Концепция капельных зародышей в методе предотвращения образования крупного града в облаках

УДК 551.587.7: 551.507

КОНЦЕПЦИЯ КАПЕЛЬНЫХ ЗАРОДЫШЕЙ В МЕТОДЕ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ КРУПНОГО ГРАДА В ОБЛАКАХ

© 2007 г. М.И. Тлисов, Б.М. Хучунаев, А.В. Шаповалов

The researches on the germing and growth of hailstones demonstrate, that the formation of large hailstones is conditioned by presence of drop germs and zones with drops of the large size in clouds. The physical concept is offered, which one is represented as refinement to an existing method of hail cloud control. The concept specifies a place of reactant depositing for prevention of large hailstones formation. The stated concept bases on physics of formation and growth of large hailstones. It is obtained on the basis of experimental and analytical investigations of hailstones physics, executed in High-mountain geophysical institute.

Тринадцатая сессия Комиссии атмосферных наук (КАН) ВМО рассмотрела последние достижения в области ПГЗ (противоградовой защиты) в связи с тем, что сравнительно большое число стран регулярно ведет эту работу. Отмечено, что концепции ПГЗ существенно не изменились за последние годы, и объявляемый результат варьирует в широких пределах. КАН считает, что такие объявления остаются недоказанными, так как нет международно-признанных научных методов оценки эффективности ПГЗ, в частности, из-за значительной естественной изменчивости градовых процессов [1].

Существующий метод активных воздействий на градовые процессы был официально внедрен приказом Госкомгидромета СССР в 1985 г. и с тех пор практически не подвергался изменениям [2]. Если учесть, что способ воздействия на град обычно обусловливается механизмом образования зародышей града, а данные американских исследований для региона Великих Равнин показали, что град в основном образуется на частицах крупы, то с обоснованием гипотезы ускоренного осадкообразования, положенной в основу существующего способа, все более или менее логично и последовательно [2].

Одновременно результаты исследований, проводившихся многие годы в ВГИ, в том числе и авторами настоящей работы, также показали, что град чаще всего образуется на частицах крупы. Однако исследования тонкой структуры градовых дорожек позволили сделать вывод о том, что в местах выпадения града с плотностью кинетической энергии < 50 Дж/м2 ущерба растениям не наносится, и основная часть градин (более двух третей) образовались на крупяных зародышах. С другой стороны, в местах выпадения града поверхностной плотностью кинетической энергии Ек>500 Дж/м2, когда урожай практически полностью уничтожается, град преимущественно образовался на капельных зародышах, и в слоях града, собранных с этих мест, наблюдались структуры, указывающие на участие крупных облачных капель в росте градин.

Таким образом, хотя град чаще образуется на частицах крупы, все-таки наибольший ущерб от градобитий связан с капельными зародышами града и с наличием крупнокапельных зон в градовом облаке.

Если иметь в виду, что в существующей технологии не учитывается наличие капельных зародышей града и крупнокапельных зон в градовых облаках, представляется, что этот пробел необходимо восполнить, чему и посвящается настоящая работа.

В период с 1983 по 1990 г. в Высокогорном геофизическом институте проводился комплексный градо-вый эксперимент, целью которого было уточнение механизма зарождения и роста града и разработка рекомендаций по воздействию на особо мощные градовые процессы. В ходе эксперимента были выполнены комплексные измерения характеристик града: получение информации о месте, времени, площади и спектре выпадающего града; изучение типа зародышей градин, их элементного и изотопного состава, измерение кинетической энергии градин. Были проведены самолетные измерения спектров, концентрации, льдообразующей активности естественных и искусственных аэрозолей в околооблачном пространстве, а также параметров микроструктуры в развивающихся конвективных облаках; трансформации полей метеоэлементов в нижней тропосфере и др. В рамках отдельных программ полевые исследования, касающиеся наземной градомерной сети и градовых подушек, продолжались до 1999 г.

В результате этих работ получен многолетний уникальный статистически обеспеченный экспериментальный материал. На основе результатов этих исследований и с учетом данных лабораторного и теоретического моделирования были получены новые представления о механизме градообразования [3, 4].

