ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 6, с. 803-808
УДК 551.594
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО АКТИВНОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ СТРУИ ВОДЯНОГО ПАРА НА АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
© 2009 г. В. В. Кузнецов, Н. В. Чернева, И. Ю. Бабаханов
Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН 684034, Паратунка, Камчатская обл., ул. Мирная, 7 E-mail: nina@ikir.Kamchatka. ru Поступила в редакцию 01.02.2007 г., после доработки 17.03.2009 г.
Приведены результаты экспериментов по исследованию влияния на атмосферное электрическое поле (АЭП) искусственного пароводяного облака (ПВО). Эксперименты проводились 19.09.2006 г. на Камчатском месторождении теплоэнергетических вод в районе действующей Мутновской электростанции. Измерялась напряженность АЭП тремя датчиками, электропроводность воздуха, потенциал скважины и метеопараметры одновременно в непосредственной близости от геотермальных скважин, открываемых и закрываемых на время наблюдений. Обнаружено различное поведение напряженности электрического поля в зависимости от содержания жидкой влаги в пароводяной смеси скважины в течение существования ПВО. Предложены модели, обсуждаются результаты эксперимента.
ВВЕДЕНИЕ
В сентябре 2006 г. авторам представилась возможность повторить эксперимент по активному воздействию на атмосферное электрическое поле (АЭП) искусственного пароводяного облака (ПВО), образующегося при открытии глубинной, законсервированной, геотермальной скважины в момент технологического сброса перегретого водяного пара. Во время проведения первого эксперимента (2004 г.) нами было обнаружено [1], что величина напряженности АЭП Е во время образования ПВО уменьшалась: ДЕ = 100-200 В/м, сохраняя полярность, и затем восстанавливалась до прежнего значения. В работе [1] также отмечалось, что образовавшееся искусственное облако обладает электрическим зарядом, хотя знак заряда и физика его появления были не совсем ясны. Время одного измерения на скважине в эксперименте 2004 г. было нами задано не одинаково: на одной скважине измерения осуществлялись чуть более часа, а на двух других по 10 минут, что, как выяснилось при обработке данных, было недостаточно. В эксперименте 2004 г. использовался лишь один датчик АЭП, который переносился с места на место в течение наблюдения. Это было очень неудобно и мешало получить полную картину явления активного воздействия на АЭП. Все эти моменты были учтены нами и по возможности исправлены при проведении повторных испытаний.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты 2006 г. проводились в районе действующей Мутновской электростанции на двух скважинах теплоэнергетических вод - парогидро-
терм, на одной из которых (первой) вариации АЭП измерялись в эксперименте 2004 года. Измерения вертикальной компоненты АЭП Ег проводились с помощью трех электрических флюксметров "Градиент М3", датчика электрической проводимости воздуха "Электропроводность-2", системы оцифровки и записи сигнала на цифровой носитель. Датчик электрической проводимости выполнен в виде двойного аспирационного измерительного конденсатора. Датчик состоит из цилиндрической обкладки, внутренней собирающей обкладки, входной трубы и аэрозольной защиты. На обкладки подается напряжение и измеряется ток. Один конденсатор измеряет проводимость положительных легких ионов, другой - отрицательных. Диапазон измерений каждого конденсатора составляет ±25 фСм м-1.
Один из датчиков АЭП "Градиент М3" устанавливался в непосредственной близости от сопла скважины на верхней площадке металлического кожуха, другие располагались на расстоянии 20 и 40 м от скважины. Прибор "Электропроводность-2", система оцифровки данных и компьютер размещались в 20 м от скважины. Таким образом, наибольшее удаление электрометра от скважины достигало 40 м, что ограничивалось длиной измерительного кабеля (20 м). Предполагалось, что чем выше выброс пара, тем на больших расстояниях скажется его влияние на АЭП, но при открытии скважины стало очевидным, что это удаление было выбрано недостаточно. Дело в том, что выброс пара в эксперименте 2006 г. на первой скважине был значительно мощнее, чем в 2004: высота струи превысила 150 м, в то время как в 2004 г. на этой же скважине она достигала лишь 30 м. Это было не единственное отличие характеристик скважин в эксперименте 2006 г. Между
803
6*
Таблица 1.
I II III IV
т т i =
i т i i
Е i т т т
Примечание: Т - увеличение значения, ^ - уменьшение, = - постоянство.
первой и второй скважинами имелось существенное различие, состоящее в том, что расход пароводяной смеси на первой скважине составил 115 кг/с с 22% содержанием пара, а расход во второй скважине -14-15 кг/с чистого пара (100%), без примеси воды. В момент открытия первой скважины процентное отношение пара в ходе эксперимента повышалось, затем скважина резко вышла на основные свои характеристики, и расход и, соответственно, водность струи пара увеличились. В этот момент на аппаратуру обрушилась огромная масса воды, и эксперимент пришлось прекратить. В статье мы используем только ту часть записей, в которой количество воды в пароводяной смеси понижалось. Струя пара во второй скважине была практически сухой. Это дает возможность, в отличие от эксперимента 2004 г., когда все три скважины были "водными", сравнить результаты воздействия на АЭП как сухого, так и влажного водяного пара, а так же условно, конечно, считать эксперимент с сухой скважиной как бы продолжением наблюдений, проведенных на первой скважине, содержащей 78% воды.
