, направленными вверх от ионизаторов, показано направление ионизированного потока воздуха.
На фиг.9 показан пример поэтапного рассеивания облачности. Стрелками, направленными вверх от ионизаторов, показано направление ионизированного потока воздуха, стрелки направленные вниз показывают нисходящие теплые и сухие потоки воздуха, которые способствуют рассеиванию облачности.
Подробное описание изобретения
Для локального воздействия на атмосферу используют одно или группу устройств (ионизаторов), обеспечивающих создание потоков ионизированного воздуха над заданной территорией.
Ионизатор 1 (1a, 1b, 1c) представляет собой конструкцию из трех электродов - электрода-экстрактора 2, электрода-эмиттера 3 и экранирующего электрода 4, которые с помощью изоляторов 5 установлены на несущем каркасе, смонтированном из расположенных взаимно перпендикулярно несущих деталей 6. Для работы ионизатор устанавливают таким образом, чтобы несущие детали 6 каркаса были расположены вертикально и горизонтально, а экранирующий электрод 4 был заземлен и располагался ниже электрода-эмиттера 3, а электрод-экстрактор 2 - над электродом-эмиттером 3.
Основной, коронирующий, электрод - эмиттер 3 представляет группу сопряженных одна с другой рабочих секций, расположенных с наклоном к общему центру, образуя, например, боковую поверхность «растянутой» пирамиды или другого подобного геометрического тела. Каждая секция эмиттера представляет собой расположенный в целом в одной плоскости электрический проводник малого сечения с большой кривизной поверхности. Большая кривизна поверхности проводника обеспечивает максимально возможное отекание с него электронов. Проводник, из которого выполнен эмиттер 3, имеет диаметр от 0,1 мм до 0,5 мм. Рабочие секции эмиттера 3 присоединены к горизонтальным деталям основного корпуса при помощи изоляторов 5. Узел крепления (не показан) секций эмиттера 3 к деталям 6 каркаса позволяет регулировать положение рабочих секций эмиттера 3 одновременно по вертикали и горизонтали, обеспечивая требуемый угол между противоположно расположенными рабочими секциями электрода (т.е. их наклон). Такое крепление может быть обеспечено, например, с помощью шарнирных узлов, соединяющих нижние части рабочих секций, и любых крепежных средств с фиксаторами для верхних частей рабочих секций на горизонтальных деталях 6 каркаса.
Заземленный экранирующий электрод 4 для работы устройства располагают под электродом-эмиттером 3. Электрод 4 крепится непосредственно к вертикальным деталям 6 каркаса устройства. Крепления этого электрода, как и электрода 3, позволяют перемещать его вверх и вниз по вертикали и параллельно эмиттеру 3 по горизонтали, тем самым уменьшая или увеличивая расстояние между его поверхностью и поверхностью коронирующего электрода 3 для поддержания необходимого напряжения на эмиттере, что дает возможность сохранять максимальную работоспособность устройства в данный момент. Электрод 4, как и электрод 3, представляет собой группу сопряженных одна с другой рабочих секций, расположенных с наклоном к общему центру. Каждая секция электрода 4 выполнена в виде расположенного в целом в одной плоскости электрического проводника малого сечения, параллельной плоскости электрода 3. Электрод 4 выполнен из проводника электрического тока с большим сечением, чем коронирующий проводник 3, его диаметр находится в пределах от 2 мм до 4 мм. При максимально возможном расстоянии от поверхности электрода 3 верхняя часть электрода 4 всегда находится выше верхней части электрода 3.
Электрод-экстрактор 2 крепится к горизонтальным деталям 6 каркаса при помощи изоляторов 5, с помощью которых осуществляется возможность регулирования его положения параллельно электродам 3 и 4. Экстрактор 2 расположен над эмиттером 3, выполнен в виде группы рабочих секций, параллельных рабочим секциям эмиттера 3 и заземленного электрода 4, и образован расположенным в целом в плоскости проводником малого сечения, меньшего, чем сечение электрода 4. Например, он может иметь диаметр в пределах от 0,3 мм до 0,7 мм. Роль экстрактора 2 заключается в усилении оттока электронов с эмиттера 3, а его параллельное расположение относительно эмиттера 3 обеспечивает равномерность оттока электронов, а также их максимальный отток за счет того, что его верхняя часть всегда, даже при максимальном сближении с эмиттером 3, находится выше верхней части последнего.
