способ уничтожения пролетных стай саранчи

Формула изобретения

1. Способ уничтожения пролетных стай саранчи, заключающийся в воздействии на стаю излучением лазера с последующим сканированием, отличающийся тем, что излучение лазера с мощностью W и апертурой площадью S направляют на участок видимого контура стаи, фиксируют его на выбранном участке на время _i, в течение которого при данной мощности лазера все особи стаи, находящиеся в области стаи внутри апертуры излучения лазера, проходящего сквозь стаю, получают поражающую дозу облучения q, при этом _i = (q/w)S, затем сканируют путем перемещения излучения на другой участок видимого контура стаи, причем полное время сканирования определяется соотношением = (F/S)_i, где F - площадь видимого контура стаи, при этом для уничтожения стаи с количеством особей N и плотностью особей n мощность излучения лазера определяется соотношением



где k= 1-2,5 - коэффициент формы стаи.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на стаю воздействуют непрерывным излучением СО-лазера открытого или замкнутого цикла.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на стаю воздействуют импульсно-периодическим излучением СО-лазера открытого или замкнутого цикла.

4. Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что сканирование осуществляют путем перемещения излучения лазера по участкам сгущения особей в летящей стае.

5. Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что сканирование осуществляют путем перемещения излучения лазера по участкам сгущения особей в роящейся стае.

6. Способ по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что в процессе сканирования перемещение излучения лазера на другой участок видимого контура стаи осуществляют за время между импульсами излучения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области борьбы с вредителями сельскохозяйственных растительных культур и может быть использовано для уничтожения пролетных стай саранчи.

Саранчовые (отряд Orthoptera, подотряд Caelifera, надсемейство Acridoidea) являются серьезнейшими вредителями сельского хозяйства как в Старом, так и в Новом Свете. Особую опасность представляют виды, дающие стадную мигрирующую форму с высокой плотностью популяции. Эти виды получили собирательное название саранчи или стадных саранчовых. В мире насчитывается более десятка видов саранчи. У большинства из них периодически регистрируются вспышки массового размножения, которые причиняют колоссальный экономический ущерб.

В жизненном цикле саранчи можно выделить три характерных периода. Период массовой откладки яиц в местах, называемых гнездилищами. Период кулиг, в котором личинки (саранчуки) до окрыления живут тесными скоплениями. И стайный период, когда особи саранчи окрыляются и мигрируют на дальнее расстояние.

На первых двух периодах существуют развитые, в основном химические, методы уничтожения саранчи [1] . На стайном периоде реализованных методов уничтожения саранчи не существует. С 70-х годов в связи с развитием источников электромагнитного излучения появились предложения уничтожать насекомых, в том числе саранчу, с помощью СВЧ-излучения, микроволнового излучения и лазерного излучения.

Так в [2] предлагается уничтожать вредителей животного и растительного происхождения путем воздействия на них СВЧ-излучением. В [3] предлагается уничтожать указанных вредителей путем воздействия на них микроволновым излучением. Эти методы используют электромагнитное излучение с длиной волны, превышающей размеры вредителей, а следовательно, эффект уничтожения достигается за счет нагревания всего тела особи до температуры, вызывающей гибель насекомого. Для уничтожения пролетных стай саранчи такие методы непригодны. При нагревании особи до 100^oС (температура заведомого омертвления тканей), при удельной теплоемкости тела насекомого 1 Дж/(ггр) для уничтожения пролетной стаи саранчи среднего размера требуются энергозатраты 2-310⁴ кВтчас. Это означает, что за время дневного полета стаи ~ 12 часов, мощность источника СВЧ или микроволн должна достигать 2000 кВт. Источники такой мощности принципиально стационарны и, следовательно, не пригодны для уничтожения пролетных стай саранчи.

В [4] предлагается уничтожать насекомых, в том числе саранчу, лазерньм излучением различного спектрального диапазона в некотором выделенном объеме, куда они привлекаются приманками разного типа действия. Этот метод предназначен для уничтожения небольшого количества привлеченных насекомых и не пригоден для борьбы с пролетными стаями саранчи.

В [5] , выбранном в качестве прототипа, предлагается способ уничтожения пролетных стай саранчи общей биомассой до 3000 т, основанный на воздействии на стаю лазерным излучением. В этом способе применяется мобильный источник лазерного излучения (Nd-YaG-лазер, химический лазер, CO₂-лазер) мощностью до 10 кВт, работающий в непрерывном или импульсно-периодическом режимах. При этом лазер оснащается специальным компьютерным сканером, который методом распознавания образов разрешает отдельную особь в стае и отслеживает ее перемещение, причем излучение лазера фокусируется на выбранном участке тела насекомого в пятне диаметром 2 мм. После чего излучение перенацеливается на соседнюю особь.

Предложенный метод уничтожения пролетных стай саранчи технически не реализуем.

Характерное число особей в пролетной стае саранчи составляет N~10⁷-10⁹ шт с плотностью особей n~10^-3-10 м^-3. Масса особи саранчи ~3 г. Характерное значение биомассы в стае до 3000 т. Врем нахождения стаи в полете ~12 часов в сутки. Проведенные нами экспериментальные исследования показали, что величина плотности энергии q, вызывающая необратимые поражения особи саранчи, слабо зависит от длины волны лазерного излучения и составляет ~3 Дж/см². В предлагаемом в [5] методе уничтожения пролетных стай саранчи при диаметре пятна 2 мм (площадь пятна 310^-2 см²) энергия, необходимая для необратимого поражения особи саранчи, составляет 0.1 Дж. Формально энергетически лазер мощностью излучения до 10 кВт за время нахождения стаи в полете (без учета времени перенацеливания излучения на следующую особь) способен уничтожать стаи указанных выше размеров, однако только при одном условии, когда энергия излучения подводится последовательно к каждой особи саранчи. Технически реализовать такой способ доставки энергии к отдельной особи саранчи не представляется возможным.

В самом деле, при помещении источника излучения на транспортное средство для обеспечения безопасности его функционирования необходимо поддерживать определенное расстояние между источником и стаей. Размер отдельной особи саранчи составляет от 3 до 7 см в длину и до 1 см в поперечнике. Если расстояние между источником излучения и стаей составляет 1 км, то угловой размер видности особи саранчи 10^-5 рад. Это означает, что угловая точность удержания сфокусированного пятна должна быть не хуже чем 510^-6 рад. Эта величина является пределом точности наведения для сухой, безветренной, слаботурбулизованной атмосферы. В реальных условиях такая точность недостижима, тем более что собственные вибрации транспортного средства заведомо препятствуют достижению заданной точности наведения излучения. Таким образом, способ по [5] не сможет решить задачу уничтожения пролетных стай саранчи.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности борьбы с пролетными стаями саранчи вплоть до полного их уничтожения за счет применения технически реализуемого способа сканирования стаи излучением лазера.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе уничтожения пролетных стай саранчи, заключающемся в воздействии на стаю лазерным излучением с последующим сканированием, лазерное излучение с мощностью W и апертурой площадью S направляют на участок видимого контура стаи, фиксируют его на выбранном участке на время _i,, в течение которого при данной мощности лазера все особи стаи, находящиеся в области стаи внутри апертуры лазерного луча, проходящего сквозь стаю, получают поражающую дозу облучения q, при этом _i = (q/W)S, затем сканируют путем перемещения излучения на другой участок видимого контура стаи, причем полное время сканирования определяется соотношением = (F/S)_i, где F - площадь видимого контура стаи, при этом для уничтожения стаи с количеством особей N и с плотностью особей n мощность лазерного излучения определяется соотношением:



где k=1-2.5 - коэффициент формы стаи.

Способ проиллюстрирован на чертеже, где изображена стая саранчи, движущаяся со скоростью U, с площадью видимого контура F, на участок которого с расстояния L направлено лазерное излучение с площадью апертуры S. Способ по изобретению не требует наведения лазерного излучения на каждую особь стаи, однако его реализация требует значений мощности излучения больших, чем в прототипе. Действительно лазерное излучение с максимальной мощностью W=10 кВт, принятой в [5] , способно уничтожить за полное время дневного полета стаи ~ 12 часов лишь 50 т биомассы (оценки проведены по формуле для W, принимая k=1, п=10 м-³ и q=3 Дж/см²). Т.е. для уничтожения пролетных стай саранчи требуются более мощные лазеры.

К таким лазерным источникам можно отнести химические, СО₂ - и СО-лазеры. СО-лазеры излучают в спектральном диапазоне от 4,7 мкм до 7 мкм. Экспериментально показано [6, 7], что электроразрядные СО-лазеры обладают самыми высокими значениями КПД (коэффициента преобразования электрической мощности в мощность лазерного излучения более 40%) и удельного энергосъема (более 100 кВт/(кг/с)). При таких энергетических характеристиках массогабаритные показатели лазера позволяют создать комплексы, которые могут быть размещены на транспортных средствах - сухопутных, водных и воздушных.

СО-лазер может быть открытого или замкнутого цикла. Лазер открытого цикла конструктивно более прост и позволяет за более короткое время выйти на режим. Однако при длительной работе открытый цикл требует больших запасов рабочего тела. Лазер замкнутого цикла не требует запасов рабочего тела, однако, до определенного времени воздействия, не требующего больших запасов рабочего тела, он остается тяжелей лазера открытого цикла и имеет большее время выхода на режим. Выбор схемы контура лазера определяется размером стаи и грузоподъемностью транспортного средства. Чем больше размер стаи, тем больше время воздействия на стаю и соответственно должен быть больше запас рабочего тела лазера с открытым циклом. Если грузоподъемность транспортного средства ограничена или уничтожаемая стая имеет большой размер, требующий длительного время воздействия на нее, должен использоваться лазер замкнутого контура, т.к. он не требует запаса рабочего тела.

Для достижения технического результата по изобретению возможно использовать как непрерывный режим излучения лазера, так и импульсно-периодический. Непрерывный режим излучения технически проще реализовать. В импульсно-периодическом режиме излучения эффект уничтожения саранчи выше за счет того, что при одинаковой средней мощности мощность излучения в импульсе выше, что увеличивает эффективность поражения.

Если в контуре стаи возможно выделить участки сгущения особей, целесообразно направлять непрерывное или импульсно-периодическое лазерное излучение на них. Это позволяет сократить время уничтожения стаи.

Перенацеливание излучения в случае импульсно-периодического режима возможно производить за время между импульсами излучения, что также позволит сократить время уничтожения стаи.

Способ по изобретению предлагает воздействовать на стаю саранчи в разные времена ее суточного цикла. Суточное поведением пролетной стаи таково. После восхода приземлившаяся компактным образованием на ночлег стая греется на солнце в течение 2 часов, причем некоторая часть стаи взлетает и роится над сидящей основной стаей. Вся же стая поднимается в воздух в течение последующих 2 часов. В дневном полете члены летящей стаи неоднократно совершают посадки и взлеты, в результате чего происходит непрерывная ротация саранчи. Это приводит к тому, что возможно уничтожение пролетной стаи саранчи по частям, т. е. по мере ее периодического подъема в воздух как в период роения, так и в период полета, что более выгодно энергетически. Необходимо отметить, что, определяя топологию взлетевшей части стаи, выделяя места в контуре стаи с наибольшим количеством особей и направляя в эти места уничтожающее лазерное излучение, можно лишить стаю способности к коллективному поведению, поскольку предположительно в местах скопления наиболее вероятного нахождение доминантных особей, определяющих поведение стаи. Стая, не способная к коллективному поведению, лишена возможности дальнейшего продвижения и может быть уничтожена другими средствами.

Таким образом, существующие лазерные комплексы, размещенные на любом транспортном средстве, снабженные системами наведения и сканирования лазерного излучения, позволяют реализовать способ по изобретению, который позволяет уничтожить пролетную стаю саранчи.

Источники информации

1. Саранчовые - экология и меры борьбы. - Изд. "Наука", Л., 1987, стр. 40-65, 78-110.

2. Патент ФРГ 3719994 А1, кл. МКИ⁴ А 01 М 1/22, опублик. 29.12.88.

3. Патент ФРГ 3804052 А1, кл. МКИ⁴ А 01 М 1/22, опублик. 24.08.89.

4. Патент США 5343652, кл. МКИ⁵ А 01 М 1/20, опублик. 06.09.94.

5. Патент ФРГ 3825389 А1, кл. МКИ⁴ А 01 М 1/22, опублик. 08.02.90 (прототип).

6. Непрерывный электроионизационный СО-лазер с дозвуковым потоком рабочей смеси. А.С.Головин, В.А.Гурашвили и др. Квантовая электроника, 23, 5, с.405-408,1996.

7. Dymshits B.M., Ivanov G.V., Mescherskly A.N. CW 200 kW supersonic CO Laser. SPIE, vol.2206, p.109-120, 1999.