Способ создания восходящего потока воздуха в атмосфере и устройство для его осуществления (гелиатор)

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано для создания облаков и стимулирования осадков. Восходящий поток воздуха подогревают на нескольких уровнях от нагреваемой солнцем зачерненной поверхности. Устройство для осуществления этого способа состоит из нагреваемой Солнцем многоярусной системы привязных аэростатов с зачерненными баллонами. Баллоны располагаются в виде нескольких расположенных один над другим ярусов. На ярусах закреплены заземленные эмиттеры электронов, коронирующие в электрическом поле Земли. Высота верхнего и нижнего ярусов, их форма, размеры и расстояния между ними определяются метеоусловиями и поставленной задачей. Обеспечивается более эффективное образование облаков и стимулирование осадков, при этом достигается снижение затрат энергии. 2 н. и 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к метеорологии, к методам активного воздействия на атмосферные процессы с целью создания облаков и стимулирования осадков, создания каналов циркуляции воздуха через задерживающий слой антициклона. Может также использоваться для целей сельского хозяйства, экологии, в горном деле и промышленности для вентиляции карьеров, промышленных объектов и т.д.

Известны способы вызывания осадков и устройства для их осуществления из имеющихся облаков, заключающиеся в искусственном засевании их центрами конденсации и льдообразования (йодистое серебро, сухой лед, цементная пыль, потоки заряженных частиц). Способы ресурсоемки и работают при достаточно высокой влажности в атмосфере, когда имеются облака, надо только стимулировать выпадение из них осадков (Качурин Л.Г. «Физические основы воздействия на атмосферные процессы». Л.: Гидрометеоиздат, 1990).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ вызывания атмосферных осадков путем нагрева воздуха над большой площадью земной поверхности с использованием либо горелок большой мощности (Вульфсон Н.И., Левин Л.М. «Метеотрон как средство воздействия на атмосферу». М.: Гидрометеоиздат, 1987), либо наземного экрана с зачерненной поверхностью для приема солнечных лучей (Солнечный метеотрон. Патент Великобритании GB 988109, 1965 г.), устанавливаемого в зоне, над которой вызывают выпадение осадков. Возможен дополнительный подогрев от зеркал, находящихся около этого экрана и направляющих на него солнечные лучи, сфокусированные на выбранной поверхности (патент RU 2071243). Нагретый воздух создает восходящий поток на высоту, на которой он при адиабатическом расширении охлаждается и достигает точки росы или кристаллизации. При наличии на этой высоте центров конденсации/кристаллизации водяной пар приземного воздуха испытывает фазовый переход, создавая облака, которые могут достигнуть состояния дождевых с выпадением осадков.

Недостатком метеотронов является то, что после наземного нагрева возникает неконтролируемый восходящий поток, который должен преодолеть нисходящие потоки воздуха в антициклоне и горизонтальный ветер, «пробить» задерживающий слой температурной инверсии, достичь уровня точки росы и принести с собой достаточное количество центров конденсации. Если хотя бы одно из условий не выполняется, осадкообразования не происходит. Огневой метеотрон, кроме того, требует сжигания огромного количества топлива, что нежелательно с экологической и экономической точек зрения.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание контролируемого восходящего потока воздуха в атмосфере на регулируемую высоту, в том числе и для образования облаков, и обогащении его центрами конденсации водяного пара за счет электрического поля Земли. Для этого предложена нагреваемая Солнцем многоярусная система привязных аэростатов с излучателями отрицательных ионов (ГЕЛИАТОР).

Суть изобретения

В малооблачную погоду в атмосферу запускается система привязных баллонов (аэростатов) в виде нескольких расположенных один над другим ярусов. Нагреваемые Солнцем поверхности баллонов из зачерненного материала отдают тепло окружающему воздуху, создавая восходящий свободный конвективный поток. Поднимающийся воздух достигает следующего яруса, на котором происходит дополнительный нагрев; процесс повторяется до достижения необходимой высоты. Высота верхнего и нижнего ярусов, их форма, размеры и расстояния между ними определяются метеоусловиями и поставленной задачей.

