СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИЕЙ ЦИКЛОНА
METHOD FOR CONTROL OF CYCLONE TRAJECTORY

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано в метеорологии для управления траекторией движения циклонов с целью борьбы с масштабными лесными пожарами, засухами и наводнениями и в профилактике этих природных катаклизмов, что потенциально уменьшает риски возникновения сверхмощных разрушительных циклонов и является мягким сценарием борьбы с глобальным потеплением из-за временного ограничения потока солнечного излучения и большего озеленения Земли.
Известен способ воздействия на процесс атмосферной циркуляции путем формирования горизонтальных и вертикальных сдвигов ветра, а также управления струйным течением в атмосфере посредством пропускания через толщу атмосферного воздуха вертикальных потоков ионов [1]. Причем для управления процессом необходим центр управления для связи с метеоспутниками и установками генерирующими потоки ионов.
Недостатком такого способа является сложность системы и необходимость большого количества электрической энергии для масштабных изменений атмосферной циркуляции.
Более близким является способ, изложенный в (http://forum.zelek.ru/index.php?showtopic=6005) и в целом соответсвующий нашим выводам, в котором изложены результаты компьютерного моделирования на основе программы 4DVAR Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды для ограничения мощности циклонов и изменения их траектории. Было показано, что регулируя температурный режим вблизи центра циклона (изменения до 3 градусов Цельсия) и находя самоусиливающее внесенное возмущение, можно изменить существенно направление и скорость ветра.
К недостаткам такого способа следует отнести необходимость огромного количества энергии, которую предполагается получать с помощью спутниковых солнечных батарей. Представляется, что оба этих способа не в состоянии обеспечить тушение масштабных лесных пожаров диаметром порядка тысячи километров хотя бы из-за недостатка необходимой для этого энергии.
Заявленное решение направлено на менее затратное по энергии (путем регулирования потока солнечного излучения) альтернативное управление траекторией движения циклонов и профилактическую инициацию циклонов для целей борьбы с масштабными лесными пожарами, засухами, наводнениями и в какой-то степени с глобальным потеплением. Технический результат заключается в том, что предлагаемый метод является наиболее мощным и надежным средством управления траекторией циклона, так как он регулирует самую мощную первопричину погодных изменений - поток солнечного излучения и поэтому является практически безальтернативным методом для борьбы с мощными лесными пожарами и мощными засухами.
Поставленная цель достигается тем, что при учете местных метеорологических условий путем распыления аэрозолей с определенными свойствами на большой высоте на пути сформировавшегося циклона создается коридор пониженного давления по типу "русла реки", направленный в область засухи или масштабных лесных пожаров с одновременным понижением давления данным способом в выбранной области. Поставленная цель для Северного полушария в более экономичном варианте управления траекторией движения циклона достигается тем, что инициирует путем распыления аэрозоля в северо-западной части антициклона природный механизм вторжения циклона на заданную территорию при учете географических факторов и начального состояния атмосферы.
Сущность и доказательство предложенного изобретения заключается в следующем.
Предлагается для конкретных местных метеорологических условий посредством искусственно созданного пространственно-временного распределения подобранного аэрозоля в области антициклона и коридора к формирующемуся циклону создать такое распределение температуры в нужной пространственно-временной области, которое приведет к необходимому пространственно-временному распределению давления в этой области (типа русла реки в коридоре, причем - исток в области циклона, а сток - в обширной области антициклона), обеспечивающему безальтернативную наперед заданную траекторию движения циклона. Данная задача весьма сложна и трудоемка и требует совместного решения системы уравнений гидродинамики, уравнений переноса солнечного и земного излучений и уравнений переноса аэрозоля в атмосфере. Несомненно, что существенная часть этой задачи потребует применения метода Монте-Карло для решения уравнений переноса. Экспериментальными доказательствами того, что данная задача имеет интересующее нас решение, являются метеорологические наблюдения. Наиболее яркий факт состоит в том, что зарождающиеся летом в южной части Тихого океана циклоны иногда перемещаются не в область Алеутской депрессии, где земное тяготение и, как правило, соответственно, атмосферное давление меньше, а в альтернативных направлениях Китая или российского Дальнего Востока. Другим фактом является то, что для примерно одинаковых траекторий зимнего и летнего циклонов температура и давление на существенных для движения циклонов высотах (1-10 км) ниже для зимнего циклона, чем для летнего, что подтверждает возможность понижения давления посредством понижения температуры в нужных для управления траекторией циклона областях. И наконец, непосредственно перед приходом циклона в коридоре на существенных для движения циклона высотах устанавливаются пониженные температура и давление сравнительно с предшествующим антициклоном.
