ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 3, с. 327-335
УДК 551.509.017
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТА ВОЗДЕЙСТВИЯ СОЛЕВЫМИ ПОРОШКАМИ НА ОБЛАЧНУЮ СРЕДУ © 2013 г. А. С. Дрофа, В. Г. Ераньков, В. Н. Иванов, А. Г. Шилин, Г. Ф. Яскевич
Научно-производственное объединение "Тайфун" 249038 Обнинск, Калужская обл., ул. Победы, 4 Е-таП^го/аШуркооп.оЬттк.ги Поступила в редакцию 22.07.2011 г., после доработки 26.03.2012 г.
Приводятся результаты экспериментальных исследований воздействия полидисперсными солевыми порошками на модельные облачные среды. Результаты экспериментов показали значительный положительный эффект воздействия солевыми порошками на конвективные облака с целью получения дополнительных осадков. Ввод полидисперсного солевого порошка в формирующуюся облачную среду приводит к появлению дополнительных крупных облачных капель и к уширению спектра капель. Этот результат является положительным фактором для стимулирования коагуляционных процессов в облаках и дальнейшего образования осадков. При весьма высоких массовых концентрациях вводимого порошка не наблюдается явления "перезасева", при котором вместо укрупнения капель происходит уменьшение их размеров и увеличение концентрации облачных капель.
Ключевые слова: конвективное облако, гигроскопические частицы, осадки.
БО1: 10.7868/80002351513030048
1. ВВЕДЕНИЕ
Проблема получения дополнительных осадков из облаков является актуальной и имеет большое значение для народного хозяйства, поскольку решение ее позволяет увеличить количество осадков искусственным путем в районах недостаточного увлажнения. В ряде международных проектов по увеличению осадков из конвективных облаков используются гигроскопические частицы от пиротехнических шашек, вводимые в основание облака с самолета. Гигроскопические частицы, генерируемые пиросоставами, имеют размеры от 0.3 до 1 мкм. В натурных экспериментах при воздействии такими частицами получено 10— 15% дополнительных осадков при воздействии на облака мощностью около 6 км [1, 2]. Как показывают результаты расчетов [3], данный результат является предельно возможным для данного способа воздействия. Для облаков меньшей мощности, из которых обычно осадки не выпадают, данный способ оказывается малоэффективным. Использование частиц более крупных размеров (от 1 до 3 мкм), как показали результаты исследований [3—6], позволяет получить более значительный эффект воздействия, однако расходы реагента при этом более чем на порядок превышают расход пиротехнических составов. В работах [7, 8] для воздействия на облака с целью получения дополнительных осадков предложено использовать
порошок №С1 с достаточно широкими распределениями частиц по размерам. Такой порошок был изготовлен израильской фирмой по производству красителей для лазерных принтеров. О технологии изготовления и составе порошка не сообщается. По договору о научно-техническом сотрудничестве с Институтом физики земли (Еврейский университет, Иерусалим) в НПО "Тайфун" проведены исследования эффекта воздействия этим порошком на конвективные облака с целью увеличения осадков [9]. Экспериментальные результаты, подтвержденные результатами численного моделирования, показали, что использование полидисперсного солевого порошка имеет значительные преимущества по эффекту воздействия и расходу реагента перед другими гигроскопическими реагентами.
Концепция воздействия гигроскопическими частицами состоит в трансформации спектра облачных капель на начальной стадии конденсации таким образом, чтобы при дальнейшем развитии облака интенсифицировать коагуляционные процессы в облаке и ускорить процессы осадкообразования. Как показал анализ результатов численного моделирования, воздействие солевым порошком приводит к гораздо большей интенсификации коагуляционных процессов в облаке, чем при воздействии гигроскопическими частицами с узкими распределениями по размерам. Это объясняется
тем, что при воздействии солевым порошком спектр облачных капель расширяется только в крупнокапельную область, где коагуляция происходит более эффективно. В этом заключается основная отличительная особенность механизма воздействия солевыми порошками. В работе [4] показано, что положительный эффект воздействия гигроскопическими частицами может проявляться лишь в случае, когда относительное число дополнительно вводимых частиц в области размеров менее 0.5 мкм не превосходит числа активных ядер конденсации в фоновом аэрозоле. Наличие дополнительных частиц такого размера приводит к существенному снижению эффекта воздействия.
С целью повышения эффективности воздействия солевыми порошками в НПО "Тайфун" разработана технология и организовано производство полидисперсного солевого порошка для стимулирования осадков из конвективных облаков. Разработанная технология позволила получить порошок с более крупными частицами и с меньшим относительным содержанием мелкодисперсных частиц по сравнению с порошком, представленным в [7—9]. Результаты экспериментального исследования эффективности разработанного солевого порошка представлены в настоящей работе.
