АВИАЦИОННЫЙ СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ МОЩНЫХ КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКОВ
AVIATION METHOD OF SUPPRESSION OF DEVELOPMENT OF POWERFUL CONVECTIVE CLOUDS

Изобретение относится к метеорологии, в частности к активным воздействиям на мощные конвективные облака, и может быть использовано для предотвращения ливней, гроз и градобитий, наносящих большой ущерб народному хозяйству.
Известно несколько концепций активного воздействия на градовые облака [1]: создание повышенной концентрации зародышей града, обусловливающее замедление роста града за счет конкуренции за воду; ускорение осадкообразования в зоне формирования условий для зарождения града и зоне формирования зародышей града; полное замораживание переохлажденной влаги облака, ослабляющее коагуляционный рост града; понижение траектории растущих градин, ухудшающее условия роста градин; укрупнение капель с последующим их замораживанием, обеспечивающим создание большого числа конкурирующих ядер; динамическое разрушение конвективных облаков инициированием нисходящих потоков. Успешное применение каждого из методов основывается на использовании неустойчивого состояния атмосферных процессов. Наиболее существенное значение имеют неустойчивость фазового состояния облачной влаги (существование переохлажденной жидкокапельной фракции) и конвективная (вертикальная) неустойчивость атмосферы. В первом случае проводят искусственную кристаллизацию переохлажденных облачных объемов, что радикально меняет кинетику процессов осадкообразования. Во втором - используют для разрушения конвективных облаков ту же самую энергию атмосферной неустойчивости, которая обусловливает их развитие, направив искусственным образом реализацию этой энергии в противоположном направлении путем преднамеренного создания в облаке нисходящих движений, которые и приводят к его разрушению.
Внедрение на производственном уровне противоградовой защиты получили методы "конкуренции" [2] и "ускоренного осадкообразования" [3], использующих в качестве льдообразующего реагента йодистое серебро, вводимое на уровень изотермы -6°С.
2
3
Первым практическое применение получил метод конкуренции [2]. Физическая сущность его заключается в искусственном увеличении концентрации зародышей града, по сравнению с естественно реализуемой в зоне зарождения и роста града, в 10-10 раз. Это приводит к ограничению роста града за счет перераспределения ограненного количества переохлажденной облачной воды между большим числом зародышей града. Разработчиками метода подразумевалось наличие в облаке зоны аккумуляции крупнокапельной переохлажденной фракции, мгновенно кристаллизуемой при внесении в нее льдообразующих реагентов, обеспечивающей быстротечный механизм создания большой концентрации искусственных зародышей града. Однако этот метод не всегда давал положительный результат при воздействии, т.к. градовое облако похоже на проточную трубу с различными поворотами и разветвлениями, а зона аккумуляции, необходимая для реализации метода, существует только в достаточно слабых одноячейковых облаках внутримассового развития.
Метод ускоренного осадкообразования [3] предполагает ускорение укрупнения облачных частиц до размера частиц осадков за счет внесения льдообразующих реагентов и создания в обновляющейся переохлажденной части градовых облаков столь большой концентрации кристаллов, которая обеспечит их быструю агрегацию, обзернение и превращение в крупу миллиметровых размеров. Испытывая давление образовавшихся крупных частиц, восходящие потоки нарастают медленнее и не могут поддержать эту крупу. Она выпадает, не вступая в процесс градообразования, и обеспечивает, помимо резкого сокращения водности в зоне "формирования", еще и динамические эффекты подавления восходящего потока.
По технологии [3] на одноячейковые процессы рекомендуется проводить однократное воздействие на стадии появления первого радиоэхо по всей площади зарождения. Облака второй категории засеваются двукратно по всей площади навеса радиоэхо. Более мощные облака засеваются многократно по фронтальной части навеса радиоэхо и на 3 км перед ним. В случае суперячейкового процесса воздействие проводится на фронтальную обновляющуюся часть навеса радиоэхо и ближайшую к ней питающую конвективную ячейку (ПКЯ), часто называемой лидерным облаком. ПКЯ образуются впереди-справа от мощного конвективного облака и вовлекаются в него восходящим потоком. При многоячейковых прерывание выпадения града осуществляется также путем воздействия на фронтальную часть навеса радиоэхо и ближайшую ПКЯ. Одновременно с этим проводится воздействие на первое радиоэхо новых ячеек мощного конвективного облака. Во всех случаях реагент вносится на уровень изотермы -6°С и выше.