Более оптимальным является учет природного механизма прихода циклонов, например, на российский Дальний Восток на смену предшествующему антициклону. Как известно, по данным метеорологических наблюдений тропосфера разделяется на относительно однородные по физическим свойствам воздушные массы. По термодинамической классификации их можно разделить на два основных типа: теплые и холодные. При меридиональных процессах в термобарическом поле средней тропосферы (до уровня 5-6 км) область теплой воздушной массы располагается вдоль оси тропосферного гребня антициклона и западней ее. Соответственно холодная воздушная масса - вдоль ложбины пониженного давления, прилегающей с запада к границе теплой воздушной массы. В среднем разность температур в очагах холода и тепла в одних физико-географических условиях составляет 10-12 градусов. Интенсивные вторжения вдоль ложбины арктического холода приводят к нарушению тропосферного антициклогенеза. При понижении температуры в средней тропосфере более чем на 5-10 градусов тропосферный гребень разрушается и устанавливается широтный перенос холодных масс воздуха, который смещает теплые массы воздуха, создавая условия для смещения циклонов с запада на восток. Дальнейшие интенсивные вторжения холода в этих районах приводят к усилению меридиональности и формированию глубоких холодных ложбин (понижение температуры на 8-12 градусов). Поэтому искусственное понижение температуры (путем распыления аэрозоля) в средней тропосфере северо-западней оси тропосферного гребня более чем на 5-10 градусов явится спусковым крючком запуска природного механизма прихода южного циклона на смену антициклону на российский Дальний Восток.
По данным метеорологических наблюдений процессы преобразования высотного термобарического поля обусловлены переносом тепла в атмосфере и другими динамическими факторами атмосферы. Если исходное термобарическое поле характеризуется зональностью, то есть перенос воздушных масс осуществляется с запада на восток, то при интенсивном вторжении холода с севера на юг и одновременном тепла с юга на север, но проходящем восточное, происходит деформация барического поля и развитие меридиональности. При выносе тепла с юга на север происходит усиление тропосферного гребня (рост по меридиану с юга на север). Вынос холода с севера на юг формирует высотную ложбину пониженного давления с осью с севера на юг. Чем больше контрасты температур двух воздушных масс, тем активнее циклоническая деятельность в зоне этих контрастов или зон фронтальных разделов. Обычно циклонические образования возникают и затем развиваются в глубокие циклоны на хорошо выраженных в тропосфере фронтах, причем быстрее всего в зоне малого градиента приземного давления. Циклоны образуются в ложбинах, как правило, на оси или в передней части ложбины (восточнее оси). Для образования циклона важно, чтобы адвекция (перенос) холода в тылу циклона превышала адвекцию тепла в его передней части. Такое распределение адвекции - хороший признак возникновения циклона. Даже просто интенсивная адвекция холода служит хорошим показателем возможного развития циклона. Поэтому методом, указанным выше, необходимо искусственно инициировать или усилить такую адвекцию и тем самым включить в решение данной задачи термический потенциал арктического воздушного бассейна. Все барические образования, в том числе и циклоны, перемещаются по воздушному потоку. При зональной форме циркуляции они быстро перемещаются с запада на восток. Как правило, это характерно для весны или осени. При меридиональной форме циркуляции атмосферы циклоны смещаются с юга на север или юго-запада на северо-восток (в зависимости от формы меридиональности). То есть направленность воздушного потока как бы задает коридор для смещения циклонов.
В Хабаровском крае засушливые периоды формируются в малоградиентном приземном поле повышенного давления при отсутствии циклонической деятельности. В тропосфере устанавливается высотный гребень, ось которого располагается вдоль 130-135 градуса в.д. Вторжения холода в тыловую часть гребня могут привести к его разрушению, интенсивные вторжения - к формированию высотной ложбины с осью около 130 градуса в. д. Соответственно на прибрежные территории Хабаровского края, Приморья и Сахалин будет осуществляться вынос теплого воздуха, что приведет к усилению тропосферного гребня в этих районах, ось которого сместится на восток и будет располагаться вдоль 140-145 градуса в.д. В таких классических условиях происходит изменение направленности воздушного потока. Влажные и теплые воздушные массы начинают перемещаться с районов Японского моря на территорию Хабаровского края.