2. МИКРОСТРУКТУРА ИССЛЕДУЕМЫХ СОЛЕВЫХ ПОРОШКОВ
Разработанным в НПО "Тайфун" солевым по-рошоком является изготовленный по специальной технологии порошок №С1 в смеси с аэросилом, используемым как антислеживающая добавка. Аэросил — тонкодисперсный порошок из твердых частиц 8Ю2. Частицы аэросила не обладают гигроскопическими свойствами, и при воздействии на облачную среду вместе с солевыми частицами влияние их на процессы облакообра-зования не проявляется. Измерения микроструктуры сухих частиц солевого порошка проводились в БАК при относительной влажности воздуха 40%. После распыления порошка в камере с помощью пневматической форсунки аэрозоль с помощью вентилятора равномерно перемешивался по объему камеры. Затем производились измерения микроструктуры аэрозоля.
Для исследования микроструктуры изготовленных солевых порошков использовались разработанные в НПО "Тайфун" лазерный и телевизионный анализаторы аэрозолей. Лазерный анализатор предназначен для измерения микроструктуры твердых аэрозольных частиц и основан на измерении рассеянного света от аэрозольных частиц в диапазоне углов рассеяния от 60° до 120° [10]. Непрерывно работающий лазер на длине волны 0.63 мкм служит источником света в этом прибо-
ре. Аэрозольные частицы через тонкий капилляр поступают в измерительный объем — область фокусировки лазерного пучка. Скорость расхода воздуха, проходящего через измерительный объем — 1 см3/с. Рабочие характеристики лазерного анализатора рассчитывались с учетом геометрических особенностей оптической схемы прибора. Лазерный анализатор дает возможность измерять распределения частиц в диапазоне радиусов от 0.1 до 5 мкм. Число каналов измерения размеров — 120.
Для исследования распределений частиц в области более крупных размеров использовался телевизионный анализатор частиц, являющийся модернизированным вариантом телевизионного спектрометра аэрозолей "Аспект-10" [11]. В данном приборе изображения частиц, попадающих в поле зрения объектива микроскопа, регистрируются телевизионной камерой. Изображения каждой отдельной частицы оцифровываются, и в компьютере в режиме реального времени осуществляется многопараметрический анализ и обработка цифровых изображений частиц. По результатам численной обработки изображений определяются размеры и параметры формы частицы, а также рассчитывается функция распределения частиц по размерам и ее интегральные параметры. Диапазон измеряемых размеров частиц по диаметру — от 1 до 100 мкм. Число каналов измерения — 200. Как показывают результаты измерений ТВ-анализатором, в пробах исследуемого солевого порошка не наблюдаются частицы с радиусом более 15 мкм. Анализ изображений частиц, регистрируемых ТВ-анализатором, показал, что частицы радиусом более 6 мкм довольно часто представляют собой конгломераты из частиц соли с прилипшими к ним более мелкими частицами соли или аэросила. Все конгломераты регистрируются ТВ-анализатором как одна частица с определенным эффективным размером.
Результаты измерений ТВ-анализатором распределений сухих частиц солевых порошков по размерам показаны на рис. 1. Спектры нормированы на общую концентрацию частиц в исследуемом диапазоне размеров. Спектры получены за время накопления данных от 5 до 10 мин. Объем каждой выборки — около 8000 частиц. На рис. 1 показаны спектры размеров частиц порошка, разработанного в НПО "Тайфун", а также представленного в работе [9] порошка израильского производства. Из рисунка видно, что в последнем случае наблюдается большее число мелкодисперсных частиц. В то же время в области радиусов частиц более 3 мкм наблюдается меньшее их количество.
Результаты измерений микроструктуры сухих частиц солевого порошка, проведенных лазерным анализатором одновременно с измерениями ТВ-анализатором, представлены на рис. 2. Изме-
йЫ/Ы ■ йг, мкм 1
Рис. 1. Измеренные ТВ-анализатором нормированные спектры размеров солевых частиц. 1 — солевой порошок производства НПО "Тайфун"; 2 — солевой порошок израильского производства.
рения проведены при одинаковых массовых концентрациях введенных в БАК солевых порошков, составляющих примерно 0.4 мг/м3. Здесь также показаны спектры частиц фонового аэрозоля в камере. Спектры частиц солевого порошка были получены вычитанием спектра фонового аэрозоля из спектров частиц соли после их распыления в БАК. С учетом результатов измерений спектров частиц ТВ-анализатором (рис. 1) для аналитического описания распределения частиц солевого порошка по размерам может быть использована функция вида:
/ (г) = аг ~"ехр(-(г/ О2), (1)
где а — нормирующий множитель. Величины параметров V и го для солевого порошка, представленного в [9], равны V = 1.5 и го = 5 мкм. Рассчитанный по измеренным спектрам эффективный радиус частиц составил г3 = 1.54 мкм, относительная ширина спектра — а = 1.3. Для порошка производства НПО "Тайфун": V = 0.5; го = 5.3 мкм; г3= 3.15 мкм; а = 1.0. Как видно из рис. 2, спектры солевых частиц достаточно хорошо аппроксимируются функцией (1) с вышеуказанными параметрами.
Из сравн
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.