CC BY
29
ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН.
ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2014. № 1
УДК 551.574.1; 551.575.1
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ ДЕЙСТВИЯ ПОРОШКООБРАЗНЫХ РЕАГЕНТОВ, ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В АКТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ НА ОБЛАКА И ТУМАНЫ
© 2014 г. А.В. Частухин, Н.С. Ким, В.П. Корнеев, А.М. Петрунин, Т.В. Баззаев, Б.Г. Данелян, А.Н. Хижняк
Частухин Андрей Викторович - ведущий инженер, Агентство Chastukhin Andrey Victorovich - Leading Engineer, Agency of атмосферных технологий, Большой Предтеченский пер., 11- Atmospheric Technologies, Bolshoy Predtechensky Lane, 11-9, 9, г. Москва, 123242, e-mail: a.chastuhin@mail.com. Moscow, Russia, 123242, e-mail: a.chastuhin@mail.com.
Ким Николай Сергеевич - доктор физико-математических наук, главный специалист, Агентство атмосферных технологий, Большой Предтеченский пер., 11-9, г. Москва, 123242, e-mail: adk@mail.ru.
Корнеев Виктор Петрович - кандидат технических наук, директор, Агентство атмосферных технологий, Большой Предтеченский пер., 11-9, г. Москва, 123242, e-mail: kornvp@mail.ru.
Kim Nicolay Sergeevich - Doctor of Physical and Mathematical Science, Main Specialist, Agency of Atmospheric Technologies, Bolshoy Predtechensky Lane, 11-9, Moscow, Russia, 123242, e-mail: adk@mail.ru.
Korneev Victor Petrovich - Candidate of Technical Science, Director, Agency of Atmospheric Technologies, Bolshoy Predtechensky Lane, 11-9, Moscow, Russia, 123242, e-mail: kornvp@mail.ru.
Петрунин Андрей Михайлович - главный специалист, Агентство атмосферных технологий, Большой Предтеченский пер., 11-9, г. Москва, 123242, e-mail: a.m.petrunin@mail.ru.
Баззаев Тимур Владимирович - кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, Центральная аэрологическая обсерватория, ул. Первомайская, 3, г. Долгопрудный, 141700, e-mail: bazzaev_t@yahoo.com.
Данелян Баграт Григорьевич - кандидат физико-математических наук, начальник отдела активных воздействий, Центральная аэрологическая обсерватория, ул. Первомайская, 3, г. Долгопрудный, 141700, e-mail: bagratd@mail.ru.
Хижняк Александр Николаевич - кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, Центральная аэрологическая обсерватория, ул. Первомайская, 3, г. Долгопрудный, 141700, e-mail: bagratd@mail.ru.
Petrunin Andrey Mikhaylovich - Leading Engineer, Agency of Atmospheric Technologies, Bolshoy Predtechensky Lane, 11-9, Moscow, Russia, 123242, e-mail: a.m.petrunin@mail.ru.
Bazzaev Timur Vladimirovich - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Researcher, Central Aerological Observatory, Pervomayskaya St., 3, Dolgoprudny, Russia, 141700, e-mail: bazzaev_t@yahoo.com.
Danelyan Bagrat Grigorjevich - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Head of Department of Active Influences, Central Aerological Observatory, Pervomayskaya St., 3, Dolgoprudny, Russia, 141700, e-mail: bagratd@mail.ru.
Khizhnyak Aleksandr Nikolaevich - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Researcher, Central Aerological Observatory, Pervomayskaya St., 3, Dolgoprudny, Russia, 141700, e-mail: bagratd@mail.ru.
Приводятся результаты экспериментальных исследований эффективности действия частиц грубодисперсных порошков разных классов веществ при их диспергировании в теплом модельном тумане, сформированном в облачной камере объемом 3 м3. Показано, что частицы диатомита со средним размером 30-50 мкм являются эффективными центрами коагуляции для облачных капелек. Частицы тех же размеров гигроскопических веществ реализуют конденсационный механизм роста частиц. На основании полученных результатов делаются практические выводы о возможности применения грубо-дисперсных порошков для активного воздействия на теплые облака и туманы.