Атмосфера безусловно является открытой и неравновесной системой, однако грубая оценка зависимости давления от температуры для областей масштабных лесных пожаров со сравнительно неподвижными воздушными массами на непродолжительное время (до прихода циклона) может быть получена в приближении замкнутой равновесной системы. По-видимому, это будет оценка сверху. В этом приближении давление Р определяется законами Дальтона
и Клайперона-Менделеева
i
i
i
Здесь T - температура в шкале Кельвина, k - постоянная Больцмана, P - парциальное давление, n - концентрация парциальной компоненты воздушной смеси. Концентрация n парциальной компоненты воздушной смеси в зависимости от высоты z в приближении замкнутой равновесной системы дана распределением Больцмана
где g - ускорение свободного падения,  - концентрация парциальной компоненты воздушной смеси у поверхности Земли.
Простейшим решением понижения давления путем понижения температуры атмосферы на необходимых высотах (1-10 км) является распыление аэрозолей на большой высоте, как это предлагается в некоторых сценариях борьбы с глобальным потеплением (Будыко, Израэль). Причем, имея ввиду временный характер действия этих аэрозолей (до прихода циклона), масса частиц этого аэрозоля должна быть существенно большей, чем в сценариях борьбы с глобальным потеплением, чтобы обеспечить выпадение аэрозоля в конечном счете на Землю за сравнительно короткий промежуток времени. Аэрозоль должен обладать хорошей отражательной или (и) переизлучательной способностью особенно на частотах поглощения и рассеяния света задымленной атмосферой и по возможности не усиливать парниковый эффект. (При равномерном переизлучении в 4·π однократно переизлученный поток света в направлении падения ослабевает более чем в два раза). Хорошей отражательной способностью обладают кристаллы льда, оксид магния, сульфаты. С экологической точки зрения выбор в качестве агента льда оптимален.
На наш взгляд более предпочтительнее вариант распыления на необходимых высотах специально подобранного химического агента (желательно с хорошей отражательной или переизлучательной способностью), который при поглощении света (или без оного) образует с одним, а лучше с несколькими атомами азота (кислорода) воздуха более тяжелые частицы с хорошей отражательной или переизлучательной способностью на частотах поглощения и рассеяния света задымленной атмосферой. Хотя обратный процесс диссоциации, как правило, не менее вероятен, маловероятно излучение кванта света в прежнем направлении при диссоциации, что также будет ослаблять падающий поток света, причем одна молекула химического агента может повторить такой цикл неоднократно, что весьма существенно. Так как концентрации аэрозоля малы сравнительно со средней концентрацией частиц в атмосфере, то давление вследствие изменения общей концентрации практически не изменится по крайней мере в нижних слоях атмосферы.
Третий вариант предлагает использование диссоциирующих веществ или их смеси для большего перекрытия спектра падающего света. Энергия света будет расходоваться на фотодиссоциацию и при обратной рекомбинации также будет, вообще говоря, выбывать из падающего потока. В наиболее экологичном варианте в качестве диссоцирующих веществ могут быть взяты молекулы химических элементов, содержащихся в атмосфере. По-видимому, наиболее оптимальным является сочетание всех трех вариантов.
Положительный эффект заключается в использовании дифференцированного подхода к задаче управления траекторией циклона, безальтернативного для борьбы с масштабными лесными пожарами и мощными засухами: либо в искусственном инициировании или усилении природного механизма прихода циклона на смену антициклону путем распыления аэрозоля с требуемыми свойствами для Северного полушария в районах северо-западнее оси антициклона при учете физико-географических условий выбранной местности и начального состояния атмосферы, либо путем распыления аэрозолей с определенными свойствами на большой высоте на пути сформировавшегося циклона создается коридор пониженного давления по типу "русла реки", направленный в область засухи или масштабных лесных пожаров с одновременным понижением давления данным способом в выбранной области.
Источник информации
1. Патент РФ №2105463, A01G 15/00, 1998.