Инициирование локальных лавинных процессов в атмосфере

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

Все эти явления можно объяснить с учетом высказанных соображений, а именно: УСВ всегда возвращает падающее на него излучение обратно к источнику. При этом излучение от биологического объекта взаимодействует с отраженным от зеркальных граней УСВ излучением. Происходит когерентное сложение излучаемой и отраженной электромагнитных волн, в результате чего изменяется фазовый образ электромагнитного поля биологического объекта, его пространственные и поляризационные характеристики. Взаимодействие эмбрионов, находящихся на одной стадии развития, взаимовлияние разновозрастных и разновидных организмов может объясняться тем, что собственное электромагнитное поле подавляется прямым отражением от уголкового светоотражателя. Во всех случаях УСВ играет роль искажающего фактора, вносящего определенный дисбаланс в собственное электромагнитное поле выбранных объектов. В процессе передачи от одного биологического объекта к другому происходит изменение информации о характере развития биологической системы. Биологический объект с подавленным собственным полем готов принять излучение соседнего объекта как значимое.

Библиографический список

1. Бурлаков А.Б. Поляризационные эффекты при дистантном взаимодействии / А.Б. Бурлаков, О.В.

Бурлакова, Ю.Н. Королев, В.А. Голиченков // Вестник МГУ, сер. Биология, 2002. - № 2. - С. 3-7.

2. Бурлаков А.Б. Оболочки зародышей низших позвоночных как активно перестраивающиеся оптические фильтры в среде обитания / А.Б. Бурлаков, О.В. Бурлакова, Ю.Н. Королев и др. // Тр. VII межд. научно-технич. конф. «Оптические методы исследования потоков». - М., 2003. - С. 397-400.

3. Бурлаков А.Б. Механизм взаимодействия биологических объектов / А.Б. Бурлаков, Ю.С. Капранов, Г.Э. Куфаль, С.В. Перминов // Электромагнитные волны и электронные системы, 2010. - Т 15.

- № 11. - С. 44-53.

4. Бурлаков А.Б. Коррекция развития биологических объектов при помощи уголковых световозвращателей в условиях космического полета / А.Б. Бурлаков, Ю.С. Капранов, Г.Э. Куфаль, С.В. Перминов и др. // Материалы IV Международной научной конференции «Системный анализ и прикладная синергетика» (ССПС-2011). - Таганрог: ТГИ ЮФУ, 2011. - С. 418-426.

5. Бурлаков А.Б. Управление дистантным взаимодействием биологических объектов при помощи оптических приборов. Анализ механизмов взаимодействия / А.Б. Бурлаков, О.В. Бурлакова, Ю.С. Капранов, ГЭ. Куфаль и др. // Электромагнитные волны и электронные системы, 2005. - Т 10. - № 1-2. - С. 57-65.

6. Бурлаков А.Б. Изменение биосинтеза антоциана и роста клеток эмбриональных меристем зерновой пшеницы на разных этапах первой фенологической фазы при прямом оптическом взаимодействии / А.Б. Бурлаков, Г.В. Чернова, И.В. Матюхин, А.С. Бурцев // Биология: Теория, практика, эксперимент: Международная научная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения д-ра биол. наук, проф. Сапожниковой Е.В. - Саранск, 2008

- Кн. 1. - С. 123-130.

ИНИЦИИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ ЛАВИННЫХ

процессов в атмосфере

В.Ф. ДАВЫДОВ, академик РАЕН, проф. каф. БЖДМГУЛ, канд. техн. наук,

Ю.П. БАТЫРЕВ, ст. научн. сотр. ИСИЛМГУЛ, канд. техн. наук

batyrev@mgul.ac.ru

- электрический метод генерации в атмосферу ионов коронирующего электрического разряда.

В атмосфере всегда присутствуют водяные пары, концентрация которых зависит от температуры воздуха. Зависимость концентрации водяного пара в ат-

Известно два основных способа изменения естественной циркуляции воздуха при антициклональных и циклональных погодных условиях:

- рассеивание в облаках химических реагентов с самолетов либо их обстрел высокочастотным оружием;

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2013

61

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

мосфере воздуха иллюстрируется графиком рис. 1.

Такая концентрация водяного пара потенциально создает возможность инициирования осадков в количестве десятков мм на м2.

Энергия атмосферных процессов столь велика, что использование прямых методов воздействия на них, с энергетической точки зрения, невозможно. Основной принцип, который реализуется при активных методах воздействия на метеопроцессы - это создание условий, выполняющих роль «спускового крючка» в запуске естественных лавинных процессов. Критические значения параметров характеризуются так называемым числом Ричардсона, которое определяется градиентами температуры и скорости ветра в облачных слоях [1].