Ключевые слова: порошкообразные реагенты, эффективность действия, активные воздействия, теплые облака, туманы.
Results of experimental researches of efficacy of action of coarse-dispersion powder particles of different materials at its dispersion in the warm fog generated in the 3 m3 volume cloudy chamber are presented in the article. It is shown that the diatomite particles with an average size of 30-50 microns are effective centers coagulation cloud droplets. Particles of the same size hygroscopic substances implement condensation mechanism particle growth. The practical conclusions about possibility of application of coarse-dispersion powders for weather modification of warm clouds andfog are made on the basis of the obtained results.
Keywords: powdery reagents, efficacy of action, weather modification, warm clouds, fog.
Проблема воздействия на теплую облачность с целью ее рассеяния или получения дополнительного количества осадков, несмотря на многолетние исследования в этом направлении, в настоящее время еще далека от успешного решения.
Обычно в реальных условиях спектр распределения по размерам облачных капель является относительно узким. При таком распределении из-за близких размеров капель скорости их седиментации отличаются незначительно и не происходит коагуляционного взаимодействия, которое обеспечило бы появление в спектре распределения капель размером более 30 мкм по диаметру, определяющих дальнейший коагуляционный рост до размеров частиц осадков. Это и является причиной относительной устойчивости микроструктуры облака.
Одним из методов воздействия на такую устойчивость микроструктуры облака является введение в зону восходящих потоков искусственных ядер конденсации, которые должны привести к формированию капель крупного размера и расширить облачный спектр капель [1, 2].
В середине 90-х г. XX в. были предприняты попытки создания таких искусственных ядер конденсации при горении пиротехнических составов, содержащих гигроскопическую соль. Основным недостатком подобных пиротехнических составов является то, что при их горении в большом количестве формируются искусственные ядра конденсации диаметром менее 2 мкм [3]. При попадании таких частиц в обла-
ко они приводят к формированию облачных капелек диаметром 6-10 мкм, которые не приводят к желаемому расширению спектра. В ходе дальнейших экспериментальных и теоретических исследований [4] был сделан вывод о том, что определяющую роль в ускорении процесса коагуляции в облаке могут играть только солевые частицы с диаметром более 20 мкм. Частицы с диаметром менее 20 мкм при внесении их в облако либо нейтральны для ускорения процесса коагуляции, либо играют отрицательную роль. В дальнейшем это положение подтвердили теоретически и было показано, что для успешной реализации способа гигроскопического «засева» вносимые в облако сухие гигроскопические частицы должны иметь размер более 20-40 мкм по диаметру [5].
Основной принцип воздействия крупными гигроскопическими частицами основан на том, что при попадании их в условия насыщения или пересыщения водяного пара на первом этапе происходит их быстрый конденсационный рост, в течение которого на них вырастают крупные капли седиментационно-го размера (более 30 мкм по диаметру). При этом следует помнить, что крупные частицы как растворимых, так и нерастворимых веществ при внесении их в облако могут служить центрами коагуляции для мелких облачных капель и, соответственно, сразу «запускать» в облаке процессы коагуляции, приводящие к формированию частиц осадков (более 100 мкм по диаметру). Впервые на этот факт обратили внимание в ЦАО, где в лабораторных условиях изучали
механизмы взаимодеиствия твердых частиц веществ разных классов, и в частности частиц цемента с капельками тумана, сформированного в облачноИ камере объемом 2,3 м3. Результаты показали, что в условиях проведенного эксперимента частицы гидрофобных веществ не оказывают какого-либо влияния на изменение микроструктуры модельного тумана, а частицы слаборастворимых и гигроскопических веществ могут реализовывать два механизма взаимодействия с облаком - коагуляционный и конденсационный рост частиц [6].
В последние годы в НПО «Тайфун» был проведен большой цикл экспериментов в большой аэрозольной камере по изучению взаимодействия с модельным облаком крупных (более 20 мкм по диаметру) частиц слаборастворимых веществ [7].