С учетом этих представлений разработан метод предотвращения образования крупных градин в градовых облаках [4]. Он предполагает использование как существующих традиционных реагентов типа Л§1, так и нетрадиционного, экологически чистого реагента -раствора соли тетра-алкиламмония в экологически чистом фреоне [5]. При этом использование нетрадиционного реагента нам представляется наиболее эффективным, так как он имеет более высокий порог кристаллизации по температуре (-1 ^ -2 °С) и превосходит по быстродействию известные реагенты.

В последние годы на основе комплексного исследования характеристик градобитий и теоретического

моделирования градовых облаков получен ряд новых результатов по механизму градообразования, которые позволяют разработать физические основы воздействия с целью предотвращения образования крупного града. Ниже приводятся некоторые результаты этих исследований по микрофизике зарождения и роста града.

1. Места образования капельных и крупяных зародышей пространственно разнесены. В градовых процессах Северного Кавказа реализуются оба известных механизма осадкообразования (механизм «теплого дождя» и механизм Бержерона-Финдайзена).

2. Основная часть капель и капельных зародышей образуется в температурном интервале -2 ^ -12 °С в восходящем потоке, вблизи его границы с нисходящим потоком, ниже области роста крупных градин. Образование крупного града связано с появлением крупнокапельной зоны в облаках и с наличием капельных зародышей града.

3. В местах выпадения града с поверхностной плотностью кинетической энергии < 50 Дж/м2 ущерба растениям не наносится, и основная часть градин (более двух третей) образуется на крупяных зародышах.

4. В местах выпадения града поверхностной плотностью кинетической энергии Ек>500 Дж/м2 урожай полностью уничтожается, при этом градины преимущественно образовались на капельных зародышах.

5. На основной части градовой дорожки выпадает град, около 70 % которого не наносит ущерба сельскохозяйственным культурам.

6. Максимальные значения концентраций капельных зародышей и поверхностной плотности кинетической энергии совпадают и расположены у правого края градовой дорожки, т.е. вблизи основного восходящего потока.

Наиболее важным положением механизма образования и роста града, на котором базируется метод воздействия, является возможность кристаллизации основной части капель, которые приводят к образованию крупного града. В результате кристаллизации этих капель они не могут участвовать в росте града. Тем самым ликвидируются основные условия роста крупного града.

Метод осуществляется следующим образом [4]:

1) Симметричные градовые облака.

Обрабатывается все сечение центральной области восходящих потоков облачного воздуха, расположенное между изотермами -2 ^—6 °С и содержащее облачные элементы, диаметр которых достигает более 100 мкм. Область внесения частиц реагента (соли тет-ра-алкиламмония во фреоне) с учетом особенностей температурного поля в облаке (температура в облаке на том же уровне всегда выше температуры окружающего воздуха). Воздействие необходимо начинать с облачной изотермы -6 °С. Снижать его постепенно

до уровня -2 0С. Реагент необходимо вносить при помощи механически рассредоточенных линейных источников, с концентрацией не менее одного источника на 1 км3, создающих не менее 106 кристаллов на 1 м3 облачного воздуха.

2) Несимметричные градовые облака.

В случае несимметричных градовых облаков обрабатывается область, расположенная между изотермами -2 ^ -6 °С, находящаяся в восходящем потоке вблизи его границы с нисходящими потоками, с правой стороны от направления движения зоны выпадения града, где образуются крупные капли и капельные зародыши града. Из области внесения реагента готовые ледяные кристаллы доставляются в зону наиболее вероятного образования и роста града, расположенную между изотермами -5^-10 °С, для уменьшения скорости роста града за счет кристаллизации крупнокапельной фракции и создания дополнительных капельных зародышей града.

На рис. 1 изображены области внесения реагента в несимметричное градовое облако. При воздействии засевается площадка, ограниченная изолиниями Пю = =10-9 ^ 10-10 и лучом с углом в , в = 2а, где а -угол между движением ячейки и направлением навеса радиоэха.

К), км

зо

20

10

10 20 И „км

Рис. 1. Определение площади засева: 1 - контур, соответствующий изолинии Пю = 10-9 см-1; 2 - контур,

1А-10 -1

соответствующий изолинии п3 2 = 10 см

На рис. 2 приводятся данные радиолокационного разделения кучево-дождевого облака по видам осадков [2] и вероятность образования капельных зародышей. Этот график используется для определения времени начала активных воздействий. На рис. 2 вертикальные шкалы обозначают следующее: 1, °С - температура на уровне верхней границы

зоны отражаемости rjw = 10 9 см; N - вероятность образования капельных зародышей.

