WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 9 03;08 К вопросу стимулирования осадков акустическими волнами © Г.А. Галечян Институт прикладных проблем физики НАН Армении, Ереван, Армения e-mail: galechian@web.am (Поступило в Редакцию 2 ноября 2004 г.) Рассматриваются вопросы стимулирования осадков акустическими волнами. Анализируются процессы взаимодействия звуковых волн с частицами тумана и явления акустической коагуляции. Чтобы устранить затухание звука при удалении от источника в тумане, предложено использовать явление усиления звуковой волны в слабоионизованном газе.

Вопрос стимулирования осадков является современ- поля могут укрупняться. В [3,4] для описания коагуляной, важной и актуальной задачей. Первые экспери- ционного процесса на основе стахастического подхода менты в указанном направлении были выполнены еще и численного моделирования выполнен расчет изменев начале XX столетия [1]. Данная задача является ния микроструктуры распределения размеров капель в составной частью более общей проблемы — воздействия однородном тумане под влиянием акустических волн.

на атмосферные процессы, куда входят рассеяние тума- Получено, что при действии звуковых волн частотой нов, предотвращение градопадения, очистка воздушного 300 Hz и интенсивностью 140 dB в течение 5 s на оббассейна от загрязнения фреонами, разрушительно дей- лако с содержанием паров воды 2 g / m3 наблюдается ствующими на озоновый слой Земли, и другие. тенденция к сдвигу максимума микроструктуры капель Стимулирование осадков считается одним из важ- облака в сторону больших размеров. Через 15 min после нейших, потенциально возможных способов борьбы с озвучивания возникает вырожденный второй максимум засухой. Впервые искусственные осадки были вызваны в интервале размеров частиц, соответствующих осадкам в Нидерландах в 1931 г. засевом из самолета размель- (порядка 500 µm).

ченной твердой углекислоты в переохлажденные облака.

Рассмотрению процессов взаимодействия акустичеИнтенсивность искусственных дождей была невелика ских волн со взвешенными частицами посвящены стаиз-за малой вертикальной протяженности облаков, под- тьи [5,6]. Получено, что в такой системе развивается вергнувшихся воздействию реагентов, поэтому они не неустойчивое равновесие, которое приводит к коагубыли оценены по достоинству.

ляции капель. Механизм коагуляции в данном случае После Второй мировой войны работы по стимули- определяется не парным притяжением двух частиц, как рованию осадков сбросом реагентов на облака возоб- в [3,4], а коллективным полем, создаваемым гидродинановились, выполнялись во многих странах и сопрово- мическим взаимодействием частиц.

ждались расчетами и анализом полученных результатов.

Результатам экспериментальных исследований посвяВ дальнейшем для искусственного получения осадков щена работа [8]. Опыты проводились с искусственным стали использовать и другие методы: электрические, туманом в камере объемом 500 m3. В качестве источакустические, лазерные [1].

ника звука использовался низкочастотный генераторВ данной статье анализируются процессы стиму- сирена с максимальной мощностью 20 kW [9]. Излулирования дождей акустическими волнами. Одним из чение звуковой волны происходило через рупорное основных недостатков этого метода является затухание устройство. Измерения показали, что наиболее эффекзвука при его распространении в атмосфере. Чтобы тивным является звуковое поле с частотой 170-200 Hz.

исключить этот недостаток, предлагается использовать Небольшие интенсивности звука (до 1.7 · 10-3 W/ cm2) явление усиления звуковых волн в слабионизованном ускоряли рассеяние тумана в 20-30 раз и приводили к газе. резкому изменению его микроструктуры. Проводились Рассмотрим публикации, в которых приведены резуль- измерения также в натурных условиях. Все опыты таты исследований, связанные с вопросом стимулирова- выполнялись в диапазоне частот 100-300 Hz с интенния осадков акустическими волнами [2–8]. В работе [2] сивностью звука у выхода рупора 0.12-0.21 W / cm2, анализируется действие температурных пульсаций, вы- что соответствует 150 dB [10]. На расстоянии 30-40 m званных периодическим сжатием и расширением воздуха от источника звуковых волн наступало значительное под влиянием звуковых волн, на процессы испарения изменение облачных капель, которое происходило тем капель. Показано, что капли определенного критиче- быстрее и эффективнее, чем больше водность тумана.