Возможность практической реализуемости концепции "ускорения осадкообразования" при активных воздействиях среди специалистов не находит однозначного подтверждения. Результаты лабораторных и численных экспериментов, наземных измерений града показывают, что многие положения [3] умозрительны, научно не обоснованы и не реализуются на практике. Результаты анализа физических характеристик града с воздействием и без него показали низкую эффективность метода при воздействии на самые мощные (суперячейковые) конвективные облака, что и обуславливает необходимость дальнейшего совершенствования метода предотвращения градобитий.
У описанных и других известных способов воздействия на град общим недостатком является введение кристаллизующего реагента, например йодистого серебра, в облако на уровень изотермы -6°С и выше в надежде на достаточно быстрое появление на этих высотах ледяных кристаллов в требуемых больших концентрациях. Однако в реальных условиях для появления на частицах льдообразующего реагента ледяных кристаллов отмечается задержка ("инкубационный период льдообразования") от 3 до 8 мин. Если допустить, что время наиболее вероятной задержки ~5 мин и скорость восходящих потоков воздуха в градовом облаке даже минимальная достигает 10 м/с, а градиент температуры по высоте 6,6-7°С/км, то через 5 мин после внесения кристаллизующий реагент может вынестись как пассивная примесь на изотерму -30°С. Учитывая, что уровень естественной кристаллизации в градовых облаках расположен на изотермах ~ -30°С, то воздействие при помощи йодистого серебра на фазовую неустойчивость градового облака способами [2 и 3] и др. с использованием кристаллизующих реагентов, совершенно теряет смысл в силу своей физической сущности.
Кроме того, реализация способа [3] связана с необходимостью создания частиц искусственной крупы в градовом облаке, которая собственно и должна осуществлять преждевременное осадкообразование. Однако оценки скорости роста крупы в облаке показывают, что длительность ее формирования соизмерима с временем жизни градового облака и достигает несколько десятков минут, что превращает [3] в неоперативный и, следовательно, неэффективный способ воздействия. К тому же зоны образования и роста наиболее крупного града при этом не подвергаются воздействию вообще.
В работе [4] используется метод АВ, заключающийся в разрушении развивающихся конвективных облаков разной интенсивности от мощно-кучевых до кучево-дождевых с помощью динамического способа - посредством искусственно создаваемых в них нисходящих потоков путем сброса в вершины облаков порошкообразных реагентов (цемента). Положительный эффект (разрушение облака) был получен более чем в 80% случаев воздействий на одноячейковые изолированные облака внутримассового развития и в 65% случаев при воздействии на облака фронтального происхождения. При этом сброс порошкообразного реагента в количестве 25-30 кг и более (на одну вершину) приводит к разрушению одноячейковых изолированных облаков за 10-20 мин, а фронтальных облаков - за 30-35 мин.
Подавить развитие самых мощных конвективных облаков этим методом не удается вследствие обширности суперячейки, достигающей 2-50 км в диаметре.
Авиационный способ засева мощных конвективных облаков кристаллизующими реагентами разработан американо-канадской фирмой Weather Modification Inc. (WMI) [5]. Проводится одновременная обработка двумя или более самолетами, как питающих конвективных ячеек (ПКЯ, в отечественной литературе их часто называют лидерными или фидерными облаками), зарождающихся впереди и сбоку по ходу облака, так и основного градоопасного мощного конвективного облака. Засев основного облака льдообразующим реагентом проводится снизу в зону восходящего потока. Воздействие на ПКЯ, циклонически вовлекаемых восходящим потоком в основное облако, проводится через их вершину. Авторы работы [5] полагают, что, разрушив ПКЯ путем вызывания из них осадков, они тем самым снижают питание основного облака, которое уже легче поддается влиянию реагента. Преимуществами этой технологии являются ее относительно низкая себестоимость и возможность проведения работ по активным воздействиям на больших территориях.
3
Аналогичный способ был заявлен и в нашей стране [6], который является наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению, - прототип. Согласно этому изобретению в зону формирования градовых осадков, определенных радиолокационным зондированием облака с земли, вносят кристаллизующий реагент. Одновременно с помощью самолета по курсу перемещения градового облака и с его наветренного фланга выявляют фидерные облака (ПКЯ - по нашей терминологии), попадающие в восходящие потоки градового облака. Затем, воздействуя на эти фидерные облака кристаллизующим реагентом с самолета, переводят их жидкокапельную структуру в кристаллическое состояние. При этом воздействие реагентом осуществляют на ПКЯ с водозапасом, соответствующим водности 0,1 г/м и выше.
Положительным фактом решения [6] является использование самолета для выявления ПКЯ и воздействие на них, так как существующие радиолокационные станции не позволяют обнаружить ПКЯ вследствие малости размеров составляющих их частиц. С помощью же самолета представляется возможным не только распознать и выделить эти облака, но также и воздействовать на них с помощью бортовых средств.
Недостатком способов [5, 6] является использование для воздействия кристаллизующих реагентов, порог срабатывания которых -6°С. То есть воздействовать можно только на те облака, которые уже развились выше этой изотермы. В практике же АВ на мощные конвективные облака наибольший эффект воздействия наблюдается на ранней стадии развития облаков. Таким образом, воздействовать на ПКЯ необходимо до достижения ими порогового уровня начала кристаллизации в облаках -6°С, характеризующимся переходом стадии развития облака в зрелое состояние.
К тому же, многими исследователями [7] установлено, что после рассеяния конвективных облаков, имевших при своем существовании кристаллическую фазу, а тем более подвергшихся воздействию кристаллизующего реагента, в атмосфере остается значительное количество ледяных кристаллов и нереализованных частиц реагентов, которые вовлекаются в основное мощно-кучевое облако восходящим потоком, активизируя его развитие.
Техническим результатом, ожидаемым от использования заявляемого способа, является возможность повышения эффективности активных воздействий на мощное конвективное облако для подавления его развития и снижения катастрофических последствий, связанных с ним процессов.
Технический результат достигается тем, что в известном авиационном способе подавления развития мощных конвективных облаков, при котором с помощью наземного радиолокатора выявляют потенциально опасное облако, по визуальным наблюдениям с самолета определяют цепь питающих его конвективных ячеек, затем проводят активное воздействие на питающие конвективные ячейки и основное облако, отличающийся тем, что воздействие осуществляют сбросом порций грубодисперсно-гигроскопического реагента в вершины облаков для формирования в них нисходящих потоков в такой последовательности: вначале разрушают всю цепь питающих конвективных ячеек на любой стадии их развития, начиная со стороны основного облака к периферии, а затем подавляют развитие основного облака, причем воздействие проводят без использования кристаллизующих реагентов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1а показана обобщенная схема горизонтального сечения, а на фиг.1б - вертикального сечения облачной системы мощного конвективного облака, составленная по результатам радиолокационных наблюдений [8].
На фиг.1а схематически показаны положения нисходящих потоков на переднем (ПНП) и заднем (ЗНП) краях облака. Сплошной линией показан контур радиоэха от осадков, имеющий в ЗНП вид крюка. Области нисходящих и восходящих потоков показаны соответственно стрелками и штриховой линией, Т - наиболее вероятное место зарождения торнадо. На фиг.1б в вертикальной плоскости сечения по линии А-А схематически показаны линии тока восходящего потока и его растекание в верхней части облака; линии тока нисходящего потока и его растекание у земли; область формирования повышенного давления воздуха у земли.
Мощное конвективное облако, схематически показанное на фиг.1а и 1б, является открытой системой, создающей непрерывный поток и движущейся влево или вправо от направления тропосферного ветра вследствие взаимодействия с окружающей атмосферой.
