CC BY
24
Электромагнитный метод интенсификации осадкообразования
в атмосфере земли
М. В. Кустов, канд. техн. наук, В. Д. Калугин, д-р хим. наук, профессор Национальный университет гражданской защиты Украины,
Украина, г. Харьков
При ликвидации чрезвычайных ситуаций (ЧС) различной природы (тушение лесных и степных пожаров с помощью конденсированной из атмосферы воды, осаждение твёрдых продуктов вулканического извержения, регуляция обводнённости местности и др.) определяющую роль играет наличие или отсутствие атмосферных осадков в зоне ЧС. Поэтому успешное решение задачи искусственного управления процессами осадкообразования в заданном районе существенно повышает эффективность борьбы с целым рядом ЧС как природного, так и техногенного характера. Однако контролируемое управление атмосферными процессами требует использование достаточно сложного оборудования и значительных энергозатрат. В этой связи одной из проблем, подлежащей разрешению, является исследование процесса активного воздействия на атмосферу мощными пучками микроволн.
Вопросам искусственного влияния на атмосферные процессы уделяется большое внимание на протяжении многих лет. На сегодняшний день разработаны и активно применяются такие методы как искусственное охлаждение некоторой зоны атмосферы за счёт распыления жидкого углекислого газа (СО2) [1], что приводит к интенсификации процесса образования осадков из облаков. Нашел широкое применение метод активизации осадкообразования из облаков путём распыления солей йода [2-3]. Эти реагенты доставляются в зону воздействия либо с помощью летательных аппаратов, либо баллистическим методом [4]. Однако данные методы имеют ряд ограничений по своему применению. В работе [5] установлено значительное влияние на скорость каплеобразования в атмосфере присутствия электрически заряженных частиц, в частности ионов и ионных кластеров. Поэтому установление возможности ионизации воздуха в необходимой зоне атмосферы позволит более успешно решить задачу эффективного конденсирования атмосферной влаги.
Наиболее активными центрами конденсации являются заряженные частицы. Среди водосодержащих аэрозольных частиц в атмосфере (облаках) присутствуют, как нейтральные, так и заряженные частицы. При нормальных условиях концентрация заряженных частиц незначительная
3 3
(~ (2 - 3) ■ 10 см ). Основную группу заряженных аэрозольных частиц в
3 1
атмосфере составляют тяжёлые ионы (радиус от 7 ■ 10 до 1 ■ 10 мкм), которые образуются путём присоединения ионизированных молекул или свободных электронов к нейтральной аквоаэрозольной частице. Меньшую концентрацию имеют лёгкие ионы, представляющие из себя ионизирован-
ные молекулы, либо части молекул, и ионные кластеры, состоящие из нескольких молекул или атомов (г ~ 7 ■ 10-4 мкм) [6]. Отдельную группу представляют свободные электроны, концентрация которых из-за короткого срока существования в атмосфере незначительна.
Ионы образуются при воздействии на атмосферные газы элементарных частиц с большой энергией и мощного электромагнитного излучения. В природных условиях основными источниками ионизации являются излучение радиоактивных веществ земной коры и космические лучи.
Оценка подвижности атмосферных ионов представлена в табл.
Таблица
Подвижность различных классов ионов
Группа ионов и, см /(с В) г ■ 108, см
Легкие 1-3 7-10
Средние 0,01-0,001 10-250
Тяжелые 0,001-0,00025 250-500
Ультратяжелые < 0,00025 > 500
При оценке подвижности атмосферных ионов не учитывалось влияние химической природы молекул и присутствие дипольных молекул воды, которые непосредственно влияют на подвижность ионов.
Концентрация лёгких ионов определяется балансом процессов образования и рекомбинации. Учитывая, что концентрация положительно заряженных ионов практически равна концентрации отрицательно заряженных, получим:
dn 2
— = q-а-п , (1)
dt
где q - число образовавшихся пар ионов; а - коэффициент рекомбинации легких ионов, п - концентрация ионов.
Как уже отмечено выше, в атмосфере легкие ионы исчезают не только за счёт рекомбинации, но и путём оседания (прилипания) на нейтральных частицах и тяжелых ионах, следовательно, уравнение (1) примет вид:
dn 2
— = q -а- п -ц- п - Ы0 -у- п - N, (2)
dt
где N0, N - концентрации нейтральных частиц и тяжёлых ионов соответственно; п, У - коэффициенты прилипания.
В работе [6] приведены следующие значения коэффициентов прилипания для безоблачной погоды: а ~ 1,610-6 см3/с, п ~ 4,3 10-6 см3/с, у ~ 6,5 10-6 см3/с. Исходя из этих данных и учитывая, что концентрации нейтральных частиц и тяжёлых ионов на порядок выше концентрации лёгких ионов, можно заключить, что ионизация воздуха приведёт к появлению заряда на твёрдых и жидких аэрозольных частицах.
Процесс заряжения водосодержащих частиц атмосферного аэрозоля вследствие захвата ими ионов зависит от подвижности ионов. Как видно из табл. 1 подвижность лёгких ионов на несколько порядков выше более тяжелых классов ионов, поэтому основной вклад в процесс заряжения аэрозольных частиц дают именно лёгкие ионы. На каплях могут осаждаться как положительные, так и отрицательные ионы, поэтому отличный от нуля заряд атмосферных аэрозольных частиц будет обусловлен различной массой ионов, их различными коэффициентами диффузии (О" ~ 0,043 см /с, + 2
Б ~ 0,028 см /с), разными по знаку заряда проводимостями воздуха, фрактальной структурой твёрдых водосодержащих образований и с избирательными свойствами поверхности жидких капель, что связано с наличием на поверхности раздела электрического слоя, препятствующего проникновению внутрь капли положительных ионов. Возможность образования электрически заряженных водосодержащих атмосферных аэрозольных частиц дополнительно подтверждает высказанные в работе [5] представления о положительном влиянии ионизации на процесс интенсификации осадкообразования.
Проанализируем возможности существующих методов ионизации для решения поставленной в работе задачи. Ионизаторы работают или при высоком напряжении (~ 10 В) в режиме коронного разряда, или от источников электромагнитного излучения различной интенсивности. Ионизаторы на коронном разряде оснащены заострёнными электродами, которые посредством коронного разряда и электростатической эмиссии образуют ионы в непосредственной близости от электродов. Время существования ионов в атмосфере зависит от их энергии диссоциации, подвижности, заряда и др. и со-
3
ставляет порядка
10 -10
с. Следовательно, перемещение ионов с таким временем жизни на высоты активного осадкообразования (1-5 км) невозможно.
Метод ионизации газов с использованием электромагнитного излучения основан на принципе разрушения молекул среды фотонами с высокими уровнями энергии и подразделяется на два подкласса в зависимости от интенсивности излучения - ионизацию при ультрафиолетовом излучении и радиационном излучении. Метод ионизации на основе электромагнитного излучения позволяет ионизировать газы на значительном удалении от источника электромагнитных волн, что позволяет использовать данный метод для решения поставленной проблемы.
Проведенный анализ позволяет сделать вывод о перспективности использования для интенсификации процессов осадкообразования в зоне пожара метода ионизации газов электромагнитным излучением СВЧ диапазона. Излучение данного диапазона (X = 10 м) оказывает слабое воздействие на экологическое состояние окружающей среды, имеет невысокий коэффициент ослабления (~ 26 %), а также в настоящее время разработаны эффективные технические средства генерации СВЧ излучения.
Использование СВЧ излучения для ионизации газов было предложено ещё в работе [7], однако активная разработка возможностей практического использования этого вида излучения только начинается [8, 9].