Анализ накопленного к настоящему времени экспериментального и теоретического материала показывает, что наиболее физически обоснованными методами воздействия на теплую облачность являются методы, основанные на введении в облако грубодис-персных аэрозолей с диаметром частиц более 20 мкм для гигроскопических веществ или более 30 мкм по диаметру для гидрофильных веществ, которые обладают хорошей смачиваемостью поверхности. В первом случае частицы гигроскопических веществ на первом этапе за счет конденсационных процессов приводят к быстрому формированию в облаке крупных капель, способных в дальнейшем коагулировать с мелкими облачными капельками. Во втором случае крупные частицы гидрофильного вещества, обладая заметными седиментационными скоростями, могут сразу служить эффективными центрами коагуляции для облачных частиц.
Несмотря на очевидность таких выводов, до настоящего времени не разработаны практические методы воздействия на теплую облачность аэрозолями с указанными дисперсными характеристиками для этих классов веществ. Это связано с тем, что, во-первых, часто отсутствуют практически пригодные методы получения таких аэрозолей, во-вторых, отсутствуют обоснованные данные об оптимальных размерах частиц и об оптимальных расходах реагентов при воздействиях на облачность различного типа. Незнание этих характеристик может приводить к экономически неоправданному расходу реагентов, необходимого для получения устойчивого эффекта воздействия.
В настоящей работе приводятся результаты лабораторных исследований эффективности действия грубодисперсных порошков разных классов веществ, которые производятся промышленно: гидрофильный диатомит марки ФМ-500 с модальным диаметром частиц 47 мкм; цемент марки М-500 с диаметром частиц около 20 мкм; смесь 85 % гигроскопического СаС12 и 15 % диатомита с диаметром частиц около 30 мкм. Цемент марки М-500 является представителем слаборастворимых веществ.
Смесь 85 % гигроскопического вещества СаС12 и 15 % диатомита была изготовлена в ФГУП «ЧПО им. В.И. Чапаева» путем помола гранулированного СаС12 совместно с порошком диатомита ФМ-500 на промышленной шаровой мельнице.
Описание эксперимента
Эксперименты проводились в облачной камере ILKA ЦАО объемом 3 м3, имеющей следующие габаритные размеры рабочего объема: 1,2x1,2x2 м3.
В качестве регистрирующей аппаратуры использовался трехканальный оптический модуль, обеспечивающий непрерывное в ходе проведения эксперимента измерение прозрачности атмосферы внутри камеры, что позволило определить в относительных единицах (в процентах) показатель пропускания света туманом.
Для введения и распыления частиц порошков в верхней части рабочего объема камеры применялся промышленный электростатический распылитель «Лидер».
Результаты и обсуждение
Порошки слаборастворимых и гидрофильных веществ
На рис. 1 приведены результаты измерения прозрачности тумана при воздействии на него порошком цемента с разной массовой концентрацией. На этом и последующих рисунках по оси абсцисс отложено время. Начало этой оси соответствует времени введения порошка в камеру.
100 90 80 70 60 50 40
¡¡KS=>ч \3_
Г-*-
480 540 Время, с
Рис. 1. Изменение оптической прозрачности при распылении порошка цемента М-500: 1 - 1 г; 2 - 2 г; 3 - естественное рассеяние
Как видно из рис. 1, в условиях нашего эксперимента при распылении цемента эффект ускоренного просветления тумана наблюдается для случая, когда в рабочий объем вводилось 2 г порошка цемента.
Результаты этой серии экспериментов показали, что частицы цемента марки М-500 уже на первом этапе после внесения их в облако могут служить эффективными центрами коагуляции.
На рис. 2 приведены данные измерений при введении в модельный туман частиц гидрофильного диатомита, не обладающего гигроскопическими свойствами.
Как видно из данного рисунка, и в этом случае наблюдается эффект воздействия, заключающийся в увеличении скорости просветления в тумане. Однако здесь эффект изменения скорости просветления менее ярко выражен, чем для случая воздействия порошком цемента. Такое различие, по-видимому, прежде всего связано с различиями в начальных концентрациях частиц цемента и диатомита из-за разницы в размерах частиц этих порошков.