Таким образом, верхняя часть рабочих секций электрода 3 всегда находится как бы утопленной относительно верхних частей рабочих секций электрода 2 и электрода 4, чтобы добиться максимального отекания электронов со среднего электрода 3 и для наибольшей их концентрации, тем самым создавая максимально сконцентрированный ионизированный вертикальный поток.
Расстояние между горизонтально расположенными проводниками электрода-эмиттера 3 в рабочей секции варьируется от 1 см до 6 см. Такие же расстояния и между горизонтально расположенными проводниками электрода-экстрактора 2 и экранирующего электрода 4.
Габаритные размеры данного устройства-ионизатора по длине и ширине могут колебаться от 2-х метров до 10-ти метров, в зависимости от назначения и других причин, например, является ли ионизатор стационарно располагаемым устройством, или он должен быть мобильным.
Основное рабочее напряжение от высоковольтного блока питания 7 всегда отрицательно и подается на электрод-эмиттер 3, который является коронирующим электродом. Рабочее напряжение в зависимости от поставленных целей, габаритов ионизатора, расстояний между всеми тремя электродами, а также метеорологических условий может варьироваться от 20 кВт до 100 кВт, рабочий ток, соответственно, в диапазоне от 0,1 мА до 10 мА.
Экстрактор 2 имеет двойное назначение: на него может подаваться отрицательное напряжение от блока питания 7 или он может служить датчиком, передающим информацию на электронное устройство 8, входящее в состав блока питания. Для использования электрода 2 в качестве датчика, напряжение на него не подается, а лишь снимаются показания напряжения и тока, которые возникают на нем вследствие высокого напряжения, поданного на электрод-эмиттер 3, -так называемое наводящееся напряжение и ток соответственно (так как эти два электрода расположены в непосредственной близости друг от друга). Эти данные используются для регулировки расстояний между поверхностями электродов 2 и 3 для достижения максимально оттока электронов с поверхности эмиттера.
Напряжение на электроде 2 всегда положительно относительно напряжения на электроде-эмиттере, хотя по сути своей всегда отрицательное. Электрод 2 можно назвать и вторичным «электродом-эмиттером», так как образующееся/наводящееся на нем напряжение, в зависимости от величины поданного напряжения на электрод-эмиттер 3, дает возможность постоянно коронировать проводнику электрода-экстрактора 3, что в свою очередь усиливает ионизационную способность данного устройства и способствует созданию устойчивого ионизированного потока.
Для поддержания оптимального отекания электронов с коронирующего электрода 3 блок питания 7 может быть снабжен стабилизирующим устройством 9, которое сохраняет заданное высокое отрицательное напряжение на электроде 3. Это сделано потому, что в различных метеорологических условиях может возникнуть необходимость достаточно близкого сближения электродов - например электрода 3 и электрода 4 для поддержания оптимального отекания электронов - при котором увеличивается вероятность короткого замыкания, которое нарушит работу устройства. По соображениям безопасности необходимо наличие заземления 10 для устройства.
При подаче высокого напряжения на электрод 3 возникает коронный разряд и начинается ионизация прилегающего к устройству атмосферного воздуха. Одновременно с этим увеличивается напряженность электрического поля с более высоким потенциалом относительно напряженности стационарного электрического поля земли, которая в среднем равна 130 в/м.
В процессе ионизации образуются отрицательно заряженные ионы и свободные электроны, которые, проходя сквозь экстрактор 2, получают дополнительную энергию движения и устремляются вверх, создавая вертикальный ионизированный поток. Отрицательные ионы являются активными ядрами конденсации атмосферной влаги, тем самым присоединяют к себе группы содержащихся в воздухе молекул водяного пара, результатом чего становится выделение тепловой энергии, которая отдается окружающему воздуху, что повышает его температуру. Вследствие всего этого полученные таким образом легкие отрицательные ионы с прикрепленными к ним молекулами воды продолжают движение вверх. Дополнительную энергию для своего вертикального движения они получают от поддерживаемого устройством/ионизатором электрического поля. Так как над верхней частью устройства/ионизатора за счет прогрева атмосферного воздуха и образования вертикального ионизированного потока создается относительное падение атмосферного давления, то к месту падения давления начинает стремиться окружающий воздух, чтобы выровнять давление. При поступлении нового атмосферного воздуха процесс повторяется, тем самым поддерживая устойчивый вертикальный ионизированный поток.
