Pomdizo. Перспективы использования конденсированной атмосферной влаги для тушения лесных пожаров

Невиданный ливень не прекращался уже тридцать шесть часов. Мутные потоки неслись
по склонам изрытого водой холма, нависающего над городом, переполняли сточные
канавы и, бешено крутясь, устремлялись к реке. Люди в панике покидали дома.
Подмытые деревья медленно клонились и падали, разрушая заборы и стены жилищ.

На вершинах холмов, что окружали долину с северо-востока и юго-запада, умело
спрятанные от людского глаза, тихо гудели два механизма неземного происхождения.
Они неутомимо посылали потоки частиц в небо, собирая тяжелые дождевые тучи.
В долине продолжался ливень...

Ли Дуглас Брэкетт. "Все цвета радуги" (1957)

Трудно перечислить, сколько прогнозов и предсказаний писателей-фантастов уже сбылись, а сколько могут сбыться в ближайшем будущем. Так и с произведением Ли Брэкетт, выдержка из которого вынесена в эпиграф. Казалось бы, идея витает в воздухе - климатическое оружие. Понятно, какой эффект нужен. Непонятно - как? Однако проходит всего-то 50 лет...

Цель публикации - способствовать разработке и внедрению "устройства для получения электричества из атмосферы" под видом системы воздействия на атмосферные процессы.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АТМОСФЕРНОЙ ВЛАГИ ДЛЯ ТУШЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ

официальный вариант статьи с незначительными изменениями вышел в печать в журнале:

"Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация" N2 - 2011 (с. 11-17)

Проблема тушения лесных и лесоторфяных пожаров снова заявила о себе в полный рост аномально жарким для центральных регионов России летом 2010 года. Огненная стихия бушевала больше двух месяцев. За этот период было зарегистрировано 33,5 тысячи лесных пожаров, которыми были охвачены 2,1 млн га территорий лесного фонда. По сравнению с показателями 2009 года отмечено увеличение количества лесных пожаров в 1,5 раза. Ущерб от лесных пожаров по состоянию на 1 октября 2010 года оценивается в 85,5 млрд рублей [1].

Количество лесных пожаров неуклонно увеличивалось с 1920-х годов с активизацией лесохозяйственной деятельности и торфоразработок на территории СССР, а потом и с 1960-70-ых годов, что связано с расширением сельскохозяйственных угодий [2]. Обращает на себя внимание тот факт, что, по сути, с тех пор и по сегодняшний день для тушения лесных пожаров практически не было предложено эффективных инновационных методов.

В основном используют традиционные способы, требующие близкого присутствия человека к очагу пожара: сбивание кромки пламени, окапывание, встречный пал. Тушение водой применяют редко и только на наиболее опасных направлениях - вследствие удалённости и нехватки источников воды. Использование авиации для её доставки и сброса на очаги пожара многими специалистами признаётся неэффективным из-за малого количества перевозимой на вертолётах воды и сложности точного водосброса с самолётов. От пилотов при этом требуется особая точность в условиях пониженной видимости, опасности малых высот и восходящих потоков над очагом пожара.

"В этом случае не соблюдается не только такой важный параметр процесса тушения древесины, как удельный расход воды на тушение: Vуд (л/м²), но и интенсивность подачи воды в очаг пожара I, л/(м²·с). При тушении твердых горючих материалов эта величина численно должна быть близка I ~ 0,1 л/(м²·с). При подаче же воды с самолёта она в сотни раз меньше рекомендуемой. Поэтому вся вода фактически пропадает впустую" [3].

Опыт 2010 года показал, что:

-- всерьёз тушением пожаров занялись только в августе, когда гибли люди и полыхали деревни;

-- в большинстве случаев противостоять стихии огнеборцы не могли;

-- наиболее действенным средством, как и в старину, оказалась не "водонесущая" авиация, а встречный пал [2];

-- результативность тушения крупных пожаров составила 4-5 %. Мировой опыт (США, Канада, Франция, Австралия) показал, что коэффициент полноты использования воды на лесных пожарах редко превышает 1-2 % [3];

-- основную работу по тушению пожаров "выполнили" начавшиеся во второй половине августа дожди. Но и в сентябре в Волгоградской, Самарской, Саратовской и других областях, где выпало сравнительно небольшое количество осадков, выгорали целые деревни.