На ярусах закреплены заземленные электроды (эмиттеры электронов), коронирующие в электрическом поле Земли и снабжающие восходящий поток воздуха отрицательными ионами, служащими эффективными центрами конденсации водяного пара. Вся энергетика обеспечивается излучением Солнца и электрическим полем Земли. Баллоны заполнены газом легче воздуха и объединены одной и той же системой привязных тросов. Именно в солнечную погоду, в условиях антициклона, требуется искусственное создание восходящих потоков и облаков, в циклоне восходящие потоки образуются без вмешательства человека. Поверхности баллонов зачернены для улучшения поглощения солнечной радиации. Баллоны крепятся к рамам (их формы могут быть различными) и собраны в расположенные друг над другом ярусы. Внизу может быть расположен наземный зачерненный слой.

Рассмотрим ярус замкнутой формы в виде многоугольника или тора (бублика), образованного согнутым по окружности и наполненным газом цилиндрическим рукавом, с рамой такой же формы, обеспечивающей жесткость яруса и закрепленной на привязных тросах. Между периметром рамы и ее центром натянуты стягивающие провода (спицы), играющие роль также и эмиттеров электронов. Для усиления тока эмиссии применяются игольчатые острия. Один из привязных тросов соединен с эмиттерами и является заземляющим проводником, а остальные, для безопасности, - изоляторы из синтетических волокон. Для оболочки баллонов наиболее эффективно применение легкой зачерненной металлизированной синтетической пленки с хорошей теплопроводностью. Она хорошо держит газ при атмосферном давлении, противостоит ультрафиолету и выравнивает температуры нагрева солнечной и теневой сторон оболочки. При необходимости для увеличения площади солнечного нагрева навешивается дополнительный легкий зачерненный материал по периметру яруса, он же уменьшает подмешивание окружающего воздуха в восходящий поток. Если ярус имеет большой размер, на спицы соосно ободу крепится дополнительный кольцевой баллон внутри основного. Привязные тросы необходимой длины крепятся к лебедкам.

Форма и размеры ярусов, расстояния между ними, высота нижнего и верхнего определяются метеоусловиями и поставленной задачей (образование облаков, вентиляция и т.п.).

Сборка ярусов идет на земле. Собирается рама, крепится к тросам, натягивается система эмиттеров-спиц, к раме крепятся баллоны. Производится регулировка подъемной силы в реальных условиях. Для этого последовательно, начиная с верхнего, баллоны заполняются газом и ярусы запускаются в воздух. Объем газа для очередного яруса подбирается так, чтобы суммарная подъемная сила поднятых ярусов оставалась примерно одной и той же. Чтобы учесть вес тросов, балансировка проводится в расчете на максимальное расстояние между ярусами. Если требуется уменьшить расстояние между ними, на тросах образуются петли без повтора балансировки.

Ярусы после балансировки устанавливаются плоскостью вертикально и крепятся одной стороной к земле. Вся собранная система будет представлять собой лежащую на земле трубу с максимально прижатыми друг к другу ярусами.

Перед рабочим подъемом устанавливаются необходимые длины тросов между ярусами, затем ярусы последовательно, начиная с верхнего, снимаются с креплений и запускаются в воздух. Опускание производится в порядке, обратном подъему.

Система работает следующим образом. Зачерненные поверхности всех поднятых ярусов нагреваются Солнцем в малооблачную погоду, когда требуется создание восходящих потоков в атмосфере. Они отдают тепло окружающему воздуху путем конвекции, которая в 400 раз более эффективна, чем инфракрасное излучение, и в 500000 раз, чем молекулярная теплопроводность. В результате в каждом ярусе образуется поверхности. Воздух поднимается вверх, постепенно охлаждаясь за счет расширения и турбулентного перемешивания на периферии с окружающим воздухом, причем нагретый факел сжимается к оси симметрии. Происходит автоматическая самофокусировка восходящего потока (М.Ван-Дайк. «Альбом течений жидкостей и газов». Перевод с английского, Москва, «Мир», 1986, фото 212). Расстояние между ярусами подбирается так, чтобы воздух, не успев остыть до температуры окружения, достиг следующего яруса. Процесс подогрева повторяется на всех ярусах вплоть до верхнего. Вдоль оси установки формируется восходящий поток нагретого в контролируемых условиях воздуха в виде гибкого столба необходимой высоты. Преодоление нисходящих потоков в атмосфере регулируется автоматически: если скорость восходящего потока замедляется нисходящим, то происходит более интенсивный его прогрев на соответствующих ярусах.

