Способ ослабления циклонической циркуляции и устройство для его осуществления

Изобретение относится к воздействиям на атмосферу и может быть использовано для ликвидации или ослабления циклонов. Сущность изобретения состоит в том, что потоком ионизированного воздуха в зоне теплой фронтальной поверхности и/или холодного сектора циклона формируют область пониженного атмосферного давления с последующим формированием вторичного циклона, что лишает циклон энергетической подпитки. Устройство для создания потока ионизированного воздуха включает, по меньшей мере, один генератор ионов, содержащий коронирующий электрод, экстрактор электронов и ионов, размещенный в полости коронирующего электрода, и внешний электрод. Экстрактор ионов и/или заземленный электрод имеют пространственную форму, подобную форме коронирующего электрода, и смонтированы с возможностью вертикального перемещения относительно этого электрода для достижения оптимального тока коронного разряда при различных метеорологических параметрах. Техническим результатом является регулирование атмосферной циркуляции при относительно невысоких затратах средств на доставку в зону циклона ослабляющих его деятельность агентов и разрушение не только гигантских тропических, но и менее масштабных циклонов, возникающих не только над морями и океанами, но и над сушей. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область применения

Изобретение относится к способам и устройствам для воздействия на атмосферу и может быть использовано для вызывания или устранения атмосферных осадков для нужд сельского хозяйства, а также для защиты транспортных объектов /авиа- или морских портов, автодорог/ от неблагоприятных атмосферных образований /туман, низкая облачность/.

Уровень техники

Циклоны приносят с собой сложные погодные условия - облачность, осадки, усиление ветра, нередко сезонные явления: грозы, туманы, метели, гололед и пр. Ввиду этого они способны причинять значительный ущерб в сельском хозяйстве и могут представлять серьезную угрозу для работы транспорта. Борьба с циклонами является актуальной задачей.

Наибольшее внимание привлекают крупномасштабные вихревые явления - тропические циклоны, смерчи, тайфуны, поскольку они причиняют наибольший ущерб. Способы борьбы с такими вихрями основываются на воздействии на определенные зоны в атмосфере для подавления процессов, поддерживающих их энергетику.

Циклон представляет собой атмосферный вихрь большого масштаба с низким давлением в центре. Под влиянием трения в нижних слоях атмосферы в циклоне помимо кругового движения воздуха наблюдается еще и движение воздуха от периферии к центру вихря. Поэтому возникает постоянное восходящее движение воздуха, который охлаждается по мере подъема. Охлаждаясь, воздух становится влагонасыщенным, в нем образуются облака.

В способе защиты от тропического циклона по патенту RU 2028649 в качестве зон воздействия на конвективные потоки в облачной системе циклона выбирают зоны максимальной заторможенности и/или максимального значения тангенциальной составляющей вращения вихря. Периодическое воздействие осуществляют введением льдообразующего реагента или хладореагента для регенерации конвективных потоков с целью изменения траектории циклона либо сбросом грубодисперсного порошка с удельной площадью не менее 10 м/г в вершину облака, что вызывает диссипацию конвективных потоков за счет развития нисходящих движений, приводящих к снижению энергии вихря.

В способе по патенту RU №2020797 для снижения разрушительной силы тропических ураганов предложено воздействовать на зоны минимальной метеостабильности на периферии циклона путем формирования в этих зонах разновращающихся локальных восходящих и нисходящих вихрей. Локальные вихри в зависимости от состояния атмосферы формируют с помощью солнечных нагревателя и отражателя или посредством подрыва по определенной схеме тепловых зарядов, сбрасываемых с летательных аппаратов.

В соответствии со способом по патенту RU №2150134 для ослабления тропических циклонов (ураганов, тайфунов) воздействие осуществляют на зоны в тропосфере, в которых достигаются предельные значения потенциальной энергии и которые расположены вблизи или в зоне максимальной неустойчивости, для преобразования потенциальной энергии в кинетическую, инициируя образование циклона, мощность которого не достигает разрушительного уровня. Воздействие представляет собой взрывное и/или тепловое воздействие на тропосферу выше зоны или в зоне максимальной неустойчивости и/или путем засева веществом, создающим центры конденсации влаги непосредственно над зоной максимальной неустойчивости.

