Способ предотвращения града

 

Изобретение относится к физике облаков и активных воздействий, преимущественно к активному воздействию на градовые процессы с целью предотвращения градобитий. Цель изобретения - повышение эффективности активных воздействий по предотвращению града путем инициирования искусственных линейных молний в грозо-градовых облаках и их окрестностях. Последовательность реализации метода заключается в радиолокационном обнаружении областей облака с напряженностями электрического поля 100 кВ/м и выше и внесением в эти области токопроводящих тел, инициирующих искусственные линейные молнии. Положительный эффект - уменьшение размера градин достигается из-за замерзания переохлажденных капель, находящихся в зонах зарождения и роста града, под действием напряженности электрического поля в стримерной зоне лидера инициируемой молнии, достигающей 300 - 500 кВ/м, и при коагуляции капель с кристалликами льда, образующимися на превращающихся в льдообразующие ядра аэрозольных частицах атмосферы при их заряжении в отрицательном избыточном объемном заряде, который внедряется лидером отрицательной молнии в облачное пространство. 1 ил.

Изобретение относится к физике облаков и активных воздействий, преимущественно к активному воздействию на градовые процессы, с целью предотвращения градобитий.

Известны методы предотвращения градобитий метод "конкуренции" и метод преждевременного осадкообразования путем внесения в грозо-градовое облако кристаллизующих реагентов.

Физической основой метода "конкуренции" является перераспределение жидко-капельной фракции облаков в зоне роста града между естественными и искусственно создаваемыми при внесении в эту зону кристаллизующего реагента зародышами града, что приводит к уменьшению размеров градин. Метод преждевременного осадкообразования предполагает вымывание облачной влаги в виде капелек за счет роста частиц вносимого реагента до размеров частиц осадков, выпадение которых приведет к уменьшению размеров градин.

Реализация указанных методов осуществляется определением с помощью радиолокатора зоны засева облака и внесением в эту зону кристаллизующего реагента или подрывом снаряда, в головке которого содержится реагент, или возгонкой в пламени горящего топлива ракеты, в котором содержится реагент. Выход частиц принимается равным 10¹² на 10^-3 кГ реагента. Размер 80 всех частиц имеет порядок 10^-7 м.

Недостатками методов являются: непродуваемость воздушными потоками ансамбля частиц реагента, получаемых указанными способами их внесения, так как концентрация частиц реагента превышает более чем 10⁵ раз ту концентрацию, при которой ансамбль частиц может продуваться, и по методу "конкуренции" реагент не может срабатывать при температурах (-7) (-12)^oС в том физическом качестве, требуемом по этому методу; длительное время проявления кристаллизующих свойств реагента, составляющее 900 1200 с, когда цепочка физических явлений реализуется в последовательности реагент - кристаллик льда соударение с переохлажденной каплей ее замерзание и дальнейший рост до размера зародыша градины; дороговизна используемых кристаллизующих реагентов, экологические аспекты из-за накопления в почве нерастворимых в воде реагентов и т. д.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу предотвращения града является способ воздействия, при котором кристаллизующий реагент с помощью ракет или снарядов вносится в определяемую с помощью радиолокатора зону облака, где происходит зарождение и рост града. В этом способе не учитываются электрические явления в облачной среде, обусловливаемые линейными молниями, а также не используется естественный природный резерв самого облака аэрозольные частицы атмосферы, за счет которых понижается эффективность воздействия.

Целью изобретения является повышение эффективности активных воздействий по предотвращению града инициированием искусственных линейных молний в грозо-градовых облаках и их окрестностях.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе дополнительно путем радиолокационного зондирования определяют области облака с напряженностями поля, величиной 100 кВ/м и более, где инициируют искусственные линейные молнии с помощью различных токопроводящих тел, вносимых в эти области.

Положительный эффект достигается вследствие микрофизических процессов в облачной среде, обуславливаемых физическими явлениями, происходящими под действием лидеров отрицательных и положительных молний. Атрибутом молнии является существование перед головкой лидера молнии стримерной зоны, в которой напряженность электрического поля Е_с не меньше 300 500 кВ/м, внедрение ею в пространство по пути своего распространения избыточного объемного заряда со знаком заряда, одноименным заряду головки лидера молнии. Концентрация ионов при этом достигает 10¹⁷ м^-3. После прохождения обратного удара молнии, по аналогии с лабораторной искрой, происходит централизация внедренного в пространство заряда: 0,5 часть при отрицательной молнии и 0,2 часть при положительной. Объем, занимаемый остаточным избыточным объемным зарядом, если траектория молнии близка к прямолинейной, будет иметь форму конуса, высотой в длину молнии и радиусом основания, равным протяженности стримерной зоны 100 200 м.

