Оптимизация методов защиты от радиационных заморозков Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

МЕТЕОРОЛОГИЯ

УДК 551.52.372

ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ОТ РАДИАЦИОННЫХ ЗАМОРОЗКОВ © 2008 г. А.М. Абшаев, Х.Ж. Малкаров

Questions of radiating freezers prevention methods optimization considered. On the basis of research of attenuation of infra-red radiation in artificial aerosol layer, and also modeling of turbulent diffusion of aerosol is shown, that necessary for frost prevention the hotbed effect in the window of atmosphere transparency is more effectively provided with aerosol particles in radius 1,5-2,0 |im at their contents in aerosol layer not less than 2-Ю10 M"2.

Во многих регионах мира заморозки наносят серьезный ущерб сельскому хозяйству. Например, в Южном федеральном округе (ЮФО) Российской Федерации в 1998 - 2002 гг. отмечен 21 случай локальных чрезвы-

Особенно большие потери отмечаются на территории Ростовской и Волгоградской областей, а также в северо-восточных районах Краснодарского и Ставропольского краев. Аналогичная картина наблюдается во многих регионах мира. В Крыму среднегодовой ущерб от заморозков в 1999 - 2004 гг. составил 142,5 млн руб., особенно большой ущерб (283,7 млн руб.) был нанесен в апреле 2004 г. В провинции Мендоса Аргентины ежегодно погибает от весенних заморозков 10 -ь 15 % урожая, и ущерб исчисляется десятками миллионов долларов.

Защита от заморозков в таких регионах весьма актуальна, однако существующие методы пригодны для защиты малых площадей, требуют больших материальных и трудовых затрат и создают экологические проблемы.

Цель настоящей работы - исследование возможности создания экологически чистого метода защиты от заморозков на больших территориях.

чайных ситуаций, связанных с заморозками, среднегодовые потери от которых превысили 600 млн руб./год (табл. 1), при учете более частых заморозков малого масштаба годовой ущерб достигает 1 млрд руб./год.

Методы защиты от заморозков

Для защиты от заморозков применяются несколько физических подходов и методов [1 - 12]:

- пассивный метод, основанный на культивировании в регионах, подверженных заморозкам, морозостойких сортов растений;

- тепловой метод, предусматривающий нагревание воздуха незадолго до того, как температура станет критической для растений;

- динамический метод, основанный на смешении более теплого воздуха в верхних слоях инверсии, с холодным приземным воздухом;

- создание парникового эффекта путем задымления приземного воздуха;

- обогрев поверхности почвы путем покрытия тепловыделяющими составами;

- орошение (вплоть до подтопления поверхностного слоя почвы) с целью изменения ее радиационно-теплового баланса;

Таблица 1

Число случаев и ущерб от ЧС, связанных с заморозками, в ЮФО в 1998 - 2002 гг.

Субъект ЮФО РФ Число случаев ЧС Площадь повреждении, Ущерб

Всего, тыс. руб. В среднем, тыс. руб./га

Республика Адыгея 2 2876,0 30404,2 10,57

Астраханская область 3 9562,0 61187,9 6,40

Волгоградская область 3 61105,1 385517,3 6,31

Ростовская область 2 197831,7 1193500,0 6,03

Краснодарский край 3 89516,0 845365,3 9,44

Ставропольский край 2 36513,0 284939,7 7,80

Карачаево-Черкесия 1 6286,0 44797,1 8,13

Кабардино-Балкария 1 1862,4 14251,2 7,65

РСО-Алания 0 0 0 0

Республика Ингушетия 1 9180,0 37374,0 4,07

Республика Дагестан 3 16701,7 138837,2 8,31

Чеченская Республика Нет данных

Всего за 5 лет 21 431433,9 3036174,9 -

В среднем в год 4,2 86286,8 607235,0 7,47

- дождевание, стимулирующее образование пассивированного тумана путем разбрызгивания воды на растения перед наступлением заморозка и в момент заморозка, а также непрямое дождевание вне посадок;

- использование бактерий, препятствующих возникновению центров льдообразования на листьях растений.

Пассивный метод защиты не всегда приемлем, так как ограничивает выбор культур, а при глубоких заморозках не спасает положения. При I < - 1,66 °С гибнут цветы плодовых культур, при t < — 2,22 °С уничтожается урожай фруктов [6, 12-14].

Тепловой метод, реализуемый путем сжигания дымовых куч, сырой нефти, мазута, старых покрышек, пропитанных нефтепродуктами [2 - 5], требует нерационально больших затрат энергии (порядка 5 МВт/га в ч и загрязняет среду, поэтому этот метод приемлем для защиты малых площадей.

Динамический метод основан на перемещении более теплого воздуха с вышележащих слоев к поверхности земли с помощью вертолета или ветровых машин [6, 11, 12]. В экспериментах, проведенных в Краснодарском крае, Армении и Молдове, показано, что одним вертолетом Ка-26 можно защищать от 7 до 15 га, а вертолетом Ми-8 - около 25 + 50 га [6]. Пролеты вертолета на высоте 20 м со скоростью 25 км/с через каждые 8+10 мин обеспечивают повышение температуры на 4 -=- 5 °С. Однако применение метода ограничивается опасностью ночных полетов вертолетов на малых высотах.

Более широкое применение получили методы защиты от заморозков путем создания пассивированных туманов и дымовых завес с применением аэрозоль-образующих веществ [2 - 12]. Эти методы имеют одну и ту же физическую основу - создание парникового слоя, задерживающего тепловое излучение почвы, и являются традиционными. Для создания дымовой завесы в ряде стран (например, в Аргентине в долинах р. Тунуян, Мендоса и Диаманте) жгут гудрон, солому, старые автомобильные шины в десятках точек на каждом га площади защиты. Такое дымление приводит к ослаблению заморозка на 1 + 1,5 °С, но продлевает его продолжительность, так как при штиле дымовая завеса не рассеивается даже после восхода солнца. Для равномерного распределения дыма от источника по площади и принудительного опускания более теплого воздуха к земле зачастую устанавливают мощный вентилятор на мачте.

В РФ для этих целей выпускались нашатыр-антраценовые противозаморозковые шашки [7], эффективность которых оказалась недостаточной. Состав на основе красного фосфора по эффективности в 6 + 8 раз превосходит нашатыр-антраценовый состав.

НПО «Тайфун» совместно с ВНИИСХМ и проти-воградовой службой Республики Молдова провели эксперименты по защите от заморозков путем создания искусственных туманов с помощью генератора гигроскопических ядер конденсации с модальным размером 102 нм [6]. При сжигании 5 г/с гигроскопического реагента формировался туман со средним размером капель (3 + 4)103 нм, и температура воздуха повышалась в среднем на 3 -ь 3,5 °С.

Одесским государственным университетом разработан способ создания пассивированных туманов с применением цетилового спирта в качестве поверхностно-активных веществ. В ГГО проведены исследования [10] возможности применения сильно поглощающих веществ, обладающих парниковым потенциалом (например, хлорфторуглеводороды в газовой фазе, парниковый потенциал которых в 2 000 раз выше, чем у углекислого газа).

НПО «Тайфун» и ВНИИСХМ разработали метод создания площадных долгоживущих источников тепла [6], предусматривающий покрытие почвы слоем гидрореагирующих тепловыделяющих веществ. В качестве базового реагента для создания такого источника используется гидрид кальция, обеспечивающий компенсацию радиационных тепловых потерь поверхности почвы. Многочисленными опытами подтверждена высокая термическая эффективность такого состава и его положительное влияние на плодородие почвы, особенно на почвах с повышенной кислотностью.

На основе физико-математического моделирования и экспериментально показано [6], что нанесение на поверхность почвы 0,2 -ь 0,4 кг/м2 гидрида кальция поддерживает перегрев почвы порядка 3 -ь 6 °С в течение 3 -ь 4 ч, что является достаточным для защиты теплолюбивых культур при умеренных заморозках. Применение гидрида кальция в дозировке 0,05 -ь 0,07 кг/м2 в неотапливаемой теплице обеспечило полную сохранность рассады томатов, перца и огурцов при заморозках на высоте 0,25 м - 6 0С. Внесение гранул гидрида кальция размером до 3 мм в междурядьях на глубине около 5 см повышает температуру воздуха на высоте 74 см на 3 + 4 °С. Широкомасштабное применение способа сдерживается большими расходами реагента (2 + 3т/га), но он рентабелен в качестве резервного при аварийных отключениях системы обогрева теплиц.

В ряде стран для защиты садов и виноградников используется подтопление поверхностного слоя почвы и противозаморозковое дождевание непосредственно на растения [3, 5, 10]. Это требует большого расхода воды и может приводить к выпреванию растений, заболачиванию почвы, а в некоторых регионах к образованию солончаков.

В США используются бактерии, препятствующие возникновению центров льдообразования на листьях растений [12], в результате чего устойчивость их к отрицательным температурам повышается на 2 + 4 °С.

Для прогноза заморозков ВНИИСХМ совместно с Центром автоматизации и метрологии РАН создан информационно-измерительный агрометеорологический комплекс, обеспечивающий прогноз интенсивности и длительности заморозка в конкретной точке и расчет норм расхода средств воздействия на термический режим. Для контроля эффективности защиты от заморозков ими же разработан научно-исследовательский микроклиматический комплекс НИАК [6].

Рассмотренные методы защиты от заморозков имеют свои преимущества и недостатки. Эффективность одних методов ограничивается определенными метеорологическими условиями, а применение других

либо слишком дорого, либо недопустимо по соображениям экологической безопасности.

Физические основы защиты от радиационных заморозков

Радиационное выхолаживание земной поверхности

Спектр теплового излучения земной поверхности в основном укладывается в диапазон длин волн 4-103 < Х< 12-104 нм с максимумом в области (10 -ь 15)-103 нм. Интенсивность излучения в единицу времени (Е, Дж/см2 мин) можно рассчитать, в соответствии с законом Стефана-Больцмана по формуле: Е = (1—А)-ст-Т4 =а а-Т>, где А - альбедо земной поверхности, в среднем равное 0,05; а = (1 - А) ~ 0,95; Т - абсолютная температура, К; постоянная с = = 3,4-10-10 Дж/см2.

При Т = 273 К интенсивность излучения составляет Е -18 кДж/м2-мин, а потери тепла с захода до восхода солнца - около 1254 кДж/м2. Такие потери могли бы привести к очень сильному охлаждению поверхности земли. Однако значительная часть этой энергии поглощается газами атмосферы (водяной пар, углекислый газ, кислород, озон) и около 70 % этой энергии возвращается к земле в том же диапазоне волн. Главную роль при этом играет содержание водяного пара, который обусловливает интенсивное поглощение инфракрасной радиации в диапазоне (4,5 -ь 80)-103 нм. Но в окне прозрачности водяного пара (8,5 + 11)-103 нм тепловое излучение уходит в космическое пространство и обусловливает радиационное выхолаживание земной поверхности. Ночное понижение температуры АТ определяется [6] выражением:

AT = T0-2B0int

0,5 -0,5 Л .

(1)

где В0 - эффективность излучения, равная 50 + 100

Вт/м2; in =

с ■ р - тепловая инерция почвы; и, с и

р - тепловодность, теплоемкость и плотность почвы.

При наличии слоя тумана (или облачности) для расчета Л7: в выражении (1) значение В0 нужно заменить на Но = В0е 64?Е , где ц^ = г//? - приведенная водность всего слоя тумана (облака), кг/м2; д - водность единицы объема, кг/м3; И - толщина слоя тумана, м. Известно, что при облачности с приведенной водностью единичного столба ц^ > 0,03 кг/м2 тепловое излучение земной поверхности почти полностью поглощается, и возвратное излучение создает парниковый эффект, исключающий радиационные заморозки.

Для защиты больших территорий от радиационных заморозков предлагаются следующие два метода, основанные на использовании парникового эффекта:

- первый метод основан на оптимизации парниковой эффективности искусственного аэрозольного слоя;

- второй метод предусматривает оптимизацию условий формирования искусственного тумана за счет одновременного введения в приземный слой атмосферы водяного пара и гигроскопических реагентов.

Для оптимизации этих методов необходимо решить как минимум две задачи:

- подобрать оптимальные для парникового эффекта дисперсность и дозировку аэрозоля на основе исследования особенностей рассеяния и ослабления инфракрасного излучения в искусственном аэрозольном слое;

- рассчитать площади и время существования эффективного парникового слоя на основе моделирования турбулентной диффузии и переноса аэрозоля при заморозковой ситуации.

Рассеяние и ослабление инфракрасного излучения в аэрозольном слое

Аэрозольный слой в атмосфере может создавать парниковый эффект за счет рассеяния, поглощения и ослабления восходящего теплового излучения. Интенсивность проходящей через аэрозольный слой радиации 3 определяется выражением:

/ = (1 -Алсу0е~\

где •/„ - интенсивность восходящего инфракрасного излучения; Алс = (рх /т - альбедо аэрозольного слоя; (р^ - суммарное рассеяние в толще слоя во все стороны; т = к-И - суммарное ослабление в слое (его оптическая толщина); к - коэффициент ослабления в однородном слое мутной среды единичной толщины; к - вертикальная протяженность аэрозольного слоя; (\-А) = у^/т, так как ср^ = где ух - суммар-

ное поглощение в аэрозольном слое.

Прозрачность Р аэрозольного слоя, характеризующая степень уменьшения интенсивности восходящего инфракрасного излучения земли, равна

Р = з13ъ={уЪ1г)-е^ .

Значения <р, к и у зависят от длины волны А, дисперсности, формы и диэлектрических свойств аэрозоля. В случае сферических частиц их значения могут быть рассчитаны по формулам:

(р = jn4.JJp

о

к= jn^ßfä

о

у= jn^Jjj-

(2)

где г - радиус аэрозольных частиц; п(г) - функция распределения частиц по размерам; стр, аос и ап - поперечные сечения общего рассеяния, ослабления и поглощения, которые в случае диэлектрически однородных сферических частиц могут быть рассчитаны по формулам:

А2 °° I ,2 ,

■Е(2« + 1)|-и| +| Ъп

СГр 2n2r2 "i

I2

сг = ■

In г'

СО ^

■£(2n + Y)4rRelan+bn )

с = с —с

п ос р

0

n=1

где ап =

Ъ„ =

¥п Цру'п <ПРУ»1¥'П 4?Жп 4>Р

К(р)

v'n

w'n ЪрУ mhn ip) Vn^P.,

СP)Vn 4}Pj-my/n(p)y/'n ifp^

КЛР)

V nbp jjmhn{p)

амплитуды парциальных волн, излучаемых индуцированными электрическими и магнитными диполями, квадруполями, октуполями и другими многополюсниками /7-го порядка; ( Не) - реальная часть аргумента; р = ^Е!—; ч'п - цилиндрические функции Бессе-

ля первого рода; к„ - цилиндрические функции Ханке-ля второго рода порядка п + 1/2; штрихами обозначено дифференцирование по аргументу; т = п-1к- комплексный показатель преломления; п - показатель преломления; к- показатель поглощения. Значения п и к для сажи могут быть представлены [9] выражениями: /7=1,43 7+0,047/1; /с=0,756-0,008/1.

Для выбора оптимальной дисперсности аэрозоля, обеспечивающей максимальное ослабление в окне прозрачности атмосферы, положим, что аэрозоль монодисперсный. Тогда при сжигании дымового состава массой М создается число частиц аэрозоля Ы, приходящееся на единицу площади:

N = -

3M

(3)

р • S

где р » 1,35 г/см3 - плотность частиц сажи; S - площадь турбулентной диффузии аэрозоля, которая в первом приближении может быть представлена в виде эллипса с полуосями аий, S= л-а-Ъ.

С учетом (3) в предположении, что масса аэрозоля, приходящегося на единицу площади, не зависит от дисперсности аэрозоля и равна M/S = 1,0 г/м2, выражения (2) примут вид

(рТ_ =N<7р Г3 =1,77- Ю11^ Г t-Nаос г~3 =1,77-10псгос, г~ r^=Na„ г~3 = 1,77-10псг„г

□

Г, /г- В м7м°.

где ар аос, а„ - в м-; г - в см; значения

Расчет рассмотренных характеристик распространения инфракрасного излучения в аэрозольном слое проведен для размеров частиц аэрозоля {Кг < 20)Т03 нм с шагом Лг = 102 нм для длин волн (1 < Л < 20)Т03 нм с шагом АЛ = 103 нм.

На рис. 1 показаны семейства кривых зависимости общего рассеяния суммарного поглощения ;л и ослабления г во всей толще аэрозольного слоя от размера аэрозоля.

Анализ этого рисунка показывает, что в окне прозрачности атмосферы (8,5 < Л < 11)-103 нм значение т> в 3 +4 раза, следовательно, парниковый эффект в основном обусловлен поглощением инфракрасного излучения. На коротких длинах волн (1 < Л < 6)-103 нм более эффективное рассеяние, поглощение и ослабление наблюдается в области мелкого аэрозоля с г < 1,0 нм. По мере увеличения размера аэрозоля максимум ослабления сдвигается в область более длинных волн и в окне прозрачности атмосферы максимальное ослабление (г « 0,8) отмечается при размерах аэрозоля г = (1.5 + -2,0) 103 нм.

Радиус аэрозоля, г, нм

Рис.1. Суммарное рассеяние: а - поглощение; б - общее ослабление; в - ослабление инфракрасного излучения земной поверхности в слое искусственного аэрозоля в зависимости от его дисперсности на длинах волн от (1 - 20} 103 нм. Жирная кривая соответствует длине волны 104 нм, полужирные - длинам волн (9 и 11 )-10-3нм

Таким образом, эффективный парниковый эффект может создать аэрозоль размером г = (1,5 + 2,0)-103 нм, который при M/S » 1 г/м2 может обеспечить достаточно эффективное ослабление восходящего инфракрасного излучения.

На рис. 2 представлены семейства кривых зависимости от длины волны суммарного ослабления г и прозрачности Р аэрозольного слоя при M/S » 1 г/м2 и разной дисперсности аэрозоля.

Из рис. 2а также следует, что в окне прозрачности атмосферы максимальное ослабление инфракрасного излучения наблюдается при размерах аэрозоля (1,5 < г < 2,0)103 нм. При этих же размерах аэрозоля отмечается минимум прозрачности аэрозольного слоя P < 0,3 (рис. 2б). Это означает, что такой аэрозольный слой уменьшит интенсивность восходящего инфракрасного излучения более чем на 70 %.

и

о

4

5

3

3

о 0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

I а I

I I

I ■

Г =1 з3 тм Y 1,5 1.

1 и / 6 ■

-3 t~4 ~2 ■5 С

— 1

- 1 1

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

(5

Длина волны, А,, 10-3нм

Рис. 2. Зависимость суммарного ослабления (а) и прозрачности аэрозольного слоя (б) от длины волны инфракрасного излучения X при указанных размерах аэрозольных частиц

Следует отметить, что использование гироскопического аэрозоля, стимулирующего конденсацию водяного пара и формирование тумана, может значительно повысить парниковый потенциал искусственного аэрозольного слоя.

Моделирование диффузии и переноса искусственного аэрозоля

Процесс распространения аэрозольных частиц описывается уравнением:

дп

т

дп

дх

■ЧуП

= DT

f 1-' 2п

2п

2

2п

дх dy

dz

2

(4)

где п = п у. ^ - объемная концентрация частиц аэрозоля; u и w - горизонтальная и вертикальная составляющие скорости воздушных потоков;

Vs = J ffl(r)r3 niC^r о

\r 3n

- скорость гравитаци-

2gi>~Po

онного осаждения частиц аэрозоля; ro(r) =

9

>

И<

„2

хг" - скорость седиментации частицы радиуса к р и р0 - плотность аэрозольной частицы и воздуха; // -динамическая вязкость воздуха; DT - коэффициент турбулентной диффузии.

На основе имеющихся экспериментальных данных [3 - 5] для исследования диффузии искусственной дымовой завесы при заморозках была построена эм-

пирическая модель приземной атмосферы [1], в которой допускается, что:

- до высоты 50 -ь 200 м имеется инверсия температуры, препятствующая тепло- и массообмену с вышележащими слоями атмосферы;

- значение коэффициента турбулентной диффузии Бт предполагается постоянным по всей высоте слоя и может варьировать в пределах 5 -ь 20 м2/с;

- скорость ветра составляет 0,5 -=- 2,0 м/с, вертикальных потоков нет.

Для численного решения уравнения (4) начало координат помещено в точку выброса аэрозоля, ось OX направлена вдоль направления ветра, а ось OZ - вертикально вверх. На поверхности земли задано условие полного поглощения частиц аэрозоля, а на верхней границе инверсионного слоя - условие полного отражения, приводящее к накоплению примеси в данном слое.

Расчетная область аппроксимировалась системой эйлеровых сеток. Пространственная аппроксимация операторов турбулентной диффузии и адвекции осуществлялась на трехточечном шаблоне центрально -разностной схемы второго порядка точности. Для дискретизации задачи по времени взята неявная схема с расщепляющимся оператором. Получающиеся в результате расщепления системы линейных уравнений с трехдиагональными матрицами решались методом потоковой прогонки.

Рассмотрены случаи диффузии и переноса аэрозоля от мгновенного точечного, непрерывного точечного и линейного (подвижного) источника. В результате численного моделирования получены поля распространения аэрозоля через 5, 10, 30 и 60 мин после начала действия источников аэрозоля, параметры которых приведены в табл. 2.

Таблица2

Параметры моделируемых источников аэрозоля

Параметр источника аэрозоля Тип источника искусственного аэрозоля

Мгновенный точечный Линейный (подвижный) Непрерывный точечный

Масса источника 50 50 «2000 за

M, кг ночь

Размер аэрозоля, г 103 нм 1,5 1,5 1,5

Выход аэрозоль- 2,6-1015 5,2-1012 м-1 5,2-1012 с-1

ных частиц, N

Расход дымового Вся масса 0,1 кг/м 0,1 кг/с

состава, AM мгновенно

Скорость пере- 0 10 0

мещения, и, м/с

Длина пути 0 500 0

перемещения, 1, м

Высота внесения 50 10 10

аэрозоля, И, м

На рис. 3 показан вид сверху аэрозольных облаков, созданных при скоростях ветра 0,5 и 1,0 м/с мгновенным точечным и линейным источниками частиц аэрозоля радиусом 1,5-Ю3 нм, а на рис. 4 то же самое для непрерывного точечного источника.

0

о

а - u=0,5 м/с

б - u=1 м/с

- п — Ю10 м"2 7

_.1ПЭ -2

/ у

/

/

• 1 КМ

Ь км"

обеспечить необходимый парниковый эффект кратковременно и на ограниченной площади.

При движущемся линейном источнике с расходом 0,1 кг/с облако аэрозоля растягивается на ширину пути перемещения, и получается узкая (» 250 м) полоса, где содержание аэрозоля обеспечивает необходимый парниковый эффект, но через 15+20 мин она исчезает. Поэтому для поддержания парникового эффекта необходимо такое внесение аэрозоля повторять каждые 10+15 мин.

Непрерывный точечный источник через 1 ч после начала действия при скорости ветра 0,5 м/с обеспечивает содержание аэрозоля в слое более 1010 м-2 на площади эллипса с полуосями: а = 450 и в = 1000 м (рис. 4). Это означает, что при непрерывном внесении аэрозоля с расходом 360 кг/ч через 1 ч будет создан эффективный парниковый слой на площади около 140 га.

а - u=0,5 м/с

б - u=1 м/с

t, мин

»

т

012345 012345

I-II II !Г II II-II-II-II—МММ

>0 >1 >2 >3 >4 >5 >6 >7 >8 >9 >10 >11

X, км

Рис. 3. Поля распространения аэрозоля радиусом 1,5-10" нм от точечного (вверху) и линейного источника (внизу) при скорости горизонтального ветра 0,5 (а) и 1 м/с (б) в изолиниях содержания аэрозоля в вертикальном столбе через 5, 10, 30 и 60 мин после внесения

Рис. 4. Поля распространения аэрозоля радиусом 1,5-10" нм от непрерывного точечного источника при скорости горизонтального ветра 0,5 (а) и 1 м/с (б) в изолиниях содержания аэрозоля в вертикальном столбе через 5, 10, 30 и 60 мин после внесения

Аэрозольные облака показаны в изолиниях концентрации частиц, проинтегрированной по толще слоя турбулентной диффузии.

Анализ результатов расчетов показал, что гравитационная седиментация такого аэрозоля мала (» 2-10 1 м/с), и он может находиться в воздухе в течение времени, сравнимого с продолжительностью заморозка. Диффузия аэрозоля в основном происходит за счет турбулентности воздуха и основная масса аэрозоля сосредотачивается в слое приземной инверсии температуры.

Облако аэрозоля, создаваемое мгновенным неподвижным источником, вытягивается по горизонтали и переносится в направлении ветра. В течение 1 ч при скоростях ветра 0,5 и 1,0 м/с эллипс распространения аэрозоля имеет полуоси а « 1,5 и 2,3 км и Ъ « 0,7 км (рис. 3). Содержание аэрозоля в центре аэрозольного облака через 10 мин после внесения составляет более 101" м~2 на площади эллипса с а «125 и в ~ 100 м. В дальнейшем эта площадь уменьшается и через 15 + 20 мин исчезает. Следовательно, такой источник может

Предлагаемые методы защиты от радиационных заморозков

Первый метод защиты от радиационных заморозков предполагает создание искусственного парникового слоя аэрозоля, оптимизированного на основе результатов моделирования ослабления инфракрасного излучения и турбулентной диффузии аэрозоля. Исходя из результатов моделирования следует, что оптимальный для предотвращения радиационных заморозков аэрозольный слой должен содержать не менее 2-101" частиц аэрозоля размером (1,5 + 2)-103 нм. Более низкое содержание аэрозоля недостаточно, а создание более высокого содержания ведет к излишним расходам дымообразующего состава.

Для создания такого аэрозольного слоя предлагается использовать высокопродуктивные аэрозольные средства НИИПХ, типа реактивно-зажигательного патрона ЗДП и дымовых гранат ЗД6М и ЗД17, диспергирующие аэрозоль с эффективным поглощением инфракрасной радиации в полосе (0,4 - 14)-103нм.

Спектры аэрозоля, выделяемые этими средствами, не совсем оптимальны. Значительная часть спектра поглощения выходит за пределы окна прозрачности атмосферы. Кроме того, масса дымообразующего состава (1,2 кг) в этих изделиях мала. Поэтому для производственного применения предлагаемого метода целесообразно создать крупногабаритные генераторы с экологически чистыми составами, обеспечивающими маскирующее действие в окне прозрачности водяного пара.

Парниковый слой аэрозоля предлагается создавать с помощью генератора дыма непрерывного или импульсного действия на наветренном фланге защищаемой территории на высоте около 10 м, чтобы избежать загрязнение приземного воздуха и увеличить площадь диффузии аэрозоля. Расход дымового состава необходимо регулировать по данным контроля скорости приземного ветра, температуры приземного воздуха и оптической плотности аэрозольного слоя. При отсутствии ветра генератор дыма может включаться с перерывами.

Такой метод от радиационных заморозков целесообразно применять в районах, где потери от них превышают себестоимость защиты. Экономическая эффективность метода защиты может быть рассчитана по формуле: Ее = У-Б-3 = У-Б- (пМс + Фз + 0,15К), где У - среднегодовой ущерб от заморозков; З - затраты на защиту; п - число ночей с заморозками; -площадь защиты одним генератором дыма; Ми с -масса и стоимость дымообразующего состава; Фз -фонд зарплаты; К - капитальные затраты на приобретение контрольных приборов (измерительный комплекс НИАК с датчиками температуры, влажности воздуха, оптической плотности атмосферы, направления и скорости ветра).

По данным моделирования при использовании непрерывного точечного источника с расходом 0,1 кг/с при скорости ветра 0,5 м/с и средней длительности заморозка около 6 ч за ночь с заморозком для защиты 140 га потребуется около 2 т дымового состава стоимостью около 30 тыс. руб. При 5= 140 га, п = 5, У = 10, Фз = 20 и К = 100 тыс. руб. экономический эффект составит порядка Ее = 1,2 млн руб. Применение метода на обширных площадях может быть высокорентабельным.

Второй метод защиты от радиационных заморозков основан на оптимизации метода стимулирования искусственного тумана путем введения в приземный слой воздуха как гигроскопического аэрозоля, так и водяного пара с целью повышения влажности воздуха, вероятности формирования тумана и его водности. Расход гигроскопического реагента, согласно [6], составляет 18 кг/ч, а расход водяного пара для покрытия дефицита точки росы D при влажности воздуха/ = 80 % и создания слоя тумана толщиной к = 5 м на площади = 1 га составит около Мв = Л'•/?■/) = 45 кг. Затраты энергии на парообразование составят порядка ~ 113 МДж/ч. Это требует применения парового котла мощностью око-

Высокогорный геофизический институт, г. Нальчик_

ло 40 кВт. Оценки расхода газа или дизтоплива для дизельной электростанции показали, что затраты за 1 ночь составят около 1000 руб., что вполне приемлемо, так как все методы защиты от заморозков требуют больших затрат.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что на основе исследований ослабления инфракрасного излучения в аэрозольном слое и турбулентной диффузии аэрозоля предлагаются оптимизированные методы защиты от радиационных заморозков:

- метод создания парникового аэрозольного слоя с помощью непрерывного точечного источника с производительностью 5,2-1012 частиц гигроскопического аэрозоля размером (1,5 -ь 2,0)-103 нм;

- метод стимулирования искусственного тумана путем одновременного введения в приземный слой атмосферы гигроскопического аэрозоля с модальным размером 102 нм и водяного пара.

Оценки показывают, что такие методы, сопровождаемые контролем параметров приземного воздуха и оптической плотности аэрозольного слоя, более эффективны и рентабельны по сравнению с применяемыми методами дымления с помощью подручных горючих материалов с неконтролируемой дисперсностью и концентрацией аэрозоля.

Литература

1. Абшаев А.М., Малкаров Х.Ж. // Материалы V конф. мо-

лодых ученых КБНЦ РАН. Нальчик, 2005. С. 5-7.

2. Берлянд М.Е. Теоретические основы защиты растений от

заморозков посредством дымовой завесы. Л., 1948. С. 53-83.

3. Бурман Э.А., Шнайдман ВА. // Тр. УКРНИИ. 1963. Вып. 6.

С. 100-107.

4. Гольцберг И.А. Климатическая характеристика замороз-

ков и методы борьбы с ними в СССР. Л., 1949.

5. Гольцберг И.А. Агроклиматическая характеристика за-

морозков в СССР и методы борьбы с ними. Л., 1961.

6. Вольвач В.В., Мамаев Е.В., Моргунов Ю.А. Способы

защиты от заморозков с помощью искусственного тумана, мелкодисперсного дождевания, пиротехнического аэрозолеобразующего состава и динамического воздействия на приземный слой воздуха: Обзор ВНИ-ИСХМ. Обнинск, 1999.

7. Красиков П.Н. Борьба с заморозками при помощи ды-

мов и туманов. Л., 1949. С. 84-99.

8. Малкаров Х.Ж. // Тр. IV конф. молодых ученых КБНЦ

РАН. Нальчик, 2006. С. 36-42.

9. Малкаров Х.Ж., Созаева Л.Т // Материалы V конф. мо-

лодых ученых КБНЦ РАН. Нальчик, 2005. С. 41-45.

10. Федосеев В.А, Полищук Д.И. и др. // Науч. ежегодник

Одесского университета. Одесса, 1957.

11. Freeze protection // Journ. of California. 1971. Vol. 2. № 18.

P. 21-29.

12. SmallR. // Bull. Amer. Met. Soc. 1979. Vol. 30. № 3. P. 64-

68.

13. Ковалева Е.Д. // Тр. ГГО. 1951. Вып. 27 (89).

14. Коровин А.И. Об отношении растений к низким поло-

жительным температурам и заморозкам и пути повышения их холодо- и заморозкоустойчивости. M., 1969.

_19 апреля 2006 г.