СПОСОБ КОРРЕКЦИИ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЙ
METHOD OF CORRECTING WEATHER CONDITIONS

Изобретение относится к области метеорологии и может найти применение в региональных Центрах МЧС для изменения динамики атмосферных процессов.
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 них - это создание условий, выполняющих роль «спускового крючка» для запуска естественных лавинных процессов. Инициирование подобных процессов приводит к сдвигу аномального «зависания» циклонов или антициклонов и восстановлению нормальной циркуляции воздуха в регионе.
Известен «Способ инициирования струйных течений в атмосфере», патент RU 2502.255, 2013 г. - аналог.
В способе-аналоге осуществляют длительное воздействие восходящим конвективным потоком ионов от системы излучателей, поднятых над Землей и разнесенных по площади, образуемого завихрением магнитным полем генерируемых коронирующими электродами ионов и их канализацией посредством соленоидов в каждом излучателе при пропускании через них тока коронирования и разогрева потока ионов электромагнитным полем на длине волны больше критической, для создаваемой плотности концентрации в объеме соленоидов, за счет соосного их охвата элементами спиральной антенны с осевой результирующей диаграммой направленности.
Недостатками аналога являются:
- ограниченность ресурсов наземной установки для экспресс воздействия на метеопроцессы;
- способ применим только для вызывания осадков, разрушения или сдвига антициклонов.
2
Для разрушения мощных циклонов, вызывающих стихийные бедствия (наводнения, торнадо) необходим источник, соизмеримый с ними по энергии. Таким источником является поток солнечной радиации. Энергия потока на границе космос-атмосфера составляет порядка ~1,5 - кВт/м, отражая или фокусируя который можно влиять на состояние климата на Земле. Между космосом и атмосферой, на высотах от 80 до 420 км находятся ионосферные слои. Изменяя оптические свойства ионосферы, путем ее зондирования на частотах ниже критической (F<20 МГц), чтобы излучаемая мощность поглощалась ионосферой, можно регулировать мощность потока солнечной радиации в широких пределах. Известна «Антенна для зондирования ионосферы», патент RU 2504054, Бюл. №1 от 10.01.2014 г. - ближайший аналог.
Антенна для зондирования ионосферы выполнена в виде двух, скрещенных в ортогональных плоскостях, ромбов, с длинами ребер 58 м одного и 26 м второго ромба, подвешенных на опорной мачте из композитного материала высотой 32 м, создающей геометрию главной диагонали ромбов и двух пар вспомогательных мачт, высотой 9 м, для подвески вторых углов ромбов, растяжек расчаливания механического крепления мачт из полимерного материала и жил токонесущих проводов ромбов, расположенных по образующим цилиндра в качестве излучателей антенны, нагруженных на общее сопротивление, согласованное для режима бегущих волн в излучателях, подключенное к многолучевому заземлителю, выполненному по параллельной схеме, для режима зеркального противовеса.
Технический результат: ориентация диаграммы направленности в зенит, перекрытие всего диапазона волн зондирования, при постоянном коэффициенте усиления, расширение срока эксплуатации в несколько раз.
Недостатком ближайшего аналога следует считать необходимость реализации особого режима зондирования и расчетного значения параметров (соотношения мощности, частоты, диаграммы направленности) для управления оптическими свойствами ионосферы.
Задача, решаемая заявленным техническим решением, состоит в создании оптической линзы в слоях ионосферы для фокусирования и регулирования мощности падающего на поверхность Земли светового потока.
Технический результат достигается тем, что в способе коррекции погодных условий осуществляют длительное воздействие на локальную область атмосферы, тепловым лучом сфокусированного солнечного потока, посредством оптической линзы, многокилометровых размеров, создаваемой в ионосфере при воздействии на нее направленным лучом СВЧ излучения на частоте ниже критической с изменяемой длиной волны и мощностью излучения для регулирования диэлектрической проницаемости ионосферы так, чтобы фокальная плоскость создаваемой линзы располагалась у поверхности Земли.
Изобретение поясняется чертежами, где
фиг.1 - распределение по вертикали электронной концентрации в слоях ионосферы;
фиг.2 - диаграммы направленности антенны бегущих волн из двух скрещенных ромбов: а) ромб 1; б) ромб 2; в) результирующая;
фиг.3 - конфигурация и размеры оптических линз в слоях ионосферы;
фиг.4 - зависимость коэффициента преломления линзы от температуры разогрева ионосферы;
фиг.5 - функциональная схема устройства, реализующего способ,
фиг.5а; фиг.5б - вид антенны зондирования сверху.