Первое микрофизическое явление, за счет которого достигается положительный эффект замерзание переохлажденных капель облаков и осадков под действием напряженности поля с Е 300 500 кВ/м в стримерной зоне положительного или отрицательного лидера молнии в согласии с экспериментально установленным фактом полной кристаллизации капель тумана размерами 12·10^-6 м, находящихся при температуре Т -15^oС, при наложении электрического поля напряженностью 500 кВ/м.

Второе микрофизическое явление связано с превращением естественных аэрозольных частиц атмосферы с концентрацией 10¹¹ 10¹² м^-3 и размерами от 10^-9 м до 3·10^-5 м, абсолютное большинство которых являются пассивным, в льдообразующие ядра при Т<0С и в ядра конденсации при Т>0^oС вследствие их зарядки отрицательным зарядом при отрицательных молниях. Такая зарядка происходит из-за осаждения отрицательных ионов внедряемого лидером отрицательной молнии объемного заряда на аэрозольные частицы. Превращение отрицательно заряженных частиц в льдообразующие ядра объясняется возможностью образования на отрицательно заряженной поверхности двуосных или плоскостных текстур кристалликов льда, способных к дальнейшему росту. Образующиеся жизнеспособные кристаллики при своем росте и столкновении с переохлажденными каплями будут играть такую же роль, что и вносимые в облако по существующим методам предотвращения града кристаллизующие реагенты.

Факт превращения отрицательно заряженных частиц в льдообразующие ядра подтвержден экспериментально при исследовании температуры замерзания Т₃, переохлажденной до Т -17^oС, капли воды размером 4·10^-3 м. В этих экспериментах капля обдувалась частицами двуокиси кремния (SiO₂) размерами (5 8)·10^-6 м. Если при нейтральных или положительных зарядах на частицах Т₃ была близка к Т -17^oС, то при отрицательных зарядах капля замерзала при Т₃ (-3) - (-5)^oС. В другом эксперименте доказано приобретение льдообразующих свойств пассивной затравочной частицей (нафталин) при подаче на нее отрицательного потенциала и потеря льдообразующих свойств активной частицей (холестерин) при подаче на последнюю положительного потенциала.

Так как рост града происходит за счет жидкокапельной фракции облака, находящейся выше нулевой изотермы, то инициированием искусственных линейных молний, замораживающих переохлажденные капли вследствие реализации двух указанных микрофизических процессов, можно уменьшить размер градин и тем самым предотвратить градобитие.

Реализация предлагаемого метода предотвращения градобитий предполагает: 1) инструментальное определение зоны облака с максимальной напряженностью поля Е_max; 2) инициирование искусственной молнии в этой области различными средствами.

Зона с максимальной Е (по литературным данным) для мультиячейковых облаков имеет место на двух высотах около 6·10³ м и 11·10³ м, в областях облака с отражаемостями 45 50 dBZ, ( λ 3·10^-2 м) в подветренную сторону, для суперячейковых на высоте около 8·10³ м при отражаемостях 30 40 dBZ. Другой метод определения зон с Е_max может быть связан с ориентацией кристалликов льда и деформацией нейтральных или заряженных капель воды по направлению поля в облаке, которые можно обнаружить радиолокатором с поляризационной приставкой.

Инициирование искусственной молнии основано на многократном усилении внешнего электрического поля у полюсов вытянутых токопроводящих тел, большая полуось которых параллельна направлению внешнего поля Е_max.

Токопроводящими телами могут быть бронированные самолеты, дистанционно-управляемые летательные аппараты, аэростаты и воздушные шары с проводящим покрытием, длинные проводники, ракеты и т. д. Прикрепление проводников длиной в сотни метров и диаметром 8·10^-3 10^-2 м к вышеуказанным телам, увеличивая их протяженность, даст возможность колоссально увеличить кратность усиления напряженности поля у их полюсов, протяженность области существования зоны с повышенной напряженностью поля, необходимой для зарождения от полюсов лидерного типа разряда. Другим способом мгновенного получения токопроводящих тел является возникновение плазменных образований при подрыве снарядов, ракет, бомб и т. д. снаряженных взрывчатыми или объемно-детонирующими составами.