Восходящий поток, питающийся воздухом пограничного слоя, проходит через облако. В нем происходит конденсация и выделяется скрытая теплота парообразования. Замерзание облачных капель выше уровня изотермы 0°С приводит к высвобождению скрытой теплоты и увеличению плавучести слоя поднимающегося воздуха. Быстро поднимающийся воздух создает под основным куполом облака зону низкого давления, в которой за счет охлаждения насыщенного влагой околооблачного воздуха образуются облачные валы. Именно в этой области ниже основания облака и расположены интенсивные восходящие потоки и отмечены наиболее интенсивные торнадо. Интенсивный восходящий поток проникает в нижнюю стратосферу в область с большой отрицательной плавучестью и над облаком образуется возвышающийся купол (фиг.1б). Выше тропопаузы атмосфера сухая, устойчиво стратифицирована, и на восходящий поток действует большая отрицательная сила плавучести, возвращающая его обратно к тропопаузе, образуя наковальню как с наветренной, так и с подветренной стороны.
Нисходящий поток содержит большое количество сухого холодного воздуха, который турбулентно перемешивается с воздухом восходящего потока. На границе их соприкосновения образуется перепад давления, который может вызвать отклонение потока сухого воздуха в зону осадков.
Имеются две самостоятельные зоны нисходящих потоков: (1) - на переднем краю (ПНП) и (2) - на заднем краю (ЗНП) мощно-кучевого облака. Падающие из наветренной стороны наковальни осадки могут увлечь за собой воздух из восходящего потока и увеличить ПНП. Этот усиливающийся, благодаря испарению, нисходящий поток показан на фиг.1а штриховыми линиями, начинающимися под подветренной частью наковальни и направленными вниз.
Нисходящий поток на заднем краю облака (ЗНП) возникает на верхних уровнях облака или в средней атмосфере. Если относительная влажность воздуха в нисходящем потоке меньше 100%, то облачные частицы и мельчайшие капли дождя быстро испаряются, оставляя после себя почти безоблачный столб. Нисходящий поток приводит к образованию у поверхности земли области пространства с плотностью больше плотности окружающего воздуха. Быстрое растекание воздуха приводит к образованию линии шквалов и мощному облачному валу с разорванными краями на протяжении нескольких километров позади линии шквалов. Холодный влажный воздух линии шквалов, дрейфуя с юго-западным ветром, объединяется с восходящим потоком и формирует новые питающие конвективные ячейки (ПКЯ). Они постепенно растут, вовлекая приземный воздух окружающего пространства, и накапливают достаточно высокий водозапас. Эти облака втягиваются восходящим потоком в основное градовое облако и, постоянно подпитывая его, стимулируют рост самого облака и его градообразующие возможности.
Исходя из больших размеров и мощности грозоградовых облаков, экспериментальных и теоретических работ по их исследованию и описанной схемы динамических процессов, выявляется возможность реализовать авиационный способ подавления развития мощных конвективных облаков следующим образом: необходимо вначале ослабить питание облака влагой и теплым воздухом, а затем сформировать в куполе основного облака нисходящий поток, который должен окончательно подавить развитие процесса.
Ослабить питание облака можно подавлением ПКЯ и снижением температуры и влажности восходящего потока.
Подавляют ПКЯ формированием нисходящего потока путем внесения в их вершину компактных порций грубодисперсно-гигроскопичного реагента. В начальный момент под действием силы тяжести компактная порция реагента приобретает значительную скорость, одновременно конусовидно расширяясь при падении. Гигроскопичные частицы реагента, поглощая водяной пар и коагулируя с облачными частицами, насыщаются влагой, увеличивают свой вес и вовлекают прилегающий к ним воздух, формируя нисходящий поток. Вовлекаемый воздух холоднее нижележащих слоев, поэтому нисходящий поток получается устойчивым. Конвективная ячейка разрушается. Выпавшие из нее осадки испаряются с поглощением скрытой теплоты парообразования, что вместе с пришедшим сухим и холодным нисходящим потоком ПКЯ значительно снижает температуру приземной части восходящего потока мощно-кучевого облака, а значит, и его интенсивность. Процесс воздействия авиационным способом должен осуществляться в такой последовательности. С помощью наземного радиолокатора выявляют наиболее опасные грозоградовые облака. Определяют направление и скорость их перемещения и выделяют из них облака, требующие проведения активных воздействий. Затем по визуальным наблюдениям с самолета определяют цепь ПКЯ основного облака. Далее заводят воздействующий самолет на линию ПКЯ со стороны основного облака и проводят их подавление путем формирования нисходящих потоков сбросом упаковок грубодисперсного реагента в вершины ПКЯ. Воздействие осуществляют на любой стадии развития ПКЯ без использования кристаллизующих реагентов, не ожидая развития слабых ячеек выше нулевой изотермы, как этого требует методический подход прототипа. Воздействие проводят до полного подавления всей цепи питающих конвективных ячеек. Затем, поднявшись над вершиной основного облака, сбрасывают грубодисперсный реагент в его купол, пользуясь при необходимости коррекцией наземного радиолокатора. Количество сбрасываемого реагента зависит от стадии развития облака и его мощности.