Во время экспериментов измерялся потенциал на верхнем срезе металлической обсадной трубы скважин. В обоих случаях начальный потенциал до открытия скважины составлял примерно 300 мВ. После открытия скважин потенциал уменьшался в среднем на 100 мВ. Это означает, что на срезе скважины во время ее работы возникал дополнительный, положительный электрический заряд. Надо сказать, что иногда в течение времени работы скважины потенциал начинал резко изменять величину и даже менять знак. По-видимому, в это время изменялись параметры струи пара, например, изменялась концентрация воды и т.п. Оценка плотности дополнительного электрического заряда в образующемся облаке, сделанная нами ранее по изменению величины АЭП [1], показала, что плотность заряда находится в интервале 10-9-10-10 Кл/м3. При объеме облака -104 м3 его электрический заряд составляет -10-6 Кл. Так как характерное время нарастания (убывания) величины Е в момент открытия (закрытия) скважины равно примерно 5 минутам, электрический ток скважины варьирует в интервале 10-7-10-9 А. Представляло бы несомнен-
ный интерес проверить эту величину тока прямыми измерениями. Здесь важна не только величина тока, но и его "направление", которое должно было бы показать знак заряда. Если бы удалось зарегистрировать колебания направления и величины тока скважины, то это подтвердило бы наше предположение относительно изменения водного режима выброса пара. Пока можно полагать, что в момент увеличения поля Е и преимущества положительной электропроводности из скважины выбрасывается "сухой" пар. Это означает, что на срезе трубы должен появляться положительный заряд, что и фиксировал наш гальванометр. В последующем положительный заряд отводился на землю через стальную трубу скважины.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Данные обоих экспериментов приведены на рис. 1, на котором представлено изменение во времени: величины АЭП на расстояниях 20 и 40 м и данные измерения электропроводности на расстоянии 20 м от скважины. Данные регистрации АЭП, полученные с датчиков, установленных в непосредственной близости от выходной трубы, не приводятся из-за их малой информативности. На рис. 1 выделены четыре стадии первого эксперимента: 0 - поведение параметров АЭП до открытия скважины, калибровка датчиков; I - уменьшение Е, возрастание (Т) и уменьшение А,-, II - начало возрастания Е, и Ä,_, Iii - продолжение увеличения Е и уменьшение Х- и Ä+. В этот момент эксперимент из-за внезапного выброса воды, залившей аппаратуру, был прекращен. В правой части рис. 1 приведены данные, полученные на второй, "сухой" скважине. Как будет показано ниже, их, в принципе, можно условно рассматривать как заключительную стадию эксперимента, начатого с первой скважиной, поэтому они обозначены как IV стадия эксперимента, в которой АЭП продолжает возрастать при понижении Х- и практически постоянной величине (см. рис. 1 и табл. 1).
Измерение величины Ez на двух датчиках, расположенных на расстояниях l в 20 и 40 м от скважины, позволяют сделать грубую оценку зависимости E(l). Оказывается, что на сухой скважине поле спадает: E ~ l-1 в первом случае и E ~ Г1/2 во втором. Правда, эта оценка скорее показывает распределение заряда внутри зоны влияния парового облака, чем изменение поля вдали от источника возмущения АЭП и не имеет отношения к характеру спада поля Ez с расстоянием от источника его возмущения. Например, ранее нами было показано, что изменение АЭП с расстоянием от циклона r: Ez ~ 1/r2 имеет четко выраженную квадратичную зависимость [2].
Предварительный анализ результатов эксперимента, представленных на рис. 1, показывает, что изменения электропроводности и Х- практически всегда совпадают по времени с вариациями поля Е,
E'z, В/м 1500
1000
500
0
-500 -1000 -1500
1 эксперимент момент включения скважины 02:09
E'z, В/м
4000
3000
2000
1000 E''z, В/м 1000 0
500
0
-500
J-1000
2 эксперимент момент включения момент выключения скважины 04 08 скважины 04:53
l = 20 м
l = 40 м
25
0
X--25
-50
I I I I I ■ I
0
-25
1:30 1:40 1:50 2:00 2:10 2:20 2:30
-50
X-
А
А.
V I E"z
X+ AW
г0 i ii iii 5° z 11 -_ iv X+ . X+ > _:_
X-
E"z, В/м 4000
3000
2000
^ 1000
0 50
25 0
V4vАЛ^^А^
3:50 4:00 4:10 4:20 4:30 4:40 4:50 5:00 5:10 5:20 5:30
Рис. 1. Результаты измерений Е2, Х+ и Х- на двух термальных скважинах.
хотя, как следует из рис. 1 и табл. 1, связи эти неоднозначны. По всей видимости, это обязано тем обстоятельствам, что параметры АЭП измерялись в непосредственной близости от грунта, т.е., иначе, датчики располагались на земле, за исключением датчиков поля, установленных на высо
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.