Примером способа инициирования искусственной молнии является эксперимент, в котором после подрыва ракеты со специальным шнуром длиной 12 м, образовавшееся высокотемпературное плазменное образование синициировало внутриоблачную молнию длиной около 2·10³ м. Усиление поля у полюсов Е_у, когда плазменное образование аппроксимируется проводящим эллипсоидом с большой и малой полуосями, равными а 6 м и b 0,075 м (а/b 80), составило 1720 Е_max. На расстоянии 1,8 м от полюса Е_y ≃ 2,14 Е_m и, чтобы обеспечить на этом участке второе условие возникновения лидерного типа разряда, а именно наличие Е_с≥ 300 кВ/м, требуемая величина внешнего поля Е_max ≥ 140 кВ/м. Характерные же напряженности в грозо-градовых облаках составляют несколько сот кВ/м.

Наглядное представление по реализации предлагаемого метода предотвращения градобитий инициированием искусственных линейных молний можно получить рассматривая электрическую модель зрелого грозового облака, приведенную на чертеже. Распределению суммарной напряженности поля Е_s по высоте соответствует кривая 1, которое получено графическим сложением напряженностей поля Е_+Р, Е_-N, Е_+Р от верхнего положительного +Р-заряда - кривая 2, среднего отрицательного -N заряда кривая 3 и нижнего положительного +Р-заряда кривая 4.

Модель построена для значений зарядов Q_+P 43 Кл, Q_-N -104 Кл и Q_+Р 0,95 Кл при радиусах R_+P 797 м, R_-N 1063 м и R_+P 225 м. Мощность активной в электрическом отношении части облака около 5,5·10³ м. Как видно, зоны с максимальной напряженностью наблюдаются в областях Д, Г и между В и Б. Поэтому с целью воздействия на микрофизические явления наиболее оптимально инициирование молний в областях облака между высотами 3,36·10³ м и 5,7·10³ м, где Е_s Е_max ≥ 150 кВ/м. Таким образом, если от полюса проводящего тела, ориентированного параллельно направлению Е_max, на высоте 3,36·10³ м получить лидерный тип разряда, то этот лидер, двигаясь в положительно направленном и возрастающем по величине с высотой электрическом поле, превратится в отрицательный лидер молнии, реализуя в облаке вышеуказанные микрофизические явления.

Cуществование эквиградиентного поля вокруг -N заряда, в соответствии с кривой 2, позволит инициировать отрицательные молнии по всем направлениям от этого заряда. В этом плане при выборе области инициирования молнии следует учитывать то, что центр отрицательного -N заряда обычно находится на (0,5 - 1)·10³ м выше нулевой изотермы. Тогда заряжение аэрозольных частиц атмосферы в этой области, где в облачное пространство отрицательным лидером внедряется отрицательный объемный заряд, приведет к их превращению в ядра кристаллизации. Инициирование молнии при отрицательных напряженностях поля возможно между высотами 3·10³ м и 1,8·10³ м и с полюса, заряженного фиктивным отрицательным зарядом. При этом инициированная молния между высотой 3·10³ м и высотой, соответствующей границе между -N и +P зарядами, будет внедрять в пространство отрицательный объемный заряд и зарядка в нем аэрозольных частиц превратит их в ядра конденсации.

Таким образом, достижение положительного эффекта предотвращение града инициированием искусственных линейных молний основано на замораживании переохлажденных капель облаков и осадков из-за воздействия на них электрического поля напряженностями 300 500 кВ/м, существующего в стримерной зоне лидера инициированной молнии, и коагуляции с последующим замерзанием переохлажденных капель с ледяными кристалликами, растущими на превращающихся в льдообразующиеся ядра при зарядке отрицательным зарядом аэрозольных частиц атмосферы в избыточном отрицательном объемном заряде, который внедряется в облачное пространство лидером отрицательной молнии.

Формула изобретения

Способ предотвращения града, заключающийся в том, что в грозоградовом облаке с помощью радиолокационного зондирования выделяют область с напряженностью электрического поля 100 кВ · м^-1 и более и вводят в эту область протяженные электропроводящие тела или плазменные образования для возбуждения в ней электрических разрядов лидерного типа с инициированием линейной молнии.

РИСУНКИ

Рисунок 1