Основными факторами, определяющими процесс инициирования течений в атмосфере, являются плотность ионной концентрации и градиент температуры конвективного потока. Установленным является физическое явление гидратации первичных ионов, состоящее в присоединении дипольных молекул воды (из водяного пара воздуха) к несущим электрический заряд ионам. Процесс гидратации и последующей коагуляции сопровождается выделением энергии (скрытой теплоты испарения), что и создает конвективный поток в тропосфере [2].

Быстротечность процесса зависит от длительности воздействия и плотности концентрации носителей заряда. Плотность концентрации достигается величиной напряжения на коронирующих электродах, количеством излучателей как это иллюстрируется рис. 2, а также канализацией потока генерируемых ионов в одном, преимущественном направлении. Канализация потоков ионов достигается их завихрением в магнитном поле, для чего коронирующие электроды помещают в торец соленоида.

Внутренняя энергия газовых молекул определяется их температурой, средняя величина которой составляет 3/2 кТ. Весь диапазон скоростей молекул задается Максвелловским распределением и иллюстрируется рис. 3.

Рис. 1. Зависимость концентрации водяного пара в атмосфере от температуры

Рис. 2. Зависимость тока коронирования от напряжения на коронирующих электродах и их количества

Рис. 3. Максвелловское распределение молекул по скоростям

Рис. 4. Завихрение ионов магнитным полем

62

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2013

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

Известно, что на движущуюся заряженную частицу в магнитном поле действует сила Лоренца [3]

^.м=?х^х5,

где q - величина заряда частицы, v - вектор движения,

В - вектор индукции магнитного поля.

Сила Лоренца не совершает работы, а лишь искривляет траекторию движения заряженной частицы. Завихрение движения частицы в магнитном поле иллюстрируется рис. 4.

Завихрение происходит по винтовой линии, радиус кривизны которой определяется из соотношения

R=m*v

q

где m - масса аэроиона воздуха.

Кроме завихрения, аэроион приобретает преимущественное направление перемещения вдоль линий напряженности магнитного поля. При известных постоянных значениях величин q, m, v аэроиона радиус завихрения R зависит только от выбора значений величины В. Напряженность магнитного поля на оси соленоида при величине тока корониру-ющего электрода - 10 мкА - полностью определяется конструктивными размерами соленоида: числом витков, диаметром навивки, длиной. При значениях тока коронирования 10 мкА полное завихрение аэроионов внутри соленоида обеспечивается при следующих конструктивных размерах: диаметр навивки

1,5 м, длина 1 м, число витков n = 10. Соленоид функционально выполняет роль «рупора», позволяющего канализировать поток аэроионов в одном из преимущественных направлений, совпадающих с осью соленоида. Благодаря канализации потока аэроионов обеспечивается их более высокая концентрация. Для создания температурного градиента в потоке ионов осуществляют разогрев ионов высокочастотным электромагнитным полем путем соосного охвата соленоидов витками спиральной антенны, подключенной к передатчику. Нагревание потока ионов приводит к расширению газа, снижению его плотности и к созданию вертикального струйного течения в тропосфере. Диэлектрическая проницае-

мость ионизированного газа носит комплексный характер. При определенной частоте ионизированный газ ведет себя как диэлектрик с потерями [4]. Энергия электромагнитного поля, излучаемого антенной, превращается в тепловую энергию ионизированного газа. Для эффективного преобразования энергии электромагнитного поля в тепловую энергию нагревания ионов в объеме соленоидов необходимо, чтобы его частота была меньше критической. Критическая частота, при которой ионизированный газ ведет себя как диэлектрик с потерями, задается соотношением

где N - концентрация ионов [1/м3].

При токе коронирования ~ 10 мкА, заряде иона g = —1,6—10-19 Кл их концентрация в объеме соленоида (7 м3) составляет N ~ 8 * 1012 9 а критическая частота f < 25 Мгц, длина волны X > 12 м. Диаграмма направленности спиральной антенны имеет осевую симметрию при соотношении длины витка спирали — L/к в пределах от s до 4/3 [5]. Отсюда расчетный радиус витка спиральной антенны для соосного охвата соленоида составит R ~ 2 м. По закону Джоуля-Ленца, количество тепла, выделяемого в единицу времени в единице объема [дж/сек*м3], пропорционально удельной проводимости (ионизированного газа) [g] и квадрату электромагнитной напряженности Е [В/м].