Анализ засушливых периодов в 1972 (по продолжительности отсутствия осадков этот год опережает даже 2010), 1975, 1981, 1997 и 2002 годах показывает то же самое: пожары постепенно прекращаются независимо от задействованных для их тушения сил и средств с приходом затяжных дождей и понижением температуры [2].

Из изложенного следует, что для успешного тушения лесных пожаров на огромных площадях нужны обильные дожди. А атмосфера Земли является практически неиссякаемым и, главное, возобновляемым источником влаги. Например, по данным метеостанций в Москве, Рязани и Владимире (эти области были охвачены пожарами в середине лета) за период с 15 июля по 15 августа 2010 года относительная влажность воздуха менялась:

-- в Москве от 25 до 95 % (среднее значение 58 %) при среднесуточной температуре 27,7 ^oС. Пик температуры - 37,8 ^oС.

-- в Рязани от 15 до 92 % (среднее значение 49 %) при среднесуточной температуре 27,8 ^oС. Пик температуры - 38,8 ^oС.

-- во Владимире от 31 до 100 % (среднее значение 64 %) при среднесуточной температуре 22,3 ^oС. Пик температуры - 37,0 ^oС.

Атмосферное давление для высоты над уровнем моря 158 метров было чуть выше нормы - 749 мм, что соответствует 762 мм на уровне моря [4].

Анализ содержания паров воды в воздухе проведён по данным Рязанской области - самой засушливой.

Относительная влажность воздуха связана с абсолютной влажностью формулой

0x01 graphic

где f - абсолютная влажность, г/м³; f _max - плотность насыщенных
паров воды при заданной температуре, г/м³.

Обработка метеоданных показала, что абсолютная влажность воздуха в интервале температур от 20 до 36 ^oС для соответствующей ей относительной влажности практически постоянна и составляла на исследуемый период примерно 12 г/м³. Эта величина позволяет оценить, сколько влаги содержится в атмосфере Земли в переводе на квадратный метр её поверхности. С увеличением высоты атмосферное давление снижается, соответственно, падает и плотность воздуха, и абсолютная влажность. Однако по мере снижения температуры воздуха относительная влажность наоборот будет повышаться и при достижении 100 % ("точка росы") будет происходить конденсация влаги. В природе это явление наблюдается в виде облаков, из которых наиболее насыщенные влагой - кучево-дождевые, с верхней границей формирования 12-15 км. Их суммарная толщина меняется от 3-4 до 10-15 км в зависимости от класса [5].

Изменение плотности газа от высоты в поле тяжести описывается барометрической формулой

0x01 graphic

где p - давление газа в слое, расположенном на высоте h, p₀ - давление на нулевом уровне (h = h₀),
M - молярная масса газа, R - газовая постоянная, T - абсолютная температура.

Однако данная формула полностью не отражает реальное распределение давления и плотности воздуха в атмосфере, так как температура и ускорение свободного падения меняются с высотой и географической широтой. Кроме того, атмосферное давление увеличивается с концентрацией в атмосфере паров воды. Наиболее полно влияние всех этих факторов учитывается в параметрах стандартной атмосферы [6].

Плотность воздуха до высот 12-15 км убывает экспоненциально, и в первом приближении можно считать, что абсолютная влажность, которая по физическому смыслу представляет собой плотность паров воды в атмосфере, также убывает пропорционально ей. Также допустим, что при достижении "точки росы" происходит только изменение фазового состояния воды - переход из газообразного в жидкое и твёрдое, а её масса в единице объёма остается неизменной (капли и кристаллы витают в атмосфере).

Пересчёт параметров атмосферы для начальных условий - температура 28 ^oС, давление 760 мм на уровне моря - позволяет рассчитать и абсолютную влажность, изменение которой отвечает зависимости, представленной на рисунке 1 [6].

0x01 graphic

Рисунок 1. Зависимость абсолютной влажности воздуха от высоты над уровнем моря.

Проинтегрировав эту зависимость в интервале высот от 0 до 12 500 метров, можно определить содержание влаги в столбе воздуха сечением S = 1 м²:

0x01 graphic

Эта величина почти на порядок меньше требуемого удельного расхода воды на тушение лесного пожара (500-600 л/м² [3]). Однако воздушная среда подвижна, и даже в штиль скорость приземного ветра может составлять до 0,2 м/с. Тихий ветер - уже до 1,5 м/с (по шкале Бофорта). Если бы удалось использовать хотя бы 1 % атмосферной влаги, то и в штиль интенсивность её выпадения могла бы составить 80·0,01·0,2 = 0,16 л/(м²·с), что в полтора раз выше требуемой для тушения (I ~ 0,1 л/(м²·с) [3]), - и это при практически неограниченном времени подачи.

На высоте скорость движения воздуха значительно возрастает. Значит можно ожидать, что по мере поступления новых воздушных масс и усиления ветра на каждый квадратный метр площади пожара ежесекундно могут выливаться несколько десятков - сотен миллилитров воды, которые могли бы быть неплохим подспорьем в борьбе с огнём или использоваться для предотвращения загорания. Нужно только эту влагу извлечь.

Существуют определённые технические способы получения воды из атмосферного воздуха - в конденсаторах влаги (требуют охладителя-реагента), искусственное вызывание дождя путём засеивания слоистообразных форм облачности жидким азотом и гранулированной твердой углекислотой ("сухим льдом"), йодистым серебром, гигроскопическими веществами [7]. Наконец, осадки могут быть вызваны резким снижением температуры воздуха на значительной территории - при выбросах пепла в результате извержениях вулканов или при таком явлении, которое современные учёные называют "ударной зимой" - после нанесения массированного ядерного удара или падения астероида. Как видно, все эти способы либо требуют наличия уже сформировавшейся облачности, либо очень энерго- и ресурсоёмки, либо вообще несовместимы с дальнейшей хозяйственной деятельностью на защищаемой территории.

Однако существуют и другие механизмы искусственного воздействия на погоду, в том числе и способные привести к формированию облачности в эшелонах 6-10 км.

При пропускании через толщу воздуха вертикального потока ионов в атмосфере возникают струйные течения. Результат воздействия зависит от длительности: чем больше время воздействия, тем сильнее и масштабнее изменения в атмосфере. Они становятся заметны в течение 3-120 часов [8].

"Так как атмосферный воздух всегда содержит парообразную влагу, поднимающиеся вверх ионы независимо от наличия облачности обводятся и генерируют тепловую энергию за счёт эффекта конденсации и выделения Джоулева тепла при прохождении электрического тока через толщу атмосферного воздуха, коим является поток ионов. Протекание электрического тока через газ в закрытом объёме ведёт к его нагреванию, а в открытом - к расширению. Расширение воздуха, происходящее за счёт выделения теплоты конденсации и электрического воздействия, приводит к снижению его плотности и вертикальному перемещению вдоль потока ионов, что обусловливает формирование непрерывного и устойчивого восходящего потока (так называемого циклонического потока) и сопутствующих ему вертикальных и горизонтальных сдвигов ветра" [8].

В некоторых случаях подобные ионные потоки можно использовать для формирования устойчивых конвективных ячеек заданного масштаба (1-10 км), над восходящей частью которых образуются конвективные облака, постепенно дрейфующие к зоне пониженного давления (нисходящему потоку) [9], или же по ветру.

Единственным недостатком предложенного способа воздействия на атмосферу оставалась его энергоёмкость. Однако в начале XXI века решение было найдено. Технология основана на явлении вертикальной стратификации атмосферы земли, из-за которой разные её слои резко отличаются по температуре, составу и степени ионизации. Приземная часть перенасыщена частицами с отрицательным зарядом, а верхние слои (12-17 км) - положительным. Разность потенциалов между "обкладками" этого природного конденсатора ориентировочно составляет около 400 кВ. Таким образом, у поверхности земли постоянно присутствует вертикально направленное электрическое поле.

