СПОСОБ БОРЬБЫ С ЗАСУХОЙ ИСКУССТВЕННЫМ ВЫЗЫВАНИЕМ ОСАДКОВ
METHOD OF COMBATING DROUGHT WITH ARTIFICIAL INDUCING OF RAINFALL

Изобретение относится к разделу прикладной метеорологии активные воздействия (АВ) на гидрометеорологические процессы. Объектом АВ является засуха. Засуха - опасное природное явление, связанное с недостаточным количеством осадков в течение длительного времени, в результате чего иссякают запасы влаги в почве и создаются неблагоприятные погодные условия. Значительный ущерб длительные засухи наносят сельскохозяйственному производству, состоянию лесов, водным ресурсам, состоянию здоровья людей и т.п. Ущерб от засух по данным ООН превышает 20% общего ущерба наносимого всеми природными катаклизмами. Между тем возможности борьбы с засухой используются не в полной мере для предотвращения или снижения интенсивности ее последствий.
Методы АВ на природные процессы непрерывно совершенствуются, но практически используются преимущественно в ограниченном количестве и в основном в научно-исследовательских целях. Неизменным остается состав реагентов, используемых для АВ в целях кристаллизации переохлажденных капель воды: - это хладореагенты (углекислота, азот, пропан), йодистое серебро и др., активность которых наступает при отрицательных температурах. У каждого из этих реагентов есть свои преимущества и недостатки, но нет универсальности для искусственного регулирования осадков, особенно из теплых облаков при температуре более 0°С.
Конвективные облака представляют собой неустойчивую коллоидальную систему, в которой достаточно небольшого вмешательства в ее естественное развитие, чтобы вызвать осадки. Применение электрически заряженных реагентов (искусственных ионов) оказывается гораздо более эффективным, чем применение незаряженных реагентов. Роль электрических сил в развитии облаков может быть выражена в укрупнении облачных элементов и, соответственно, в интенсификации осадкообразующего механизма. Последнее особенно существенно при воздействии на теплые облака, так как в последние годы ощутимый прогресс в вопросах активного воздействия на теплые облака был достигнут электрическими методами [1].
Методы борьбы с засухой можно условно разделить на пассивные и активные. К пассивным следует отнести агротехнические, мелиоративные, создание лесозащитных насаждений и др. Активные методы заключаются в искусственном воздействии на гидрометеорологические условия с целью искусственного вызывания осадков, создания искусственных облачных образований для ослабления жары и др.
Первые попытки искусственного вызывания осадков были предложены во время катастрофической засухи 1891-1892 гг. в России, которая наблюдалась при осадках на 80% ниже нормы. Российское правительство обратилось ко всем странам с просьбой о помощи в вызывании осадков. В результате было сделано первое изобретение [2], положившее начало искусственного вызывания осадков твердой углекислотой, научное обоснование которого было сделано только в 1946 г.
Известен способ борьбы с засухой, созданный в СССР для воздействия на переохлажденные облачные системы на основе наземного комплекса «Букет» [3]. Комплекс предназначался для искусственного увеличения осадков в горных районах. В его состав входили наземные аэрозольные генераторы (пропано-ацетоновые (ГАН), пиротехнические (ПГ) и азотные (ГМЧЛ-Н)) и системы дистанционного управления (ДАУ). Управление комплексом планировалось с центрального поста управления по радиоканалам. Недостатком комплекса является отсутствие универсальности воздействия на теплые и переохлажденные облака.
4
Известен способ локального воздействия на метеорологические процессы в атмосфере по патенту РФ №2297758, предназначенный для изменения метеоусловий, создания зоны осадков и других погодных условий. Способ включает оценку метеорологического состояния атмосферы, ионизацию молекул кислорода атмосферного воздуха в поле отрицательного электростатического заряда, управление фазовыми переходами воды в атмосфере. Недостатком способа является неучет необходимого условия насыщения водяного пара в атмосфере для управления фазовыми переходами воды, формирования облаков и осадков. Атмосферные ионы при отсутствии сильных электрических полей (>10 В/м) переносятся воздушными потоками как пассивная примесь и не являются первопричиной возникновения конвекции, так как силовые линии напряженности электрического поля атмосферы направлены сверху вниз.