Преимущества описанной технологии следующие:
1. Используемый для воздействия грубодисперсно-гигроскопичный реагент действует на облачную среду по гигроскопичному и коагуляционному механизмам, поглощая на пути своего падения как жидкокапельную, так и парообразную влагу. Это способствует росту увлечения облачного воздуха и интенсивности нисходящего потока.
2. Воздействие на ПКЯ без использования кристаллизующих реагентов формированием нисходящего потока путем сброса грубодисперсного реагента позволяет осуществлять подавление облаков на любой, в том числе и ранней, стадии их развития (не ожидая достижения стадии льдообразования), т.е. когда облака еще слабы и легко поддаются регулированию.
3. Температура и влажность нисходящего потока, разрушающего ПКЯ, намного ниже приземных значений. Поэтому воздух нисходящего потока снижает температуру и влажность приземного воздуха непосредственно в области восходящего потока. Этому же способствует испарение выпадающих капель воды из облака. Вследствие этого уменьшаются величина и скорость восходящего потока основного мощного конвективного облака.
4. После разрушения ПКЯ без использования кристаллизующих реагентов в атмосфере не остаются ледяные кристаллы, которые могли бы вовлекаться в основное облако и активизировать его (как это отмечается у прототипов), так как эти облака разрушаются до достижения ими стадии льдообразования.
5. В результате воздействия масса облачной воды ПКЯ обрушивается на землю и основное облако теряет значительную долю своей подпитки, а значит, ослабевает и потому существенно легче поддается разрушению.
6. Формирование нисходящего потока в области купола мощного конвективного облака приводит к подавлению основного восходящего потока, обрушению большой части облачной воды, которая, испаряясь у поверхности земли, и, смешиваясь (вместе с сухим холодным воздухом нисходящего потока, пришедшего из верхних слоев тропосферы) с приземным воздухом, еще больше снижает неустойчивость атмосферы, а следовательно, и мощность, и скорость восходящего потока.
Описанные преимущества предлагаемого способа подавления развития мощных конвективных облаков являются существенными и отличительными признаками заявляемого изобретения от прототипа.
Источники информации
1. Абшаев М.Т. О новом методе воздействия на градовые процессы. - Труды ВГИ, вып.72, 1989, с.14-28.
2. Бибилашвили Н.Ш., Бурцев И.И., Серегин Н.А. Руководство по организации и проведению противоградовых работ. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981, с.168.
3. РД 52.37.596-98. Инструкция. "Активное воздействие на градовые процессы". Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. М., 1998.
4. РД 52.11.678-2006. Методические указания. Проведение работ по искусственному подавлению развития конвективных облаков самолетными средствами. М., Метеоагентство Росгидромета, 2006 г.
5. В.Foote. Director Research Applications Program. National Center for Atmospheric Research USA. A review of hail science, hail suppression and critical issues for moving forward. Krauss T.W. Weather Modification Inc. Fargo, North Dakota, USA Red Deer, AB, Canada. Aircraft Seeding Technology & Outstanding Issues in Hail Suppression. // Reports of the WMO Meeting of express to review the present status of hail suppression research. - Nalchik - Russia - 27 September - 2 October 2003.
6. Способ активного воздействия на градовые облака. Патент РФ 2066527, A 01G 15/00 от 20.09.1996.
7. Pruppacher Н, Klett J.D. Microphysics of Clouds and Precipitaaion. D. Reidel. Publ. Co., 1978, 714 р.
8. Довиак P., Зрнич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения/Пер. с англ. - Л., Гидрометеоиздат, 1988.