Описанные способы, как правило, предполагают использование взрывчатых веществ или химических реагентов и средств их доставки в зоны воздействия на атмосферу, что требует значительных финансовых и иных затрат. К настоящему времени разработаны более экономичные методы воздействия на атмосферу, заключающиеся в ионизации воздуха посредством располагаемых на земной поверхности устройств.

Например, известен способ защиты прибрежных территорий от разрушительного воздействия тайфунов, ураганов и мощных циклонов по патенту RU №2248115, в соответствии с которым для нейтрализации кинетической энергии вихря ионизируют воздух, чтобы инициировать струйное течение в атмосфере, ось которого направлена навстречу нормальной составляющей скорости вращения вихря, что должно разрушить вихрь. Для реализации этого способа предложено использовать установки-ионизаторы, описанные в техническом решении по патенту RU №2105463, которые течение 3-120 часов генерируют вертикальные потоки ионов. Установки размещают на суше и на море на расстоянии нескольких сотен километров одна от другой, при этом, по крайней мере, одна из установок должна формировать струйное течение в атмосфере, а другие предназначены для управления его динамическими параметрами.

К недостаткам известного способа следует отнести, во-первых, сложность его осуществления, включающего необходимость синхронизации работы нескольких далеко расположенных одна от другой установок с использованием специальных средств и аппаратуры (космических средств наблюдения и центра управления), а во-вторых, что, не менее существенно, необходимость согласования осуществления таких проектов с различными официальными службами нескольких государств, поскольку вызывание таких процессов, как струйные течения, имеющие протяженность в несколько тысяч километров, безусловно, может серьезно затронуть интересы сопредельных территорий, например, вызвать там нежелательные изменения погоды.

Более простым техническим решением является способ защиты территории от циклонов по патенту RU №2036577, в соответствии с которым в районе защищаемой территории на вероятном пути циклона вводят отрицательный объемный электрический заряд за 1-20 суток до ожидаемого прихода циклона. Этот способ основан на представлении, что вихревое циклоническое движение возбуждается в результате взаимодействия вертикальной компоненты геомагнитного поля с положительным объемным зарядом атмосферного воздуха и усиление циклона до стадии урагана происходит при превышении плотности объемного положительного заряда некоторого критического значения. Предполагается, что для нейтрализации этого положительного заряда плотности и разрушения циклона в слой атмосферы, содержащий этот заряд, необходимо ввести отрицательный заряд, сравнимый по абсолютной величине с положительным зарядом циклона. Для реализации способа предложено использовать установку, содержащую коронирующий электрод в виде закрепленного на опорах провода, длина которого в пределах круга заданного радиуса рассчитывается по определенной формуле. Недостатком данного способа можно считать его «неприцельность» - зона повышенной плотности объемного заряда может оказаться очень широкой и иметь размытые очертания - и неопределенность времени введения заряда в атмосферу - за несколько суток циклон может изменить свое направление за счет изменения метеорологических условий. Помимо прочего, такая установка является стационарной и не позволяет оперативно реагировать на изменение метеорологических условий, ее энергия будет в значительной мере тратиться впустую. Кроме того, сама концепция механизма возбуждения и развития вихревого циклонического движения, на которой основан известный способ, еще требует проверки.

Раскрытие изобретения

Совершенно очевидно, что желательным является такое регулирование атмосферной циркуляции, в котором прицельность воздействия сочетается с его локальностью, при относительно невысоких затратах средств на доставку в зону циклона ослабляющих его деятельность агентов. Кроме того, существует потребность в разрушении не только гигантских тропических, но и менее масштабных циклонов, возникающих не только над морями и океанами, но и над сушей. Известные методы воздействия на циклоны не удовлетворяют этим требованиям.

Заявленное изобретение основано на том факте, что циклоническая деятельность поддерживается притоком теплого и холодного воздуха, перемещающегося к центру циклона, а следовательно, уменьшая поступление теплой или холодной массы воздуха в циклоническую циркуляцию, можно ослабить и циклон в целом. Таким образом, зоны воздействия на циклон выбираются в соответствии с температурами питающего его воздуха.

Учитывая, что скорость перемещения циклонов в среднем составляет 30-50 км/час, желательным также является создание устройств, которые относительно компактны и мобильны, позволяют оперативно реагировать на изменение метеорологических параметров и в то же время обеспечивают достаточно мощное воздействие на атмосферную циркуляцию.

Известные устройства электрического воздействия на циклоны не удовлетворяют этим требованиям.

Задача создания нового способа ослабления циклонической циркуляции решается тем, что на атмосферу в зоне циклона воздействуют устойчиво восходящим потоком ионизированного воздуха, с помощью которого в зоне теплой фронтальной поверхности и/или холодного сектора циклона формируют область пониженного атмосферного давления с последующим формированием вторичного циклона.

В частном случае устойчивый поток ионизированного воздуха направляют на периферию циклона.

Предпочтительно параметры потока ионизированного воздуха регулируют в процессе воздействия на циклон.

В оптимальном варианте выполнения способа регулирование параметров ионизированного потока воздуха осуществляют в зависимости от стадии развития циклонической циркуляции.

Задача по созданию устройства для ослабления циклонической циркуляции за счет обеспечения устойчиво восходящего потока ионизированного воздуха решается с помощью устройства, содержащего, по крайней мере, один генератор ионов, в котором имеются коронирующий электрод, размещенный в целом по наклонной, сужающейся в направлении основания последнего поверхности, расположенный снаружи от коронирующего электрода заземленный электрод и расположенный в полости коронирующего электрода экстрактор ионов, при этом экстрактор ионов и/или заземленный электрод имеют пространственную форму, подобную форме коронирующего электрода, и смонтированы с возможностью вертикального перемещения относительно этого электрода для достижения оптимального тока коронного разряда при различных метеорологических параметрах.

Поверхность, по которой размещен коронирующий электрод генератора ионов, может представлять собой боковую поверхность геометрического тела типа пирамиды или конуса либо поверхность параболоида или гиперболоида, или она может являться боковой поверхностью и поверхностью малого основания геометрического тела усеченного конуса, пирамиды, параболоида или гиперболоида.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображен генератор ионов в плоской проекции.

На фиг.2 показан общий вид генератора ионов.

На фиг.3 схематически изображено распределение воздуха между теплым и холодным фронтами в циклоне в вертикальном сечении. Цифрой 1 обозначены места расстановки ионизаторов в зонах теплого и холодного фронтов.

На фиг.4 циклон изображен в виде схемы изобар в плане.

Осуществление изобретения

Как известно, циклоническая циркуляция - это движение воздуха против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном полушарии. Так как картины движения воздуха в циклонах в разных полушариях симметричны, ниже приводится пример осуществления способа применительно к одному из полушарий, а именно к циклону, развивающемуся во внетропических широтах северного полушария. Для формирования вторичной, локальной, циклонической циркуляции, ослабляющей или разрушающей основной циклон, в его структуре выбираются зоны, на которые будет осуществляться воздействие с помощью генератора или генераторов ионов, обеспечивающих мощные восходящие потоки ионизированного воздуха. В соответствии с изобретением зона воздействия (и формирования вторичной циклонической циркуляции) должна находиться в передней правой части циклона относительно направления его движения перед местом прохождения теплого фронта или в правой тыльной части циклона в зоне прохождения холодного фронта, чтобы понижать или, соответственно, повышать температуру поступающей в основной циклон воздушной массы, что прерывает его энергетическую подпитку.

Устройство для создания восходящего потока воздуха включает один или несколько генераторов 1 отрицательных ионов (ионизаторов). Генератор 1 ионов содержит электроды 2, 3 и 4 и источник 5 высокого постоянного напряжения. Электрод 3 (коронирующий электрод) присоединен к отрицательному полюсу источника 5 напряжения и выполнен в виде электрического проводника малого сечения, который размещен по боковой поверхности обращенного вершиной вниз геометрического тела типа конуса, пирамиды либо по поверхности параболоида, гиперболоида или т.п. Коронирующий электрод 3 является эмиттером электронов. Снаружи от коронирующего электрода расположен внешний, заземленный электрод 4, который не соединен с источником 5 напряжения. Электрод 4 играет роль экранной поверхности, которая не позволяет рассеиваться образовавшимся отрицательным ионам и притягивает образовавшиеся положительные ионы.