При этом в атмосфере постоянно происходит выделение энергии в форме тлеющих и искровых разрядов, наблюдается круговорот воды и заряженных частиц. Суммарная мощность этого источника энергии определяется величиной порядка 5·10¹⁰ МВт.

Если взять два электрода, разнести их вдоль силовых линий атмосферного электрического поля, верхний электрод конструктивно совместить с ионизатором атмосферного газа, а нижний - соединить с поверхностью земли, то между ними возникнет разность потенциалов, которую можно использовать для питания полезной нагрузки [10]. Принципиально важным является то, что для работы ионизатора при этом используется градиент электрического потенциала самой атмосферы.

Описанное в патенте [10] устройство изначально предполагалось использовать для питания автономного электрооборудования, например автоматических метеостанций. Общий вид устройства для получения энергии из электрического поля атмосферы при контакте устройства с поверхностью Земли представлен на рисунке 2. Более подробно с принципом работы можно ознакомиться на странице автора патента: Patent Ru 2245606.

0x01 graphic

Рисунок 2. Общий вид устройства для получения энергии из электрического поля атмосферы:
1 - электрод, 2 - ионизатор воздуха, 3 - изолятор, 4 - несущая конструкция (стойка), 5 - кабель, 6 - преобразователь напряжения, 7 - заземление, 8 - соединительный кабель, 9 - полезная нагрузка, 10,11 - потоки свободных носителей зарядов.

"В окружающем пространстве к поверхности грунта проходят силовые линии атмосферного электрического поля Е. Электрод, конструктивно совмещённый с ионизатором воздуха, крепят на изоляторе. Стойка удерживает электрод на достаточной высоте, а кабель соединяет его с преобразователем напряжения. Преобразователь напряжения электрически связан с грунтом через заземление и с полезной нагрузкой - через соединительный кабель.

После включения устройства ионизатор насыщает воздух свободными носителями зарядов. Они начинают дрейф через нейтральный воздух, двигаясь вдоль силовых линий атмосферного электрического поля. Утечка носителей заряда с приёмного электрода компенсируется постоянной работой ионизатора. По каналу несамостоятельного газового разряда 10 от электрода через атмосферу идёт постоянный электрический ток. Электрод приобретает электрический потенциал относительно поверхности грунта, и после достижения рабочего потенциала (~25 кВ) включается преобразователь напряжения. Атмосферный электрический ток замыкается через него на заземление. Преобразователь трансформирует входной ток высокого напряжения в постоянное выходное напряжение 27 В, поступающее для питания полезной нагрузки. Процесс продолжается, пока существует атмосферное электрическое поле и действует ионизатор электрода" [10].

При достаточной мощности ионизатора либо при включении дополнительных ионизаторов в качестве полезной нагрузки, можно получить эффект формирования восходящего ионизированного потока с последующим образованием облаков и выпадением осадков [9]. При этом активизация атмосферы в районе действия установки только увеличивает её производительность за счёт роста числа свободных носителей заряда.

Подобное устройство обладает следующими преимуществами:

- автономность (после пуска не требует источника питания);

- простота устройства (нет подвижных частей);

- дешевизна и долговечность (изнашиваются вследствие электрохимической коррозии только электроды);

- мобильность (для переноски и установки достаточно одного-двух человек);

- побочная выработка электричества (её можно использовать для обеспечения работы штаба пожаротушения, питания радиостанций, полевых лагерей спасателей-пожарных, обеспечения хозяйственно-бытовых нужд и т. д.).

Из недостатков следует отметить наличие у устройства токонесущих частей под высоким (десятки - сотни киловольт) напряжением, а также высокую насыщенность свободными носителями заряда атмосферного воздуха вблизи установки, что может быть потенциально вредным для здоровья людей. Это накладывает необходимость соблюдения особых мер техники безопасности при работе, оснащения установки устройствами дистанционного включения-выключения, а в идеале - дистанционного контроля.

Схема оперативно-тактических действий по тушению лесных пожаров с использованием подобных устройств может выглядеть следующим образом:

1. С помощью авиационной и наземной разведки определяется текущее положение границ очага возгорания.

2. По данным метеонаблюдений выясняются направление, сила ветра и прогноз его изменения.

3. На расстояние в несколько километров с наветренной стороны от очага лесного пожара доставляются установки (группа установок).

4. Производятся монтаж и пуск установок, после чего персонал удаляется на безопасное расстояние.

5. В течение нескольких часов или суток наблюдается полученный эффект, при необходимости изменяется место работы, увеличивается или уменьшается мощность (она может изменяться путём добавления устройств или выключения части используемых).

Кроме того, с помощью групп установок можно создавать своеобразные "островки безопасности" - зоны постоянной облачности над населёнными пунктами, путями распространения пожара, пожароопасными территориями и т. д.

Выводы:

1. С целью дальнейшего исследования параметров работы предлагаемого устройства нужно разработать его электрическую схему, создать и испытать прототип; определить требуемые электрические характеристики прибора и получить данные о влиянии работающего устройства на атмосферные процессы в различных метеорологических условиях.

2. Необходимо дополнительно изучить влияние процесса ионизации воздуха на экологическую и электромагнитную обстановку в зоне действия установки и возможную опасность воздействия на человека и природу.

3. На основании этих данных следует выработать рекомендации по практическому использованию одиночных установок, их групп, а также технике безопасности.

Подобные исследования призваны сделать тушение лесных пожаров эффективным, безопасным для окружающей среды и здоровья людей, оправданным с экономической точки зрения, а также расширить наши знания об окружающем мире, атмосфере Земли, метеорологии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Итоги пожароопасного сезона 2010 года на территории лесного фонда Российской Федерации. Данные Федерального агентства лесного хозяйства от 16.12.2010. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.rosleshoz.gov.ru/media/news/477.

2. Данилов-Данильян В. И. Причины и уроки торфяных и лесных пожаров 2010 года // Известия науки "Экология и жизнь". - 2010. - N 10.

3. Абдурагимов И. М. Проблема тушения крупных лесных пожаров (и крупномасштабных пожаров твердых горючих материалов в зданиях) // Пожарное дело. - 2009 - N 3.

4. Сервер "Погода России". Архив погоды. [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
Москва: http://meteo.infospace.ru/win/wcarch/html/r_day_stn.sht?num=1262;
Рязань: http://meteo.infospace.ru/win/wcarch/html/r_day_stn.sht?num=1450;
Владимир: http://meteo.infospace.ru/win/wcarch/html/r_day_stn.sht?num=1201.

5. Хромов С. П., Петросянц М. А. Метеорология и климатология. - М.: Колосс, 2004.

6. ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры. - М.: Стандартинформ, 1982.

7. Гальперин С. М. и др. Активные воздействия на облачные системы с целью регулирования осадков и молниевой активности. - Труды Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова. -Вып. 560. - СПб, 2009.

8. Протопопов В. А., Уйбо В. И. Способ воздействия на процесс атмосферной циркуляции и система для воздействия на процесс атмосферной циркуляции. Патент РФ N 2105463 от 17.05.93, кл. 6 А0Ю15/00.

9. Пестов Д. А. Способ изменения погоды в локальных зонах приземной атмосферы. Патент РФ N 2115296 от 25.06.97, кл. 6 A01G15/00, E01H13/00.

10. Кучер П. А., Коломиец В. И. Устройство для получения энергии из электрического поля атмосферы. Патент РФ N 2245606 от 11.03.2003, кл. H05F7/00.

Комментарии: 5, последний от 05/09/2011. © Copyright Pomdizo (sumindao@mail.ru) Размещен: 01/09/2011, изменен: 01/09/2011. 23k. Статистика. Статья: Изобретательство Статьи Иллюстрации/приложения: 5 шт.		Ваша оценка:
Аннотация: Для активного воздействия на атмосферные процессы и искусственного вызывания осадков предлагается использовать "устройство для получения энергии из электрического поля атмосферы".

Pomdizo : другие произведения.

Перспективы использования конденсированной атмосферной влаги для тушения лесных пожаров