способ локального воздействия на метеорологические процессы в атмосфере земли, устройство и техническая система для его реализации

Формула изобретения

1. Способ воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли, включающий оценку метеорологического и/или экологического состояния атмосферы и по результатам оценки корректировку режимов формирования в атмосфере Земли конвективных потоков из легких ионов газов, входящих в состав ее атмосферы, путем ионизации преимущественно компоненты кислорода окружающего атмосферного воздуха в поле отрицательного электростатического заряда, отличающийся тем, что осуществляют локальное изменение хода метеопроцессов в атмосфере Земли радиусом до нескольких десятков километров в горизонтальной плоскости и на высоту тропосферы - в вертикальной плоскости за счет управления фазовыми переходами воды в данной области атмосферы путем направления вертикального потока отрицательно заряженных легких ионов вдоль силовых линий электростатического поля Земли и ионизатора, при этом величину напряженности поля ионизатора регулируют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют регулировку напряженности поля ионизатора, влияющую на фазовые переходы воды в атмосфере, по результатам мониторинга метеопроцессов, в том числе космического, в защищаемых зонах и в окружающих их районах от нескольких метров до нескольких сотен километров.

3. Система воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли, содержащая блок средств дистанционного зондирования Земли, командный блок управления, по меньшей мере, один блок активного воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли, выполненный в виде ионизатора атмосферного воздуха, формирующего вертикально направленный поток отрицательно заряженных ионов, блок анализа мониторинговой и/или прогностической информации о метеообстановке и блок корректировки, связанные по телекоммуникационным каналам управления и передачи данных между собой, отличающаяся тем, что блок активного воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли выполнен с обеспечением локального изменения хода метеопроцессов в атмосфере Земли радиусом до нескольких десятков километров в горизонтальной плоскости и на высоту тропосферы - в вертикальной плоскости, при этом ионизатор выполнен с возможностью направления вертикального потока отрицательно заряженных легких ионов вдоль силовых линий электростатического поля Земли и ионизатора и с возможностью регулирования величины напряженности его поля для управления фазовыми переходами воды в данной области атмосферы.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что она имеет группу ионизаторов в атмосфере Земли, снабженную одним блоком управления, подключенным к процессору, или каждый из ионизаторов группы имеет собственный блок управления, подключенный к процессору, для согласованного управления фазовыми переходами воды в различных слоях атмосферы.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что каждый ионизатор дополнительно снабжен, по меньшей мере, одним генератором паров воды, а также блоком управления генератором паров воды, подключенным к процессору.

6. Блок активного воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли, выполненный в виде ионизатора и включающий пару электродов, один из которых - эмиттер выполнен в виде коронирующего электрода и соединен с отрицательным полюсом источника высокого постоянного напряжения, а другой выполнен заземленным и соединен с положительным полюсом источника высокого постоянного напряжения, при этом эмиттер и заземленный электрод образуют группу рабочих секций, причем рабочие секции эмиттера и заземленного электрода расположены относительно друг друга эквидистантно и в параллельных плоскостях, отличающийся тем, что рабочие секции эмиттера образуют куб с ребром 0,5-2,0 м и с отсутствующей верхней гранью, при этом рабочая секция, расположенная в горизонтальной плоскости, образует нижнюю грань куба, с которой электрически и механически соединены четыре другие рабочие секции, расположенные в вертикальной плоскости и представляющие собой боковые грани куба.

7. Блок по п.6, отличающийся тем, что он снабжен электростатическим экстрактором, на который подается отрицательное регулируемое напряжение и рабочие секции которого выполнены аналогично рабочим секциям эмиттера, но меньших размеров, и расположены внутри эмиттера параллельно и эквидистантно его соответствующим рабочим плоскостям.

8. Блок по одному из пп.6 и 7, отличающийся тем, что он снабжен увлажнителем формируемого потока ионов и/или устройством для продувки воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам, устройствам и системам активного воздействия на атмосферные процессы, в частности к способам, устройствам и системам, позволяющим управлять фазовыми переходами воды в земной атмосфере, и тем самым локально изменять течение атмосферных процессов. Изобретение может быть использовано как для локального изменения метеоусловий, так и для локального улучшения экологической обстановки в выбранной зоне, что позволит своевременно устранять локальные экологические загрязнения атмосферы как природного, так и техногенного характера.

Известны способы управления атмосферными процессами при наличии и отсутствии облаков с использованием химических реагентов и за счет ионизации атмосферы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности и достигаемому техническому результату являются:

способы управления атмосферными процессами, описанные в патенте RU 2090057 A01G 15/00, 20.09.1997 г.;

генератор ионов, описанный в патенте Российской Федерации RU 2090057 A01G 15/00, 20.09.1997 г.;

техническая система предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, описанная в патенте на полезную модель №33824, G06F 7/00, 10.11.2003 г.