Создавая необходимую напряженность электромагнитного поля высокочастотного генератора, питающего антенну, обеспечивают заданный градиент температуры ионного потока на выходе соленоидов.

Устройство для реализации (рис. 5) содержит высокую опорную мачту 1 (из композитного диэлектрического материала), на вершине которой на консолях 2 установлены единичные излучатели 3, каждый из которых содержит коронирующий электрод 4, выполненный в виде соленоида 5, с венчиком игл 6 на конце, помещенных в нижний торец соленоида. Витки соленоида соосно охвачены витками спиральной антенны 7 с рефлектором 8. Коро-нирующие электроды излучателей подключены к высоковольтному источнику питания 9, а элементы спиральной антенны подключены

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2013

63

о—о—о

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

Рис. 5. Устройство для реализации локальных лавинных процессов в атмосфере

64

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2013

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

Рис. 6. Проводимость ионизированного газа в зависимости от плотности электронной концентрации

к передатчику электромагнитных волн 10. Для создания результирующей осевой диаграммы направленности спиральных антенн излучатели симметрично разнесены на концы консолей

2. Мачта 1 снабжена молниеотводом 11. Передатчик, источник питания и молниеотвод подключены к заземлителю 12.

Устройство функционирует следующим образом. При антициклональных условиях на местности выбирают возвышенный участок и разворачивают на нем устройство, осуществляя подъем вышки-мачты и размещение оборудования. Эффективность применения устройства зависит от плотности ионной концентрации в потоке, мощности электромагнитного поля в спиральной антенне и длительности излучения.

Плотность ионной концентрации определяется количеством коронирующих электродов и напряжением питающего источника. Рабочее напряжение на коронирующих электродах Vpa6 порядка 100 кВ, что создает ток корониро-вания ~ 10 мкА с концентрацией ионов в потоке одного излучателя ~ 8*1012 1/м3. Проводимость ионизированного газа (при критических длинах волн) определяется из соотношения _е2 Nxg

8 т (v2+g2)xE„ где e - заряд и m - масса иона;

N - концентрация 1/м3;

ю2 - частота электромагнитного поля разогрева потока;

Y - число соударений газовых молекул;

Е0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, 0,885-Ю11 [Ф/м].

Проводимость ионизированного газа от плотности концентрации носителей в диа-

пазоне критических длин волн иллюстрируется рис. 6.

Расчетная мощность в элементе антенны единичного излучателя, обеспечивающая температурный градиент ионного потока, составляет ~ 300 Вт. Элементы устройства выполнены на существующей технической базе. В качестве передатчиков могут использоваться передающие устройства войсковых радиостанций типа Р-102М и Р-110, мощность излучения которых соответственно - 1 и 5 кВт. Повышенное напряжение на коронирующих электродах (до 100 кВ) обеспечивается применением в конструкции мачты полимерных материалов высокой электрической стойкости и долговечности научно-производственного предприятия «Прикладные перспективные технологии» АпАТэк [6].

Эффективность устройства достигается за счет реализации критических значений параметров ионного потока. При вышеприведенных значениях параметров достигается сдвиг антициклонов и их разрушение за время работы устройства 3-12 часов.

Библиографический список

1. Труды института прикладной геофизики им. академика К.Е. Федорова, РАН, вып. 90. - М.: Госгид-ромет, 2011. - С. 149-150

2. Лаверов Н.П. Использование теплового эффекта для дистанционной диагностики радиоактивного заражения окружающей среды / Н.П. Лаверов // Доклады Академии Наук - сер. Геофизика, 2011. - Т 441. - С. 1-4.

3. Советский энциклопедический словарь, под ред. A.M. Прохорова. - М.: Советская энциклопедия, 1989. - С. 735.

4. Советский энциклопедический словарь, под ред. А.М. Прохорова. - М., Советская энциклопедия, 1979. - С. 402.

5. Драбкин A.JI. Антенно-фидерные устройства, учебник / A.JI. Драбкин, B.JI. Зузенко. - М.: Сов. Радио, 1967. - С. 688-694.

6. Прикладные перспективные технологии АпАТэк. http://www.apatech.ru.

7. Бурков В.Д. Оптические методы контроля утечек газовых выбросов в задачах мониторинга атмосферы / В.Д. Бурков, Д.Г Щукин, И.М. Степанов. // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2012. - № 6 (89). - С. 4-17.

8. Давыдов В.Ф., Комаров Е.Г. Решение о выдаче патентов на изобретение по Заявкам № 2012117742, № 2012117743 «Способ инициирования лавинных процессов в атмосфере».

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2013

65