Из известных способов искусственного вызывания осадков для борьбы с засухой наиболее близким по технической сущности является способ воздействия на электрические характеристики облаков по патенту РФ №2080776 для стимулирования выпадения либо роста интенсивности осадков из облачности, проходящей над заданной территорией, а также для повышения общего запаса влаги в почве и воды в водохранилищах в периоды до наступления засухи. Недостатком способа является недостаточная эффективность воздействия на осадкообразующий механизм в облаке импульсами электрического тока с поверхности земли.
Целью изобретения является искусственное вызывание осадков из конвективной облачности, проходящей над заданной территорией, путем интенсификации осадкообразующего механизма заряженным аэрозолем, образуемым пиротехническими наземными генераторами термоионизационным способом.
Поставленная цель достигается тем, что способ борьбы с засухой искусственным вызыванием осадков путем воздействия на электрические характеристики облаков, отличающийся тем, что засев конвективных облаков осуществляют с земной поверхности при их переносе над местом установки автоматизированного устройства с пиротехническим составом для термоионизации щелочных металлов, в котором при смене знака напряженности приземного электрического поля на противоположный под влиянием сформировавшегося объемного заряда в облаке инициируют воспламенение пиротехнического состава и выбрасывают его в подоблачное пространство, в котором образующийся заряженный аэрозоль вовлекается конвективным потоком в облачность, переносимую воздушным потоком, вызывая цепной процесс укрупнения облачных капель до их гравитационного осаждения на земную поверхность в виде осадков.
Искусственное вызывание осадков по предлагаемому способу осуществляют путем воздействия на электрические заряды частиц облака. Электрические заряды частиц в облаках возникают в результате механизма микроэлектризации, состоящего из адсорбции атмосферных или искусственно созданных ионов, коагуляции и спонтанного разрушения частиц при достижении ими микроэлектрической неустойчивости (предела Релея). Образовавшее конвективное облако заряжено положительно, так как отрицательные ионы задействованы в образовании облачных капель. С развитием облака в нем появляются неоднородности.
3
Основной причиной возникновения неоднородностей следует считать наличие конвективных движений в облаке. Наибольшие неоднородности наблюдаются в развивающихся облаках, наименьшие - в зрелой стадии развития облака. В результате процесса испарения положительных ионов, расположенных на поверхности капель, при нисходящих движениях в верхней части облака усиливается положительный объемный заряд, а в нижней образуется отрицательный заряд. Обычно в конвективном облаке образуются объемные заряды противоположных знаков, расположенные в противоположных его частях [4]. Соответствующие им электрические поля распределены неравномерно по объему облака. Возникшее электрическое поле, образованное большими разнополюсными объемными зарядами, может сильно исказить электрическое поле атмосферы при ясной погоде, градиент потенциала которого у поверхности земли в среднем равен 130 В/м. Изменение напряженности поля у земли происходит при перемещении зарядов в атмосфере вместе с облаком. Для расчета напряженности поля, создаваемого таким облаком, используют метод наложения полей, создаваемых каждым объемным зарядом в отдельности. Большие значения возникающей напряженности положительного электрического поля ≥5·10 В/м и значительные отрицательные были зафиксированы в облаках, в которых уже наблюдалось радиоэхо. Появление радиоэха свидетельствует о формировании механизма осадкообразования.
3
Размеры зон неоднородностей и период их существования оказываются достаточными, чтобы вызвать цепной процесс укрупнения частиц в них. Но времени для установления стационарного процесса осадкообразования требуется много. Это объясняется тем, что естественный процесс поставки ионов в атмосферу ограничен (порядка 10 пар ионов в 1 см в секунду), расход ионов на диффузионное случайное заряжение увеличивается на порядки [5].