Внутри каждого яруса имеется система заземленных проводов-эмиттеров, сквозь которую проходит восходящий поток, унося вверх отрицательный объемный заряд, эмитированный в процессе коронного разряда в постоянном электрическом поле Земли, причем направление движения совпадает с направлением движения зарядов в электрическом поле. Разность потенциалов между ионосферой и поверхностью Земли составляет 300-400 кВ, а на первых 3 км электрическое поле составляет около 100-130 В/м. Это означает, что, начиная с высоты 300 метров, разность потенциалов между заземленными эмиттерами и атмосферой составит 30 и более кВ. При таком поле коронный разряд на тонких проводниках, а тем более на остриях, идет интенсивно. Электроны за время 10-4-10-6 сек прилипают к нейтральным молекулам или микрочастицам и образуют эффективные заряженные центры конденсации. Для начала конденсации в атмосфере требуется, чтобы водяной пар находился при температуре не выше точки росы, а для эффективной конденсации требуется хотя бы небольшое пересыщение и наличие в воздухе центров (ионы, аэрозоли и т.п.), на которых начинается конденсация. Именно при небольших пересыщениях имеет значение знак заряда: на отрицательных ионах конденсация идет на несколько порядков эффективнее, чем на положительных (Дж. Вильсон. «Камера Вильсона». Москва, «Иностранная Литература», 1954; А.И.Русанов. «К термодинамике нуклеации на заряженных центрах». ДАН СССР, 1978, т.238, 4, с.831-834).

Образование облаков в естественных условиях происходит при подъеме восходящими потоками приземного воздуха, всегда содержащего водяной пар, и его охлаждения (1°С на 100 метров при адиабатическом расширении) вплоть до достижения точки росы. При конденсации выделяется скрытая теплота конденсации, равная 2498 Дж/г, а поскольку теплоемкость кубометра воздуха составляет около 1255 Дж/градус, то конденсация 1 г воды поднимает его температуру примерно на 2 градуса. Этот дополнительный нагрев при конденсации приводит к самоподдерживающемуся усилению восходящих потоков и, при достаточной начальной температуре, влажности воздуха и наличию центров конденсации, к образованию мощных кучевых облаков вертикального развития с выпадением осадков («Атмосфера. Справочник». Под ред. Ю.С.Седунова. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1991 г.).

Обычное вертикальное движение воздуха во время антициклона является нисходящим, формирует задерживающий слой (инверсия осаждения), не позволяющий нагретому от подстилающей поверхности воздуху подниматься выше него. Нагретый описанным способом на нескольких уровнях, в контролируемых условиях, восходящий поток способен преодолеть нисходящие потоки и инверсные слои и на выходе из верхнего яруса достичь высоты, на которой начинается конденсация водяного пара и возникает самоподдерживающийся процесс формирования облака за счет непрерывного засасывания приземного воздуха.