Целями предлагаемого изобретения являются создание:

эффективного экологически чистого способа локального воздействия на метеопроцессы с использованием устройства (устройств) для локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли - ионизаторов атмосферного воздуха, реализующих слаботочный коронный разряд и управляющих фазовыми переходами воды в атмосфере для формирования в заданный временной интервал локальных: зоны безоблачной или малооблачной погоды без осадков и туманов, или зоны осадков, или зоны, в которой обеспечивается снижение концентрации экологически вредных примесей в районах расположения и действия природных и техногенных источников загрязнения;

эффективного устройства для локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли за счет управления фазовыми переходами воды в атмосфере - ионизатора атмосферного воздуха;

эффективной экологически чистой технической системы (далее - системы), позволяющей реализовать вышеуказанный способ воздействия на метеопроцессы с использованием устройства (устройств) для локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли - ионизаторов атмосферного воздуха, управляющих фазовыми переходами воды в атмосфере.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка: способа локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли, базирующегося на управлении фазовыми переходами воды в атмосфере. При этом управление фазовыми переходами воды в атмосфере и тем самым локальное изменение хода метеопроцессов в локальных зонах атмосферы осуществляется при сверхслабых энергетических затратах за счет избирательной ионизации составляющих атмосферного воздуха, в частности за счет преимущественной ионизации кислорода воздуха (атомарного, молекулярного и озона), и использования для формирования и поддержания устойчивых вертикальных потоков управляемых фазовых переходов воды в различных слоях тропосферы и в условиях собственного электростатического поля Земли и поля устройства для локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли (ионизатора атмосферного воздуха), что позволяет отказаться от использования каких-либо химических реагентов и обеспечивает нужную управляемость метеопроцессов в атмосфере Земли. Изменяя характеристики воздействия на атмосферу, в частности напряженность поля, создаваемого устройством для локального воздействия на метеопроцессы, можно менять характер и виды фазовых переходов в атмосфере Земли и тем самым воздействовать на метеопроцессы в атмосфере в нужном направлении. Для наблюдения за ходом метеопроцессов, ходом фазовых переходов в атмосфере Земли используются средства оценки атмосферной ситуации (метеорологической и/или экологической): наземные, авиационные и космические средств. По данным указанных средств наблюдения осуществляется корректировка режимов работы устройства (устройств) для локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли за счет управления фазовыми переходами воды в атмосфере.

Для создания над защищаемым объектом зоны безоблачной (малооблачной) погоды, или зоны осадков или рассеяния тумана или же разрушения над указанным объектом инверсного слоя над ним (способствующего накоплению вредных примесей в атмосферном воздухе) необходимо обеспечение фазовых переходов воды в атмосфере вблизи защищаемого объекта (в районе радиусом нескольких единиц - десятков километров) и над ним. Именно управление фазовыми переходами воды в атмосфере в указанном районе (вблизи защищаемого объекта (в районе радиусом нескольких единиц - десятков километров) и над ним) приводит либо к переходу воды из газообразного состояния (в виде водяного пара) в жидкое (вода) или твердое (кристаллы льда) и формированию облачности над защищаемым объектом (с последующим доведением размера капель и кристаллов до размеров, позволяющих выпадать им из облаков в виде осадков), либо из жидкого и/или твердого в газообразное, и тем самым к рассеянию облачности и/или тумана над защищаемым объектом. Вместе с тем, переход воды из газообразного состояния в жидкое или твердое приводит к формированию устойчивых конвективных потоков в условиях в условиях электростатического поля Земли и регулируемого электрического поля устройства локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли, приводящих к разрушению инверсного слоя в атмосфере. Таким образом, локальное воздействие на метеопроцессы в нужном направлении обеспечивается за счет управления фазовыми переходами воды в атмосфере в районе защищаемого объекта в условиях электростатического поля Земли и регулируемого электрического поля устройства локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли, а не просто созданием восходящего тока воздуха, инициируемого током униполярных легких обводненных ионов, как в патенте прототипе.