11
12
3
Техническая сущность способа состоит в следующем. Под действием космических излучений в атмосфере выше 60 км постоянно существуют области повышенной ионизации (слои Д, Е, F) с электронной концентрацией N порядка 10…10 1/м [см, например, «Космонавтика, Энциклопедия» под редакцией В.П. Глушко, Изд-во Советская энциклопедия, М, 1985 г., Ионосфера, стр.142].
Типичное распределение по вертикали электронной концентрации в слоях ионосферы иллюстрируется графиком фиг.1. В соответствии с уравнениями Максвелла [см., например, «Физический энциклопедический словарь», под редакцией А.М. Прохорова, Изд-во Советская Энциклопедия, М, 1983 г., стр.389-391, Максвелла уравнения] при распространении электромагнитных волн в ионизированном газе, диэлектрическая проницаемость последнего носит комплексный характер:
где ν - количество столкновений ионов в единицу времени;
ρ=Ne - объемный заряд;
откуда:
-19
y1
Подставив значения физических величин, заряд e=1,6∙10 K,
,
получены значения:
ω - частота сигнала СВЧ зондирования.
kp
9
2
2
Для частот СВЧ зондирования F<20 МГц и количества соударений ν≅10 сек. [см., например, Г.А. Зисман, О.М. Тодес «Курс общей физики» учебник, Физматгиз, Из-во Наука, М, 1964 г., §25 «Число столкновений и длина свободного пробега молекул», стр.130-133] выполняется условие ω<<ν, диэлектрическая проницаемость ионизированного газа меньше единицы:
<mover accent="true"><mi>c</mi><mo>¯</mo></mover>
<mrow><mi>ν</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>c</mi><mo>¯</mo></mover><mo>/</mo><mi>l</mi></mrow>
В свою очередь количество соударений зависит от средней скорости молекул газа
и длины свободного пробега l:
<mrow><mover accent="true"><mi>c</mi><mo>¯</mo></mover><mo>~</mo><msqrt><mrow><mi>T</mi><mo>°</mo><mi>K</mi></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><msqrt><mrow><mi>T</mi><mo>°</mo><mi>K</mi></mrow></msqrt></mrow>
Поскольку средняя скорость движения молекул пропорциональна температуре
[см., там же, стр.125], то количество соударений ν так же пропорционально
. Зондируя ионосферу мощным СВЧ излучением, на частотах ниже критической (при полном поглощении СВЧ излучения ионосферой) происходит нагревание ионосферы и увеличение количества соударений ν, что вызывает изменение диэлектрической проницаемости слоев ионосферы.
От диэлектрической проницаемости ε изменяется коэффициент преломления:
Изменяя мощность и частоту зондирования представляется возможность регулировать коэффициент преломления ионосферы. В устройстве ближайшего аналога для зондирования ионосферы используют ромбическую антенну бегущей волны, коэффициент направленного действия которой Д определяется формулой:
[см., например, А.Л. Драбкин, В.П. Зузенко и др. “Антенно-фидерные устройства”. Сов. радио, М., 1961 г., стр.369],
где ρ - поглощающее сопротивление на конце антенны, порядка 600-800 Ом;
η - коэффициент полезного действия ромбической антенны, порядка 60…75%;
0
φ - угол ромба между стороной l и главной диагональю;
k - волновое число 2π/λ.
При изменении длины волны зондирования λ, изменяется ширина диаграммы направленности антенны и мощность, поглощаемая в каждой точке ионосферы. Форма диаграммы направленности антенны с осевой симметрией двух скрещенных в ортогональных и плоскостях ромбов иллюстрируется рисунком фиг.2. Диэлектрическая проницаемость ионосферы в каждой точке пространства из-за разной мощности СВЧ зондирования повторяет форму диаграммы направленности антенны зондирования, т.е. в ионосфере образуется оптическая линза. Изменения формы и размеров оптической линзы иллюстрируется рисунком фиг.3.
Оптическая сила линзы, диоптрия, величина, обратная фокусному расстоянию F, рассчитывается из соотношения [см., П.С. Жданов, Учебник по физике, Изд-во «Наука, Физматгиз», М, 1978 г., стр.393]
,
1
2
где n, n - коэффициент преломления среды и линзы;
1
2
R, R - радиусы сферических поверхностей линзы.
2
1
Поскольку фокальная плоскость линзы должна располагаться у поверхности Земли, то фокусное расстояние F должно соответствовать высоте слоя ионосферы, что составляет ~300…400 км. При радиусах сферических поверхностей линзы несколько км, разница (n-n) должна составлять десятые и сотые доли единицы. Это соотношение выполняется при разности температур стационарного и возбужденного облучаемого с Земли слоя ионосферы: .