Примеры осуществления способа
1. Вызывание осадков из уже имеющих облаков, но не достаточно развитых по вертикали и не обладающих необходимым запасом влаги, заключается в том, чтобы посредством направленного вертикального ионизированного потока, создаваемого ионизатором, который несет с собой молекулы воды, присоединившиеся к отрицательным ионам, довести влагосодержание облаков до необходимой величины, которая приведет к выпадению осадков.
На Фиг.4 показано масштабное распространение ионизированного потока, зависящее от высоты основания облачности и от угла между противоположными рабочими секциями электродов ионизатора. Например, чтобы воздействовать на облака вертикального развития для стимулирования их более интенсивного развития и выпадения осадков в данной локальной местности, необходимо сконцентрировать действие ионизированного потока в центре облака, так как в центре облака проходят естественные вертикальные потоки, а по краям облаков вертикального развития действуют компенсационные нисходящие воздушные потоки.
На Фиг.8 изображен пример вызывания осадков из облаков хорошей погоды Cu hum кучевые-плоские, которые по мере воздействий преобразуются в облака Cu med кучевые-средние, а затем уже в Cu cong кучевые-мощные, которые несут большое количество влаги и вертикально развиты, т.е. способны давать осадки виде дождя. При относительно малой влажности в атмосфере необходимо непосредственно в радиусе действия устройства/ионизатора проводить распыление воды на максимально возможное расстояние по высоте, при этом вода может быть как пресной, так и соленой.
2. Рассеивание облачности производят путем воздействия на нее компенсационных нисходящих потоков сухого теплого воздуха, который возникает при создании вертикально ионизированного потока. В зависимости от форм облачности, которую следует рассеивать, подбирают необходимый наклон рабочих секций электродов, чтобы обеспечить такую мощность вертикального ионизированного потока, который в свою очередь создаст необходимый компенсационный нисходящий поток сухого теплого воздуха. В зависимости от метеорологических условий и форм облачности воздействие будет различаться. Если, допустим, облачность будет фронтальная (значит довольно большие облачные поля и мощные кучевые облака), тогда необходимо будет поэтапное ее рассеивание, как показано на Фиг.9.
3. Рассеивание тумана, вне зависимости от форм его образования, производится путем насыщения его активными ядрами конденсации, которыми являются отрицательно заряженные ионы. Для этого следует использовать максимально возможный угол между противоположно расположенными рабочими секциями электродов, как это показано на Фиг.7 (устройство/ионизатор 1c). В данном случае ионизированный поток будет не концентрироваться, а наоборот, рассеиваться, воздействуя на максимально возможную площадь тумана. Отрицательные ионы будут притягивать к себя взвешенные капли воды, из которых состоит туман, будет проходить процесс конденсации, при котором будет выделяться тепловая энергия, которая приведет к повышению температуры окружающего воздуха. В процессе конденсации часть капель, достигнув значительного веса, опустится на землю, а та их часть, которая не успела сконденсироваться, испарится в результате повышения температуры, вследствие чего будет происходить разрушение тумана, а следовательно, увеличение дальности видимости.
В каждом из приведенных случаев может оказаться удобным или более эффективным использовать не один ионизатор, а группу ионизаторов, аналогичных описанному выше. При использовании группы, например, из трех ионизаторов, рабочие секции всех их могут быть установлены как с неодинаковым наклоном (с соблюдением одинакового наклона рабочих секций электродов в пределах одного ионизатора), в зависимости от целей и задач воздействия. Атмосферные условия многообразны, поэтому использование даже группы каких-либо известных ионизаторов, конструкция которых является неизменяемой, не позволяет максимально гибко регулировать воздействие на атмосферу. Как показано выше, возможность изменения наклона рабочих секций электродов (с указанными выше некоторыми дополнительными условиями) приводит не к чисто механическому расширению зоны воздействия ионизаторов, а влечет за собой качественное изменение воздействия.
Помимо приведенных примеров применения заявленного способа и устройства, они могут использоваться также, например, для вентиляции воздуха в загрязненных районах, а также в других случаях, когда требуется экономичное и экологически чистое локальное воздействие на атмосферу.