Действительно, известно, что в атмосфере постоянно находится большое количество разнообразных ионов, которые перемещаются в виде объемных электрических зарядов под действием конвективных и адвективных воздушных потоков различных масштабов, турбулентных движений воздуха, а также атмосферных образований и при отсутствии упомянутых факторов - под действием электрического поля Земли, в котором положительные ионы имеют тенденцию перемещаться в направлении к земной поверхности, а отрицательные - от земной поверхности, порождая, таким образом, вертикальные токи проводимости в атмосфере. В процессе вертикального подъема ионов вокруг них происходит группировка электрически нейтральных молекул, прежде всего сильно поляризованных молекул воды. Комплексы обводненных легких ионов вместе с молекулами водяного пара и другими включениями в воздушном потоке поднимаются вверх под действием восходящих и турбулентных движений воздуха и отрицательного электрического поля Земли; достигают уровня конденсации, где происходит конденсация водяного пара и переход его в жидкое состояние и/или в твердое в зависимости от температуры в слое, и наблюдается процесс облакообразования. Затем образовавшиеся капли воды и/или кристаллы льда движутся в облаке вверх - вниз под влиянием облачной турбулентности, силы тяжести, силы Архимеда. При этом наблюдаются процессы испарения, конденсации, сублимации и коагуляции, т.е. фазовые переходы (из жидкого в твердое или газообразное и обратно), рост капель воды и кристаллов льда и их исчезновение. При определенных условиях наблюдается рост облачных капель и кристаллов до размеров, приводящих к выпадению осадков, при других - образование облачности без осадков. Следует подчеркнуть, что в случаях, когда капли несут на себе электрические заряды, на скорость их сближения, а вместе с этим и на коагуляцию оказывают влияние: а) кулоновские силы взаимодействия, б) дипольные силы взаимодействия между поляризованными частицами, в) электрическое поле облака. Формула для коэффициента захвата (Э) каплей радиусом R, несущей заряд е₁, капель радиусом r с зарядом е₂ имеет вид:

Э=4 /(1- ),

где =e_lе₂/6 rR² _s, =(r/R)², _s=2 _кgR²/9 - стоксова скорость падения, - коэффициент молекулярной вязкости; _к - плотность частицы (капли), g - ускорение свободного падения. При R<10 мкм и е ₂=3·10^-13 Кл коэффициент захвата заряженных капель больше единицы. При R>10 мкм коэффициент захвата хотя и меньше единицы, но не настолько мал, чтобы с зарядом капель можно было не считаться. Роль электрического поля облака в коагуляции капель мала, если его напряженность не превышает нескольких сотен вольт на сантиметр (В/см). Однако при напряженности поля, близкой к пробивному значению, происходит вытягивание крупных капель и их разбрызгивание.

Варьируя высокими значениями напряженности электрического поля в облаке можно влиять на рост капель и кристаллов в облаке и локально управлять фазовыми переходами воды в облаке и тем самым локально управлять ходом метеопроцессов.

На определенных расстояниях от восходящего потока воздуха возникают компенсирующие нисходящие движения воздуха, при которых наблюдаются обратные фазовые переходы воды: из облачного (жидкого и твердого) в газообразное (в водяной пар) или из твердого в жидкое, а затем в газообразное. Иначе говоря, наблюдается рассеяние облачности и туманов. Меняя напряженность электрического поля облака или тумана можно локально управлять при этом фазовыми переходами воды и, соответственно, локально управлять ходом метеопроцессов.

Для повышения локальной управляемости фазовыми переходами воды в атмосфере такие переходы осуществляют в отрицательном электрическом поле Земли и регулируемом электрическом поле устройства управления фазовыми переходами воды в атмосфере (обеспечивается условие суперпозиции указанных полей).

Таким образом, способ воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли включает оценку метеорологического и/или экологического состояния атмосферы, и по результатам оценки корректировку режимов формирования в атмосфере Земли конвективных потоков из легких ионов газов, входящих в состав ее атмосферы, путем ионизации, преимущественно компоненты кислорода окружающего атмосферного воздуха в поле отрицательного электростатического заряда. При этом локальное изменение хода метеопроцессов в атмосфере Земли в области радиусом до нескольких десятков километров в горизонтальной плоскости и на высоту тропосферы - в вертикальной плоскости - осуществляют за счет управления фазовыми переходами воды в данной области атмосферы, для чего вертикальный поток отрицательно заряженных легких ионов, в том числе кислорода, направляют вдоль силовых линий электростатического поля Земли и ионизатора, при этом величину напряженности электрического поля ионизатора (устройства управления фазовыми переходами воды в атмосфере) регулируют. Диапазон регулируемой напряженности электрического поля ионизатора (устройства управления фазовыми переходами воды в атмосфере) находится в пределах от 8 до 50 кВ/м в зависимости от фактических метеоусловий и их прогноза.