Роль электрических неоднородностей в развитии конвективного облака заключается в том, что в них капли вырастают до критических размеров, а затем разносятся турбулентностью по всему объему облака, вызывая выпадение осадков из него [4]. При незначительном искусственном импульсе, создаваемом введением искусственных ионов, происходит интенсификация процесса осадкообразования в течение нескольких минут. Под нижней границей мощных кучевых облаков отмечается максимум заряда электрического поля и появление отрицательного объемного заряда у поверхности земли [6].
На фиг. 1 приведена схема изменения градиента потенциала на земной поверхности при движении биполярного облака. Наблюдение за распределением поля на земной поверхности в данной точке при прохождении облака позволяет сделать заключение относительно структуры облака. При изменении объемных зарядов в облаке происходят резкие изменения наблюдаемого у земной поверхности поля, по которым можно косвенно судить о процессах, происходящих в облаке. Наблюдается тесная связь между изменением электрических характеристик облаков и процессом их развития. Особый интерес представляет связь между градиентом потенциала и упругостью водяного пара; с увеличением последней возрастает и напряженность поля (Е). Е сильно изменяется и претерпевает нерегулярные колебания при наличии облаков и, в особенности, при грозах и выпадении осадков. Влияние низких облаков может быть значительным, когда в них наблюдается процесс образования осадков.
Поставленная техническая цель искусственное вызывание осадков из конвективной облачности реализуется при локальном воздействии потоком искусственных ионов, образуемых пиротехническим путем с наземных ионогенных генераторов (НИГ), устанавливаемых на защищаемой территории. При приближении конвективного облака измеряющее устройство регистрирует скачок напряженности электрического поля и передает зарегистрированный импульс на командное устройство (контроллер), который включает подачу электрического тока на пиротехническое изделие (фейерверочный комплект) для выброса в атмосферу пиротехнической смеси, генерирующей в подоблачном пространстве положительные и отрицательные ионы. Образовавшийся заряженный аэрозоль конвективными потоками из подоблачного пространства вносятся в облачную среду для интенсификации осадкообразующего механизма. Пиротехническая смесь изготовляется по патентам РФ №№2179800, 2181239, 2090549, 2090548.
Схема (НИГ) для реализации способа представлена на фиг. 2. НИГ содержит измеритель напряженности приземного электрического поля (1), контроллер (2), комплект фейерверочных изделий (3), соединительные каналы (4), держатель приборов (5), штанга (6), выступ для установки устройства в грунт (7). Установка НИГ работает в автоматическом режиме, имеет небольшой вес, легко устанавливается и снимается. Преимущества заявленного способа заключаются в том, что он обеспечивает реализацию экологически безопасного малозатратного способа искусственного вызывания осадков для предотвращения засушливых явлений в сельскохозяйственном производстве, лесном хозяйстве, гидроэнергетике и др. отраслях.
Источники
1. Козлов В.Н. Электрические методы искусственного регулирования осадков. Дисс. на соиск. уч. ст. д.т.н.: 25. 00. 30: защищена 16.04.2014: утв. 1.12. 2014/ Козлов Владимир Николаевич. - Санкт-Петербург, 2014 - 307 с. [Электронный ресурс: URL:http:/www.voeikovmgo.ru>download/aspirantura/kozlov]
2. Gathmann L. Method of production rain-fall. - US Patent Office. - Patent No 462795. 1891.
3. Власюк М.П. и др. Комплекс наземных аэрозольных генераторов с дистанционной системой управления для целей искусственного увеличения осадков в горных районах // Тр. Всесоюзной конференции «Активные воздействия на гидрометеорологические процессы», Киев, 17-21 ноября 1987 г. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - С. 483-487. ISBN 5-286-00509-8.
4. Имянитов И.М., Чубарина Е.В., Шварц Я.М. Электричество облаков. // Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 94 с.
5. Мордовина Л.С. О заряжении облачных частиц. Тр. ГГО. Вып. 242. - 1969. - С. 94-103.
6. Имянитов И.М., Шифрин К.С. Современное состояние исследований атмосферного электричества. УФН, 1962, T. LXXVI. Вып. 4. - С. 593-642.
7. Патенты РФ №№: 2297758, 2080776, 2179800, 2181239, 2090549, 2090548.