80
240
300
360
420
600
660
720
780
840
100 90
-2_—
1
л? г ll
у
180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 84С
Время, с
Рис. 2. Изменение оптической прозрачности при распылении порошка диатомита ФМ-500: 1 - 2 г; 2 - 3 г;
3 - естественное рассеяние
Порошки гигроскопического вещества На рис. 3 представлены результаты измерений изменения прозрачности тумана при воздействии на него частицами порошка гигроскопического CaCl2 с модальным диаметром частиц около 30 мкм.
.....г «¿if rV S3*
r\ 1
Li \3
480 540 Время, с
Рис. 3. Изменение оптической прозрачности при распылении порошка 85 % СаС12 + 15 % ФМ-500, подвергнутому дополнительному помолу: 1 - 0,3 г; 2 - 0,5 г; 3 - 1 г;
4 - естественное рассеяние
Как видно из сравнения кривых на этом рисунке, ускорение процесса просветления начинается по истечении примерно 60 с после введения частиц порошка в камеру. Среднее время полного просветления тумана в этой серии экспериментов составило около 4-5 мин. Это существенно отличается от порошков слаборастворимых и гидрофильных веществ. Такое различие можно объяснить разной степенью вклада в рост частиц на начальном этапе коагуляционного и конденсационного механизмов. Оценить степени вклада каждого из них можно, если сравнить ход кривых изменения просветления на рисунках, приведенных выше.
Исходя из микрофизических характеристик тумана в облачной камере, можно подсчитать, что за время пролета частицей порошка высоты камеры при ее диаметре около 30 мкм она может захватить около 60 капелек тумана и, соответственно, вырасти примерно до 35 мкм по диаметру. Однако следует подчеркнуть, что эти расчеты носят грубый оценочный характер.
Анализ полученных данных показывает, что в случае применения гигроскопических частиц определяющую роль на первом этапе имеет конденсационный механизм роста.
Таким образом, проведенные экспериментальные исследования порошкобразных реагентов показали, что при их введении в облако всегда реализуется механизм коагуляционного роста частиц. При наличии гигроскопических свойств у вещества частиц на первом этапе главенствующую роль имеет конденсационный механизм роста.
Литература
1. Александров Э.Л., Клепикова Н.В. Воздействие искусст-
венными ядрами конденсации на развитие облачного спектра // Тр. ИЭМ. Вып. 9 (52). М., 1975. С. 3-15.
2. Cooper W.A., Bruintjes R.T., Mather G.K. Calculations per-
taining to hygroscopic seeding flares // J. Appl. Meteorology. 1997. Vol. 36. P. 1449-1469.
3. Bruintjes R. T. Review of cloud experiments to enhance pre-
cipitation and some new prospects // Bulletin of the American Meteorogical Society. 1999. Vol. 80, № 5. P. 805-820.
4. Yin Y., Levin Z., Tzivion S. Seeding convective clouds with
hygroscopic flare: Numerical simulation using a cloud model with detailed microphysics // J. Appl. Meteorology. 2000. Vol. 39. P. 1460-1472.
5. Владимиров С.А. Численное моделирование воздействия
на процесс образования осадков в конвективных облаках с помощью засева гигроскопическими аэрозолями // Метеорология и гидрология. 2005. № 1. С. 58-69.
6. Бодунова Л.И., Зацепина Л.П., Соловьев А.Д. Лаборатор-
ные исследования взаимодействия частиц нерастворимых веществ с водным аэрозолем // Тр. ЦАО. Вып. 65. М., 1965. С. 67-82.
7. Романов Н.П., Дрофа А.С., Ким Н.С., Савченко А.В.,
Яскевич Г.Ф. Об использовании цемента для воздействия на теплые облака и туманы // Изв. АН. 2006. № 42. С. 80-91.
Поступила в редакцию
17 декабря 2013 г.
80
70
60
50
40
100
90
80
70
40
80
240
300
360
420
600
660
720
780
840