Регулировку параметров, влияющих на фазовые переходы воды в атмосфере, осуществляют по результатам мониторинга метеопроцессов, в том числе космического, в защищаемых зонах и в окружающих их районах (от нескольких метров до нескольких сотен километров).

Еще одна задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании устройства для локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли, позволяющего на фоне образуемого объемного электрического заряда и восходящего тока воздуха обеспечивать управление фазовыми переходами воды в атмосфере в интересах локального воздействия на метеопроцессы в нужном направлении.

Поставленная техническая задача решается тем, что устройство для локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли для обеспечения направленных свойств генерируемого потока электронов и формируемого при этом потока отрицательных ионов атмосферных газов в электрическом поле Земли и устройства, а также обеспечения управления фазовыми переходами воды во всех слоях тропосферы, эмиттер выполнен в форме куба с ребром 0,5-2,0 метра, у которого, обязательно, имеется нижняя грань - рабочая секция, расположенная в горизонтальной плоскости, с которой электрически и механически соединены четыре других рабочих секции, расположенные строго в вертикальной плоскости и представляющие собой боковые грани куба, при этом у эмиттера обязательно отсутствует верхняя горизонтальная рабочая секция, т.е. верхняя грань куба. Отсутствие верхней рабочей секции обеспечивает направленный отток электронов от рабочих поверхностей эмиттера. Описанная конструкция эмиттера позволяет обеспечить достаточную вертикальную направленность создаваемому ионному потоку, возможность подъема указанного потока в электрическом поле Земли и устройства на всю высоту тропосферы, а также управлять фазовыми переходами воды во всех слоях тропосферы в нужном направлении и тем самым влиять на метеопроцессы в атмосфере Земли.

Отклонение размеров эмиттера в меньшую сторону приводит к тому, что создаваемый ионный поток не будет достаточно устойчивым при различных метеоусловиях. При отклонении размеров эмиттера в большую сторону создаваемый ионный поток не будет достаточно направленным, что не обеспечит его устойчивое проникновение в верхние слои тропосферы и тем самым не позволит эффективно воздействовать на ход метеопроцессов в атмосфере.

Схематично описанное устройство представлено на Фиг.1 и 2. На Фиг.1 показан общий вид эмиттера ионной секции устройства для локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли посредством управления фазовыми переходами воды в атмосфере - ионизатора атмосферного воздуха: 1 - положительный электрод; 2 - эмиттер, 3 - экстрактор; 4 - опоры ионной секции. На Фиг.2 показан общий вид рабочих секции эмиттера ионной секции устройства для локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли посредством управления фазовыми переходами воды в атмосфере - ионизатора атмосферного воздуха: 5-8 - боковые рабочие секции эмиттера; 9 - нижняя рабочая секция эмиттера; 10 - коронирующий провод на каркасах рабочих секций.

Каждая рабочая секция эмиттера представляет собой металлический квадратный каркас с размером 0,5-2,0 метра, на котором механически закреплены через определенный шаг тонкие коронирующие проводники равной длины. Для ускорения оттока электронов, образующихся при реализации коронного разряда, возможно включение в состав устройства для локального воздействия на метеопроцессы электростатического экстрактора, на который подается отрицательное регулируемое напряжение. Рабочие секции экстрактора аналогичны рабочим секциям эмиттера, но меньших размеров и должны располагаться внутри эмиттера параллельно и эквидистантно соответствующим рабочим плоскостям эмиттера. У экстрактора, как и у эмиттера, обязательно имеется нижняя грань - рабочая секция, расположенная в горизонтальной плоскости, с которой электрически и механически соединены четыре других рабочих секции, расположенные строго в вертикальной плоскости и представляющие собой боковые грани куба, при этом у экстрактора обязательно отсутствует верхняя горизонтальная рабочая секция, т.е. верхняя грань куба.

В состав устройства для локального воздействия на метеопроцессы помимо ионной секции должен входить блок формирования регулируемого высокого электрического напряжения в пределах 8-50 кВ при слабых токах порядка единиц - десятков мА, а также устройство управления или программа управления, установленная на современной электронно-вычислительной машине, для управления работой устройства для локального воздействия на метеопроцессы.

Описанные выше способ и устройство для локального воздействия на метеопроцессы реализуются в системе локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере. Поставленные технические задачи достигаются тем, что в системе, содержащей, по меньшей мере, один командный узел управления, включающий в себя процессор и подключенные к нему телекоммуникационными каналами управления и передачи данных: блок приема, обработки и хранения метеорологической информации местных и центральных метеостанций; блок приема, обработки и хранения мониторинговой информации от средств внешнего наблюдения за защищаемой зоной и зоной воздействия; устройство внешнего ввода данных; устройство вывода данных; приемо-передающее устройство; устройство для локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли, которое согласно изобретению представляет собой, по меньшей мере, один ионизатор атмосферного воздуха, управляющий фазовыми переходами воды в атмосфере и формирующий вертикально направленный поток отрицательно заряженных ионов, движущихся вдоль силовых линий электростатического поля Земли и регулируемого электростатического поля устройства, и блок управления режимами работы ионизатора (ионизаторов), подключенный к процессору.