1
2
1
Зависимость относительного изменения коэффициента преломления линзы от относительного изменения температуры иллюстрируется графиком фиг.4 [По результатам измерений на МКС, температура открытого космоса на высоте слоев ионосферы F F составляет T~ -90°C, или ~180K]. Расчетные значения мощности СВЧ зондирования для реализации требуемых температур разогрева ионосферы представлены в примере реализации.
Пример реализации способа.
Заявленный способ реализуется посредством устройства, функциональная схема которого представлена на рисунке фиг.5 (а, б). Функциональная схема, фиг.5а, содержит радиопередатчик 1, работающий в режиме параметров излучения (частота, мощность, угол зондирования) для создания оптических линз в ионосфере, нагруженный на ромбическую антенну бегущих волн 2, образованную двумя скрещенными в ортогональных плоскостях ромбами 3, 4 (фиг.5б), с лучами (сторонами) 5, 6, 7, 8, для увеличения диапазонности выполненными в виде диполей Надененко, подвешенных на высокой мачте 9 из композитного материала, выполняющей роль главной диагонали ромбов, вспомогательных мачт 10, 11 растяжки ромбов, общего волнового сопротивления 12, заземлителя 13, выполненного из стандартных свайных труб (см. ближайший аналог) для создания в лучах ромбов режима зеркального отражения электромагнитного поля от поверхности Земли.
Расчетный режим излучения передатчика включает выбор частоты
<mrow><mi>F</mi><mo>≤</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>9</mn><msqrt><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow>
max
, N - максимальная электронная концентрация слоя ионосферы, мощности (P) и ширины диаграммы направленности антенны f(φ).
В первом приближении можно считать, что радиус кривизны создаваемых оптических линз зеркально отображает радиус кривизны диаграммы направленности антенны. Для ромбической антенны и антенны бегущей волны известны аналитические выражения диаграмм направленности [см., например, А.Г. Драбкин, В.Л. Зузенко «Антенно-фидерные устройства», учебник Сов. радио, М, 1961 г., стр.366-369, Ромбическая антенна, стр.371-372, Антенна бегущей волны].
φ - угол, отчитываемый от оси диаграммы направленности;
<mrow><mi>ξ</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>λ</mi><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
1
- коэффициент укорочения длины волны в линии (λ) относительно длины волны в воздухе λ, ξ≈1,25;
L - длина антенны,
k - волновое число, равное 2π/λ.
Имеется аналитическое выражение для диаграммы направленности ромбической антенны. Для диаграммы направленности антенны бегущей волны из двух скрещенных ромбов аналитическое выражение отсутствует. Поэтому использован графоаналитический метод расчета результирующей диаграммы направленности используемой антенны, представленный на рисунке фиг.2 (согласно ближайшего аналога).
По известной функции, аналитическими методами может быть рассчитан и радиус ее кривизны [см., например, Н.С. Пискунов «Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов», учебник, 5-е издание, Наука, М, 1974 г., стр.200].
Графоаналитический метод расчета радиуса кривизны результирующей диаграммы направленности антенны (фиг.2) дает результат ≈10° R=30 км, для высоты ионосферного слоя F, равной ≈300 км.
Чтобы фокальная плоскость образуемой линзы находилась на поверхности Земли, должно выполняться соотношение:
2
2
откуда (n-n)≅0,1.
2
1
2
1
Из графика фиг.4 температура разогрева ионосферного слоя, для выполнения условия (n-n)=0,1 составляет 220K, или прирост температуры ΔT=T-T=40K.
Если считать, что
0
max
15
3
12
3
27
при толщине слоя F [350-200 км (высота слоя E)] Δh=150 км и ширине диаграммы направленности антенны на уровне 0,1 от «max», 2Q=30° объем пространства (в форме усеченного конуса) составит ≈1,5∙10 м и апертуре создаваемой линзы ~100 км. При известной электронной концентрации слоя F ионосферы N=2·10 1/м количество ионов во всем зондируемом объеме составит 3·10.
23
27
23
В одном моле любого газа содержится число Авогадро молекул (6,8·10) или количество разогреваемого газа в зондируемом объеме: 3,0·10/6,8·10=5 кмоль.
В соответствии с уравнением Менделеева-Клапейрона, для нагревания любого газа на один градус необходимо затратить энергию ~2 ккал/кмоль·град. Для разогрева всего зондируемого объема газа на 40K необходимо затратить 4.00 ккал. Учитывая, что одна ккал эквивалентна 4,18 кДж работы, на разогрев ионосферного слоя необходимо затратить энергию ~5 кВт/ч.
Способ может быть реализован на существующих технических средствах, например на базе антенны ближайшего аналога и передающего устройства войсковой радиостанции типа P110 мощностью в непрерывном режиме излучения 10 кВт.
Эффективность способа характеризуется возможностью разрушения «зависших» циклонов. Технические условия использования способа должны разрабатываться по результатам практических экспериментов.