По горизонтали нанесены следующие шкалы: П32П10- отражаемость соответственно на 3,2 и 10

см каналах; L - безразмерный параметр (L = = 0,0011Wmax+0,14Hw, где Wmax- максимальные величины скорости восходящих потоков; Hw- высота уровня максимальных скоростей).

Если по результатам измерений точка на рис. 2 попадает в область I, то облако следует считать не градовым. Область II относится к случаям с градовыми облаками. Интенсивность выпадающего из таких облаков града не превышает 5 мм/ч, поверхностная плотность кинетической энергии - 10 Дж/м2 Область III является наиболее обширной. К ней относятся облака со слабой интенсивностью выпадения града (интенсивность - 5-10 мм/ч, продолжительность выпадения града в отдельном пункте - 3-5 мин), умеренной (20-50 мм/ч, время выпадения града - 5-10 мин) и сильной (50-100 мм/ч). В область IV вошли катастрофические градобития, отличающиеся разрушительной силой.

Для определения момента начала воздействия необходимо проводить непрерывное радиолокационное слежение за развитием градового облака. При достижении радиолокационных характеристик области III по рис. 2 и при вероятности образования капельных зародышей, равной 0,30 и более, необходимо начать активные воздействия.

Место внесения реагента получено на основе численного моделирования активного воздействия на градовые облака [3].

Полученная при моделировании картина образования града в облаке показывает, что вследствие деформации полей термодинамических параметров облака под влиянием восходящих потоков и в результате динамического взаимодействия с воздушными потоками часть зародышей градовых частиц получает возможность находиться достаточно долго в зоне, благоприятной для их роста [3]. Очевидно, что конечные размеры градин будут зависеть от места образования их зародышей в этой зоне и времени их нахождения в ней. Образование слоев различных видов в градинах можно объяснить изменением режима их роста при движении в указанном температурном интервале, а не многократным опусканием и подъемом в восходящем потоке воздуха, как это принято в некоторых существующих моделях образования градин.

Полученные в рамках модели результаты достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными по исследованию механизма зарождения и роста града, представленными в данной работе.

Для выяснения влияния активного воздействия на градоопасность облака было просчитано большое число вариантов, в которых варьировались параметры источника искусственных ледяных кристаллов. Исследовалось изменение микроструктурных характеристик облака от концентрации частиц реагента, места и времени их внесения.

Рис. 2. Радиолокационное разделение кучево-дождевых облаков по видам осадков: I - область дождевых облаков;

II - градоопасных облаков; III - градовых облаков;

IV - катастрофических градобитий; L = 0,0011 Wmax + 0,14 HW

Путем численного решения уравнений модели облака были получены значения контрольной величины (числа крупных градин) при действии источника в различных узлах пространственной сетки, в том числе в обозначенных на рис. 3 буквами A, B, C.

Оказалось, что воздействие точечным источником во фронтальной области с умеренными восходящими потоками (точка A на рис. 3) приводит к уменьшению числа крупных градовых частиц по сравнению с их числом без воздействия примерно на 30 %.

В случае действия источника искусственных кристаллов в области, отмеченной точкой В на рис. 3, получается наиболее существенное уменьшение общего числа крупных градин - более 70 %.

В третьем случае (точка С на рис. 3) действие источника искусственных кристаллов не вызывает заметного эффекта.

н.

км

10

5

Рис. 3. Вертикальный радиолокационный разрез градового облака:

- область, засеваемая по предложенному способу;

А - точка воздействия во фронтальной части, количество крупных градин уменьшается на 30 °%; В - точка воздействия под зоной образования и роста града, количество крупных градин уменьшается на 70 %; С - точка воздействия в зоне образования градин, количество крупных градин практически не изменяется

Полученные на основе модели результаты можно интерпретировать следующим образом. Образование и рост градовых частиц преимущественно происходит в области, расположенной между изолиниями -5 и -25 0С. Аккумулируемая на градовых частицах влага поступает в эту область из нижнего слоя в виде переохлажденных капель. При этом величина водности в различных точках облака зависит от характеристик воздушных потоков в этих точках [6]. При удалении от области больших скоростей восходящего потока значение водности будет уменьшаться. В связи с этим при внесении кристаллов в точку А, в которой значения водности не очень большие, хотя эффект воздействия и проявляется, но он оказывается незначительным.

