научная статья по теме СТИМУЛИРОВАНИЕ ОСАДКОВ Физика

Текст научной статьи на тему «СТИМУЛИРОВАНИЕ ОСАДКОВ»

Стимулирование осадков

Георгий Ашотович Галечян, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института прикладных проблем физики Национальной Академии наук Армении. Область научных интересов — физика плазмы, акустика, управление процессами конденсации в атмосфере.

ровать осадки можно с помощью различных «агентов». Стимулирование возможно разными путями.

Г.А.Галечян

Число регионов в мире, в той или иной степени испытывающих недостаток пресной воды, постоянно увеличивается, что связано с естественным ростом населения земного шара. Осваиваются новые земли, требующие искусственного орошения, получают распространение отрасли промышленного производства, потребляющие большое количество воды. Нехватка пресной воды ограничивает хозяйственную деятельность человека, препятствует развитию промышленности, росту городов и интенсификации сельского хозяйства. Многие страны, засушливые регионы оказываются в катастрофически тяжелом положении из-за недостатка осадков. Отсутствие урожая, питьевой воды, электроэнергии — удел этих областей.

Следует отметить, что вопрос водоснабжения в цивилизованном мире обсуждается достаточно часто. Менее развитые страны всегда испытывали недостаток чистой питьевой воды, особенно бедная часть населения. На конференции ООН 2006 г. был представлен доклад, в котором сообщалось, что 20% мирового населения не имеет доступа к питьевой воде.

Чтобы вызвать дождь, когда-то люди обращались к жрецам и шаманам (впрочем, иногда такая практика встречается и сейчас). Но в наше время естественно обратиться к научным подходам в решении проблемы. Искусственным путем спровоци-

© Галечян Г.А., 2015

...Засевом облаков реагентами

Первые экспериментальные исследования в данном направлении были выполнены еще в начале 1931 г. в Нидерландах (как можно прочесть в книге [1]): размельченная твердая углекислота распылялась с самолета в переохлажденные облака, где она становилась катализатором, ускоряющим конденсационные процессы паров воды.

Интерес к этому способу возник после Второй мировой войны и особенно после экспериментов Винсента Дж.Шеффера (1946) с переохлажденными облаками в замкнутой камере. Желая быстрее снизить ее температуру до необходимой, он бросил туда кусочки сухого льда (твердой углекислоты, СО2) и увидел, что вдоль траектории падения мелких гранул образовалась цепочка крошечных ледяных кристалликов. После этого Шефферу стало ясно, что чрезвычайно низкая температура возле поверхности кристалликов сухого льда (-78°С) привела к замерзанию капелек воды вдоль траектории их падения. В итоге он решил проверить этот метод в свободной атмосфере, о чем подробно рассказано в книге [2].

Летом 13 ноября 1946 г. Шеффер сбросил около 1.5 кг гранулированного сухого льда с легкого самолета в переохлажденное чече-вицеобразное слоисто-кучевое облако вблизи Беркширских гор на западе Массачусетса. Примерно через 5 мин оно превратилось в облако снежинок, которые опустились приблизительно на 600 м в слой сухого воздуха, после чего полностью испарились.

В дальнейшем этот метод стал интенсивно развиваться, начались поиски альтернативы сухому льду, который не так уж просто производить, хранить и транспортировать. Исследования привели к выводу: в атмосфере важные процессы возникают вследствие избытка или недостатка льдообра-зующих ядер, которые для управления этими явлениями следует доставить туда искусственным путем. Надо отметить, что данным вопросом занимались еще до Великой Отечественной войны. Так, в СССР в 1932 г. для выяснения возможности активного влияния на погоду был создан Институт искусственных осадков. Подобные работы широко проводились во многих странах, искались претенденты на роль искусственных льдообразу-ющих ядер. Сотрудник научно-исследовательского института лаборатории «Дженерал электрик» Бернард Воннегут в химических таблицах выискивал твердые вещества с кристаллической структурой, похожей на структуру льда. Анализируя постоянные кристаллической решетки, он убедился, что неэффективность большинства естественных ядер льдообразования обусловлена большой разницей в расстояниях между атомами в поверхностном слое ядра и первом слое молекул воды, составляющих структуру льда. Изучив имеющуюся литературу, Воннегут предложил в качестве самого перспективного соединения йодистое серебро (Л§1). В гексагональной кристаллической решетке этого соединения атомы располагаются таким же образом, как и атомы кислорода в кристаллах льда, и разница в расстояниях между атомами невелика.