В полости, образуемой электродом 3, расположен экстрактор 2 - проводник, предназначенный для более интенсивного оттока электронов с коронирующего проводника, который размещен в целом по осевой линии геометрического тела, по поверхности которого расположен коронирующий проводник. Экстрактор 2 имеет такую же форму, подобную форме коронирующего электрода 3, т.е. в случае, показанном на фиг.2, проводник, выполняющий функцию экстрактора, расположен по боковой поверхности усеченной, опрокинутой большим основанием вверх пирамиды. Этот проводник распределен с таким же шаговым расстоянием, как и проводник коронирующего электрода (эмиттера) 3, так что каждому отдельно расположенному отрезку коронирующего проводника соответствует равный ему по размеру отрезок проводника экстрактора (5). Благодаря такому размещению эффективность испускания электронов со всей поверхности коронирующего проводника будет максимально возможной. На экстрактор 2 подается отрицательное напряжение, которое по отношению к напряжению, подаваемому на коронирующий проводник, является относительно положительным, что также способствует максимально возможному оттоку электронов с коронирующего проводника. Таким образом, экстрактор одновременно выполняет функцию дальнейшего ускорителя образовавшихся отрицательных ионов, пропуская их сквозь себя и сообщая им дополнительную энергию движения.

Эмиттер 3 смонтирован неподвижно, а экстрактор 2 и внешний электрод 4 установлены с возможностью перемещения по вертикали относительно эмиттера 3. Перемещать экстрактор 2 и экранирующий электрод 4 можно как при монтаже устройства, так и во время подачи рабочего напряжения на эмиттер 3 и экстрактор 2.

Определив зоны воздействия на формирующийся или уже сформировавшийся в атмосфере циклон, по фактическим и прогностическим картам изобарических поверхностей выбирают место расположения генератора 1 (генераторов) ионов для создания восходящего потока ионизированного воздуха. При подходе теплого или холодного воздушного фронта включенные ионизаторы 1 начинают формировать восходящий ионизированный поток воздуха, который, в свою очередь, будет создавать циклоническую циркуляцию в нижней части тропосферы до высот 3000-4000 м. Благодаря этому часть энергии в виде теплой или, соответственно, холодной воздушной массы, вовлеченной во вращение вторичной циклонической циркуляцией, не попадет в основной действующий циклон, что приведет к уменьшению его активности.

Поскольку в процессе воздействия на атмосферу происходит изменение метеорологических элементов, что влияет на поддержание мощности ионизированного потока, возникает необходимость в оперативном (без отключения рабочего напряжения) изменении рабочих параметров устройства. Ионизация атмосферного воздуха зависит от его температуры, влажности, давления. Изменение расстояний между электродами 2, 3 и 4 дает возможность непосредственно в процессе работы ионизатора добиться максимального выхода электронов с эмиттера, не изменяя напряжение, подаваемое на электроды ионизатора, в то время как повышением рабочего напряжения на эмиттере не всегда можно этого добиться. Более того, увеличение рабочего напряжения на эмиттере может повлечь за собой ионизацию не только молекул кислорода, но и молекул азота, которые являются нежелательными продуктами ионизации.

1. Способ ослабления циклонической циркуляции, включающий воздействие на атмосферу в зоне циклона устойчиво восходящим потоком ионизированного воздуха, отличающийся тем, что потоком ионизированного воздуха в зоне теплой фронтальной поверхности и/или холодного сектора циклона формируют область пониженного атмосферного давления с последующим формированием вторичного циклона.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что устойчивый поток ионизированного воздуха направляют на периферию циклона.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что параметры потока ионизированного воздуха регулируют в процессе воздействия на циклон.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что регулирование параметров ионизированного потока воздуха осуществляют в зависимости от стадии развития циклонической циркуляции.

5. Устройство для ослабления циклонической циркуляции за счет обеспечения устойчиво восходящего потока ионизированного воздуха, содержащее, по крайней мере, один генератор ионов, в котором имеются коронирующий электрод, размещенный в целом по наклонной, сужающейся в направлении основания последнего поверхности, расположенный снаружи от коронирующего электрода заземленный электрод и расположенный в полости коронирующего электрода экстрактор ионов, отличающееся тем, что экстрактор ионов и/или заземленный электрод имеют пространственную форму, подобную форме коронирующего электрода, и смонтированы с возможностью вертикального перемещения относительно этого электрода для достижения оптимального тока коронного разряда при различных метеорологических параметрах.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что поверхность, по которой размещен коронирующий электрод, представляет собой боковую поверхность геометрического тела типа пирамиды или конуса либо поверхность параболоида или гиперболоида.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что поверхность, по которой размещен коронирующий электрод, является боковой поверхностью и поверхностью малого основания геометрического тела усеченного конуса, пирамиды, параболоида или гиперболоида.