При этом система может быть снабжена: группой устройств для локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли - ионизаторов воздуха, каждый из которых управляет фазовыми переходами воды в атмосфере Земли и формирует собственный вертикально направленный поток отрицательно заряженных легких ионов, в том числе кислорода, движущихся вдоль силовых линий электростатического поля Земли и устройства, при этом каждый ионизатор снабжен собственным блоком управления, подключенным к процессору; либо группой ионизаторов, каждый из которых управляет фазовыми переходами воды в атмосфере Земли и формирует собственный вертикально направленный поток отрицательно заряженных легких ионов, в том числе кислорода, движущихся вдоль силовых линий электростатического поля Земли и регулируемого поля устройства, при этом вся группа ионизаторов снабжена единственным блоком управления, подключенным к процессору.

Предпочтительно устройство для локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли дополнительно снабжено, по меньшей мере, одним генератором паров воды, подающим пары воды к ионизатору, управляющему фазовыми переходами воды в атмосфере Земли и формирующему вертикально направленный поток отрицательно заряженных ионов легких ионов, в том числе кислорода, а также блоком управления генератором паров воды, подключенным к процессору.

На Фиг.3 изображена функциональная блок - схема заявляемой системы, поясняющая ее работу, где: 11 - приемо-передающее устройство; 12 - блок приема, обработки и хранения метеорологической информации местных метеостанций; 13 - блок приема, обработки и хранения мониторинговой информации от средств внешнего наблюдения за защищаемой зоной и зоной воздействия; 14 - устройство внешнего ввода данных; 15 - устройство вывода данных; 16 - процессор; 17 - устройство для активного локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли управляющее фазовыми переходами воды в атмосфере Земли и формирующее собственный вертикально направленный поток отрицательно заряженных легких ионов, движущихся вдоль силовых линий электростатического поля Земли и регулируемого электрического поля устройства; 18 - блок управления режимами работы ионизаторов, 19 - телекоммуникационный канал передачи данных, 20 - телекоммуникационный канал управления, 21 - генератор паров воды.

Система работает следующим образом. Блок 11 обеспечивает прием всей необходимой мониторинговой и управляющей информации и передачу управляющей и обеспечивающей решение задач, стоящих перед системой, информации от блока 16. Принимаемая информация посредством блока 14 поступает в блоки 12 и/или 13 в зависимости от вида принимаемой информации. Передаваемая информация от блока 16 поступает на блок 18 и далее блок 17 для управления режимами работы устройствами для локального воздействия на метеопроцессы в атмосфере Земли - ионизаторами атмосферного воздуха.

Блок 18 выполнен с возможностью обратной связи и позволяет управлять режимами работы ионизаторов атмосферного воздуха с целью создания зон осадков, зон малооблачной или безоблачной погоды без осадков, просветленных зон в условиях туманов и т.п., зон с пониженным содержанием вредных примесей в атмосферном воздухе в районах действия природных и техногенных источников загрязнения при наличии в атмосфере различных задерживающих слоев, например инверсии температуры и т.д.

Блок 17 выполнен с возможностью обратной связи и позволяет, в зависимости от конкретной метеорологической ситуации, по сигналам от блоков 16 и 18 оперативно управлять ходом фазовых переходов воды в атмосфере (инициировать, ускорять, замедлять или прекращать их в локальных зонах пространства) и тем самым изменять степень воздействия на атмосферу для достижения заданного блоком 16 результата.

Блок 21 (один или несколько генераторов паров воды) может быть включен в состав системы для увеличения мощности (интенсивности) создаваемого конвективного потока при работе блока 17.

Преимущества заявленной системы заключаются в том, что она обеспечивает реализацию экологически чистого малозатратного способа локального воздействия на атмосферные процессы и позволяет создавать в заданные временные интервалы над заданной территорией:

зоны осадков,

зоны малооблачной или безоблачной погоды без осадков,

просветленные зоны в условиях туманов и т.п.,

зоны с пониженным содержанием вредных примесей в атмосферном воздухе в районах действия природных и техногенных источников загрязнения при наличии в атмосфере различных задерживающих слоев, например инверсии температуры и т.д.