Детальные опыты с йодистым серебром в камере Вильсона показали, что кристаллы Л§1 действительно работали как льдообразующие ядра. После лабораторных исследований были выполнены натурные эксперименты на переохлажденных облаках в свободном пространстве с использованием установленных прямо на самолетах генераторов, производящих кристаллики Л§1. Результаты полностью повторили данные Шеффера по сухому льду, при этом в слоях переохлажденных облаков образовывались разрывы, сквозь которые наблюдалось падение снежинок. Так была доказана возможность воздействовать на погоду. В настоящее время такие воздействия преимущественно основаны на изменении фазового состояния облака при «засеве» его некоторыми реагентами, в частности теми же твердой углекислотой и дымом йодистого серебра или йодистого свинца. При испарении измельченной углекислоты в переохлажденных водяных облаках создается сильное охлаждение (ниже -40°) и пересыщение, что приводит к кристаллизации. Облака превращаются в смешанные, приобретают вследствие этого коллоидальную неустойчивость и дают осадки, как это бывает естественным образом в смешанных облаках.

Аэрозоль дыма йодистого серебра также приводит к замерзанию переохлажденных капель,

действуя в качестве ядер замерзания или ядер сублимации. В мощных кучевых облаках появление твердой фазы, а также укрупнение капель могут быть вызваны впрыскиванием в облака распыленной воды, капли которой растут благодаря коагуляции. Гигроскопические частички или капли (растворов солей), вводимые в облака, могут вызвать выпадение из облака осадков без твердой фазы.

Микроскопические частицы йодистого серебра захватываются переохлажденными каплями, превращаясь в кристаллы, которые становятся искусственными зародышами града. Последние вступают в конкуренцию с естественными зародышами града за содержащуюся в облаке влагу и не дают возможности градинам вырасти до крупных размеров. В результате этого в облаке лавинообразно образуется громадное число мелких градин, которые при выпадении из облака успевают растаять в теплой части атмосферы и достигают земли уже в виде дождя.

Реагенты вводятся в облака путем засева облака гранулированной твердой углекислотой с самолета, путем создания дымов йодистого серебра в специальных генераторах (они называются аэрозольными), путем запуска ракет, содержащих взрывчатое вещество с примесью йодистого серебра, и т.д.

Есть информация, что в США и в СССР исследовали возможность воздействия на гидрометеорологические процессы в военных целях. В частности, войска США искусственно вызывали ливневые дожди во время войны во Вьетнаме.

После Второй мировой войны работы по стимулированию осадков сбросом реагентов в облака возобновились; они выполнялись во многих странах и сопровождались расчетами и анализом полученных результатов [1]. В дальнейшем для искусственного получения осадков стали использовать и другие методы: акустические волны [3—6], ударные волны [7, 8], отрицательные ионы [9].

...Акустическими волнами

Рассмотрим стимулирование осадков акустическими волнами. Метод заключается в том, что при распространении звука в упругой среде, в частности в воздухе, происходит механическое возвратно-поступательное движение молекул, сопровождаемое процессом сжатия и разрежения. При этом повышается частота столкновений частиц в уплотненном слое, в результате чего растет частота слипания молекул воды, увеличивается масса капель, и под действием гравитационных сил они начинают осаждаться.

Под влиянием звуковых волн в атмосфере периодическое сжатие и расширение воздуха приведет к термодинамическим пульсациям, которые отразятся на процессах испарения капель. Капли

до определенного критического размера могут испаряться при повышении температуры, а более крупные сохраняют свою температуру и под действием мощного акустического поля, как выяснилось, могут дальше укрупняться. На основе стохастического подхода и численного моделирования был выполнен расчет изменения распределения капель по размерам в однородном тумане под влиянием акустических волн. Показано, что при действии звуковых волн частотой 300 Гц и интенсивностью 140 дБ в течение 5 с на облако с содержанием паров 2 г/м3 наблюдается тенденция к сдвигу максимума размеров капель облака в сторону больших диаметров, а через 15 мин возникает второй максимум размеров частиц, соответствующих осадкам (~500 мкм). Анализ процессов взаимодействия акустических волн со взвешенными частицами свидетельствует: в системе развивается неустойчивое равновесие, которое приводит к коагуляции капель. Механизм коагуляции в данном случае определяется не парным притяжением двух частиц, а общим полем, создаваемым гидродинамическим взаимодействием частиц [10].

Натурные эксперименты продемонстрировали, что на расстоянии 30—40 м от источника звуковых волн наступало значительное изменение свойств облачных капель. Звуковые волны с интенсивностью 150 дБ и частотой 100—300 Гц вызывали изменение микроструктуры тумана, с увеличением силы звука влияние волны на туман усиливалось, эффективность воздействия оказывалась тем больше, чем выше водность тумана.

Проанализируем процессы, происходящие в атмосфере при распространении акустических волн. Модельный расчет позволяет определить зависимость амплитуды смещения частиц из положения равновесия под влиянием звуковой волны от частоты последней [4].

Звуковая волна в воздухе создает периодические изменения среднего статистического давления, которое можно представить в виде:

p' = p0+ рзв, (1)

где p' — атмосферное давление при наличии звуковой волны, Па;pо — ат

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком