CC BY
36
ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ С ПОМОЩЬЮ СТИМУЛИРОВАНИЯ ОСАДКОВ ИЗ ИСКУССТВЕННО СОЗДАННОЙ КОНВЕКТИВНОЙ ОБЛАЧНОСТИ
В.И. Ковалёв, преподаватель, Н.А. Фисенко, начальник метеослужбы, Д.Н. Горбовский, курсант Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж)
В настоящее время наблюдается увеличение количества чрезвычайных ситуаций, связанных с природными катаклизмами и опасными явлениями погоды, и возникающих при этом пожаров. Примером может являться засуха прошлого лета и пожары, которые охватили всю европейскую территорию РФ. Использование погодных условий в некоторых случаях может привести не только к катастрофическим последствиям, но и быть использовано для ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций и пожаров, связанных с ними. Человечество находится в стадии, когда оно в состоянии воздействовать на погодные условия в своих целях, хотя это необходимо делать продуманно и осторожно. Поэтому возможность воздействия на атмосферу с целью создания благоприятных погодных условий является важным направлением в развитии цивилизации.
В работе предложен метод оценки возможности стимулирования атмосферной конвекции для образования конвективной облачности и вызывания из нее в определенном районе осадков.
Суть метода заключается в разработке модели оценки погодных условий на возможность эффективного создания кучево-дождевой облачности над заданным районом, с вызыванием из нее осадков, а также расчет необходимых параметров воздействия.
Устройство для этих целей называется «метеотрон». Простейший «метеотрон» представляет собой систему горелок, в которых сжигается низкосортное топливо. Потоки нагретого воздуха, устремляясь вверх, образуют мощную конвективную струю.
В настоящее время более эффективным считается стимулирование конвекции с помощью струй, обладающих не только тепловой, но и значительной кинетической энергией, в частности струй, создаваемых системой реактивных двигателей, отработавших свой летный ресурс.
Успешность воздействия в первую очередь определяется метеорологическими условиями. Если атмосфера абсолютно устойчива, то никакие реально возможные затраты тепла не могут дать положительного эффекта. При неустойчивой атмосфере воздействие, очевидно, не требуется. В то же время в атмосфере могут быть ситуации, когда естественная неустойчивость еще не реализуется без некоторого толчка извне. Предварительные расчеты параметров струи «метеотрона» позволяют заранее оценить целесообразность воздействия.
I. В первую очередь необходимо определить возможность создания облачности. Это можно сделать качественно или количественно. Качественная оценка основывается на соблюдении ряда параметров, главными из которых являются:
- неустойчивая стратификация атмосферы;
- вертикальный градиент температуры в слое «Земля - уровень конденсации» должен быть более 0,7 0/ 100 м;
- ветер у земли должен быть менее 9 м/с;
- высота подъема струи должна быть на 30 % больше уровня конденсации.
При выполнении вышеперечисленных факторов Архимедова сила быстро разгоняет струю до 12-15 м/с, при этом теплая воздушная струя достигает уровня конденсации и вступает в действие новый фактор - выделение тепла за счет конденсации.
При количественной оценке основными исходными управлениями для расчета параметров турбулентной струи (оценка возможности воздействия на атмосферу) в стратифицированной атмосфере являются уравнения количества движения и избыточного тепло- и влагосодержания в струе:
гТ1 - Т (1)
й (тМ) =--йг
м Т
й [т(Т' - Т )]= т(у-уа' (2)
й[т(ц ' — д]=—тйцйг ( )
где м - вертикальная скорость в струе, ЛТ = Т' — Т - разность температур струя - окружающая среда, g - ускорение силы тяжести, ц', ц - удельная влаж-
г
ность в струе и среде, у,уа - градиент температуры в среде и адиабатический градиент в струе, т - секундная масса:
т = тгЯ 2р М (4)
где Я - радиус струи, р' - плотность газа в струе.
Закон изменения секундной массы обычно задается в виде:
1 (5) т йг Я Т
Полное решение системы равнений (1) - (5) может быть получено только численно с малым шагом по высоте, т.е. с привлечением ЭВМ.
II. На втором этапе необходимо определить масштаб воздействия и количество привлекаемой техники.
Для стимулирования атмосферной конвекции применяются «метеотроны» на базе автомобиля «Краз-266» следующие:
- количество ТРД (РД-3М-500) на одной машине - 4 шт;
- скорость струи ю0 = 500 м/с;
- начальный нагрев струи t = 11000 С;
- радиус струи метеотрона на выходе R = 20 м;
- высота подъема струи h = 3000 м;
- часовой расход топлива на один двигатель Сч = 4 т/ч.
Воздух в зоне «метеотрона» прогревается по сравнению с окружающим воздухом через 15 мин на 15 0С, через 20 мин - на 20 0С, через 25 мин - на 25 0С и через 30 мин - на 30 0С, точка росы повышается на 1, 2, 3, 4 0С соответственно. Мощность таких «метеотронов» достигает 103 МВт, высота подъема струи воздуха составляет 102 - 103 м и более. Мощность описывается выражением:
N0 = ^Po^c
f 2 Л
AToCp +
V
2
(6)
у
где R0 - радиус струи «метеотрона», р0 - плотность газа в струе, ю0 - вертикальная скорость струи, АТ0 - разность между температурой струи и температурой окружающего воздуха, СР - удельная теплоемкость при постоянном давлении.
При благоприятных условиях в зоне действия «метеотрона» образуется искусственное кучевое облако, имеющее все признаки кучево-дождевого.
Прогрев соответственно возрастает, а также возрастает вертикальная скорость струи. Образующаяся в этом случае кучево-дождевая облачность быстро достигает уровня конвекции.
Вместо того чтобы сжигать, можно создавать перегрев воздуха у земли на отдельных участках путем изменения теплового баланса поверхности земли. С этой целью необходимо по возможности увеличить поглощательную способность поверхности, особенно в области коротковолновой радиации, уменьшить излучательную способность в области собственного излучения земли и уменьшить тепловой поток в почву. В качестве покрытия, в частности, применяется асфальт, в связи с чем проблему солнечного «метеотрона» называют «асфальтовой гипотезой». В настоящее время существуют и другие, более эффективные типы покрытий, пригодные для использования в солнечном «метеотроне».
III. На третьем этапе необходимо выбрать позицию «метеотронов» с учетом направления и скорости ведущего потока и рассчитать расстояние и маршрут между позицией «метеотронов» и районом, на который необходимо произвести воздействие.
Таким образом, создание искусственной кучево-дождевой облачности при соответствующей стратификации атмосферы вполне реально. Однако необходимая для этого мощность «метеотрона» напрямую связана с готовностью атмосферы к развитию в ней конвективных облаков.