Количественные оценки. При радиусе рукава (баллона)=1.5 м, радиусе яруса=10 м, объем баллона=444 м 3, подъемная сила полностью заполненного гелием баллона -около 450 кГ, поверхность баллона=592 м2, вес оболочки около 24 кГ при удельном весе пленки - 40 г/м2, крепление баллона (сетка) 10 кГ. Если используется дополнительная поверхность площадью 300 м2 в виде одной или нескольких полос черного материала шириной 5-6 м по периметру яруса (ширину можно увеличивать), то ее вес 12 кГ. Вес 200 м кабелей (кевлар, диаметр 5 мм, вес 1.8 кГ/100 м, прочность 3 тонны) при расстоянии между ярусами 50 м=4 кГ, вес 20 проводов-спиц диаметром 2 мм=5 кГ, вес обода=50 кГ. Суммарный вес около 105 кГ, т.е. баллон для нейтральной плавучести требуется заполнить газом только на 1/4 его объема, и он будет иметь форму плоского кольца шриной 4 м и толщиной около 0.5 м, создающего минимальное сопротивление горизонтальному ветру при максимальной площади нагрева. Горизонтальному ветру также противостоит самофокусировка факела конвекции и наклон самой установки из-за парусности ярусов. Тангенс угла наклона от вертикали определяется отношением силы лобового сопротивления яруса горизонтальному ветру к подъемной силе яруса с учетом ее увеличения за счет восходящего потока. Лобовое сопротивление составляет около 1.5 кГ/м2 при ветре 5 м/сек и изменяется пропорционально квадрату скорости ветра. Если подъемная сила подобрана правильно, то наклон оси установки автоматически отслеживает наклон оси факела конвекции, и его выдувания за пределы яруса не происходит. Более того, из-за наклона составляющая горизонтального ветра, параллельная оси установки, будет ускорять восходящий поток. При сильном горизонтальном ветре (признак разрушения антициклона) систему требуется опускать.

На орбите Земли поток лучистой энергии Солнца составляет 1366 Вт/м2. В солнечный день до поверхности, перпендикулярной лучам на уровне моря, доходит около 1000 Вт/м2, следовательно, не меньший поток энергии будет на любых более высоких уровнях. Освещаемая поверхность баллона одного яруса зависит от положения Солнца и составляет в среднем 200 м2. При дополнительной поверхности 300 м2 поглощаемая энергия Солнца составит около 450 кВт на каждом ярусе с учетом затенений. При средней скорости восходящего потока 2 м/сек (на оси яруса скорость больше) такая мощность позволит подогревать воздух в среднем на 2.3°С на каждом уровне (при скорости 1 м/сек нагрев будет на 4.5°С). Если до следующего яруса воздух охлаждается на 0.5°С (это сильное 15%-20% примешивание на каждом ярусе) за счет боковых включений и превышения охлаждения за счет адиабатического расширения над температурой окружающего воздуха, тогда после прохождения 10 ярусов поток сможет преодолеть температурный скачок в 15°С.

Полная солнечная энергия, идущая на нагрев, пропорциональна числу ярусов и в данном случае составляет 5 МВт с учетом наземного слоя, т.е на столб восходящего потока площадью 1 м2 приходится 15-20 кВт (для сравнения - в солнечном метеотроне - 1-2 кВт). Кроме того, существует трудно оцениваемый вклад в подогрев восходящего потока от нагрева проводников, эмиттеров, тепловыделения энергии сродства электронов к молекулам кислорода и воды при обогащении восходящего потока отрицательными ионами, скрытой теплоты конденсации.

Техническим результатом изобретения является создание контролируемого восходящего потока воздуха на регулируемую высоту. Следует еще раз подчеркнуть, что вся энергетика обеспечивается только излучением Солнца и электрическим полем Земли.

Из оценок видно, что ни одна из характеристик многоярусной системы не критична и может изменяться в достаточно широких пределах.

Изобретение может использоваться в метеорологии для создания облаков, стимулирования осадков, создания каналов циркуляции воздуха через задерживающий слой антициклона, для вентиляции и выброса загрязнений с приземного слоя и т.д.

Формула изобретения

1. Способ создания восходящего потока воздуха в атмосфере путем его нагрева, отличающийся тем, что восходящий поток воздуха подогревают на нескольких уровнях от нагреваемых солнцем зачерненных поверхностей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что восходящий поток воздуха на нескольких уровнях обогащают отрицательными ионами от заземленных коронирующих в электрическом поле Земли электродов.

3. Устройство для создания восходящего потока воздуха в атмосфере на основе нагреваемых солнцем поверхностей, отличающееся тем, что нагреваемые солнцем поверхности являются поверхностями многоярусной системы привязных аэростатов с зачерненными баллонами, расположенными на нескольких уровнях, причем высота верхнего и нижнего ярусов, их форма, размеры и расстояния между ними определяются метеоусловиями и поставленной задачей, устройство дополнительно снабжено многоуровневой системой заземленных коронирующих в электрическом поле Земли электродов.