Значительное ослабление процесса образования крупных градин при воздействии в точке В можно связать с тем, что при этом происходит замерзание крупных капель в зоне роста.

Наиболее важным положением схемы воздействия является выбор площадки засева, локализация места внесения реагента в восходящий поток вблизи его границы с нисходящим потоком (рис. 3).

Площадка для внесения реагента, как показали численные оценки и данные радиолокационных доп-леровских измерений, выполненных сотрудниками ВГИ во время проведения комплексного градового эксперимента, характеризуется повышенной турбулентностью. Значительная турбулентность позволяет довольно быстро распространяться реагенту, чем создает возможность кристаллизации основной час-

ти капель, которые могли привести к образованию крупного града, в данном случае эти капли не могут участвовать в росте града после их кристаллизации.

Авторами была проведена экспериментальная апробация предложенного метода на основе анализа опытов по активным воздействиям СевероКавказской службы по борьбе с градом.

Всего было проанализировано более 200 опытов. Следует подчеркнуть то обстоятельство, что авторы не имели права по существующему положению проводить какие-либо опыты по активному воздействию на градовые процессы на защищаемой территории [7]. Поэтому были проанализированы архивные материалы, из которых отбирались случаи стрельб, максимально приближенные к предлагаемому методу. Таковыми оказались случаи воздействия на уровне срабатывания льдообразующего реагента (-6 °С), при стрельбе против движения облака в его фронтальную часть, при работе по существующей технологии в зону точки А (рис. 3). Ракеты в этом случае попадали на уровень предлагаемой нами площадки засева - в зону точки В, которая представляется более эффективным местом для АВ.

Из более чем 200 проанализированных опытов по АВ было выбрано 5, в которых стрельба велась практически по предлагаемому в данной работе способу, т. е. в зону точки В. При этом все 5 случаев были идентифицированы как случаи с положительными исходами, в которых град на землю не выпадал на самом деле, что было подтверждено фактическими данными объездов защищаемой территории.

Таким образом, эффективность предложенного метода воздействия подтверждается результатами экспериментов по АВ на град.

Основными результатами данной работы являются следующие:

1. По экспериментальным данным ВГИ крупный град, доставляющий максимальный ущерб на подстилающей поверхности, образуется преимущественно на капельных зародышах и в результате роста в крупнокапельной зоне.

2. Существующий метод АВ на градовые облака не учитывает такие важные факторы, как капельные зародыши градин и крупнокапельная зона в облаке, поэтому не является достаточно надежным.

3. Предложена физическая концепция, которая представляется как уточнение к существующему методу воздействия на градовые облака. Она основана на физике образования именно крупного града в облаках, и поэтому позволит повысить эффективность АВ по недопущению ущерба на защищаемой территории от крупных частиц.

4. Предлагаемое в работе место внесения реагента получено при математическом моделировании активных воздействий на градовые облака путем его оптимизации.

5. Физика предотвращения роста крупных градин заключается в ликвидации капельной фракции в зоне их роста за счет процесса замерзания при целенаправленном внесении кристаллизующего реагента в эту область.

Литература

1. Стасенко В.Н. // Тез. Всерос. конф. по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, посвященной 70-летию Эльбрусской высокогорной комплексной экспедиции РАН. 2005. С. 3-5.

2. АбшаевМ.Т. // Тр. ВГИ. 1989. Вып. 72. С. 14- 28.

3. Ашабоков Б.А. и др. // Метеорология и гидрология. 1994. № 1. С. 41-48.

4. Тлисов М.И., Хучунаев Б.М. Патент № 2119741. Способ предотвращения крупных градин в облаках. 1998.

5. Федченко Л. М. и др. Способ воздействия на облака и туманы. Положит. решение по заявке 6 АБ1С 15/00 ЯИ N94006664/13(006335) от 11.09.1996 г.

6. Мазин И.П., Шметер С.М. Облака: строение и физика образования. Л., 1983.

7. Бибилашвили Н.Ш., Бурцев И.И., Серегин Ю.А. Руководство по организации и проведению противоградовых работ. Л., 1981.

Высокогорный геофизический институт, г. Нальчик_24 октября 2006 г.