ского радиуса могут испаряться вследствие повышения Звуковое поле с указанными параметрами вызывало температруы. Более крупные капли сохраняют свою изменение микроструктуры тумана. Эксперименты потемпературу и под действием мощного акустического казали, что с увеличением мощности акустического 86 Г.А. Галечян поля влияние звуковой волны на туман усиливается. константа колебательной релаксации молекулы азота В работе [8] приведен обзор работ по стимулированию кислородом на два порядка больше, чем азота азоосадков реагентами в ареале озера Севан, находящегося том. Уместно отметить, что скорость колебательной на высоте 1900 m над уровнем моря. Озеро Севан (с релаксации колебательно-возбужденных молекул азота общей площадью зеркала около 1200 km2, окруженное молекулами воды на три порядка больше, чем азота Гегамским и Варденисским хребтами) рассматривается азотом, т. е. малые примеси водяных паров в слабокак уникальный полигон для проведения исследований ионизованной плазме азота приводят к существенному стимулирования осадков акустическими волнами. росту коэффициента усиления звуковой волны. Поэтому Основной принципиальной трудностью успешного актуальным является исследование усиления звука в развития акустического метода стимулирования осад- слабоионизованной плазме молекулярных газов при поков является преодоление процесса ослабления интен- вышенных давлениях, вплоть до атмосферного включисивности звука по мере удаления от источника. При тельно.

изотропном распространении акустической волны от Дальнейшая задача в проблеме стимулирования осадисточника, если звук не рассеивается и не поглощается, ков акустическими волнами заключается в создании интенсивность убывает прямо пропорционально квадра- слабой ионизации воздуха для получения среды с ту расстояния от источника. Однако, так как на самом колебательно-возбужденными молекулами на пути расделе в природе наблюдается и рассеяние, и поглоще- пространения звуковой волны. Такую ионизацию в туние, особенно в тумане, где эти процессы реализуются мане можно получить СВЧ волнами, лазерными лучами, сильнее, чем в воздухе, ослабление звуковой волны при электрическими полями. Здесь мы кратко проанализируудалении от источника происходит еще быстрее. Это яв- ем ионизацию атмосферы СВЧ полями, причем нас не ление при натурных экспериментальных исследованиях будут интересовать некоторые явления, которые могут влияния акустической волны на рассеяние звука в облаке возникать под влиянием СВЧ волн, например измененаблюдалось в [7]. ние электрического потенциала облака и рост водяных Для устранения затухания звуковой волны при ее капель, которые могут приводить к росту коагуляции, и распространении в тумане (удалении от источника) другие.

следует воспользоваться явлением усиления звуковой В монографии [19] приводится теоретическое и эксволны в слабоионизованном молекулярном газе. Этот периментальное рассмотрение образования искусственэффект заключается в том, что при распространении ной ионизованной области (ИИО) в атмосфере воздуха акустической волны в среде с возбужденными состоя- высокочастотным электрическим полем. Анализируются ниями молекул на колебательно-возбужденных уровнях возможности создания ИИО на высоте 30-40 km для происходит их безызлучательная VT-релаксация. Энер- образования устойчивой связи. Микроволновой разряд гия из возбужденных состояний молекул переходит в предполагается создавать в зоне пересечения двух или волну, и происходит увеличение интенсивности звука. более пучков радиоволн. Описываются результаты эксВ [11–14] развита линейная теория распространения периментальных модельных лабораторных исследований звуковой волны в молекулярном газе, которая не учиты- СВЧ разряда.

вает эффекты взаимного взаимодействия звуковой волны В [20,21] анализируются вопросы создания в тропос усиливающей средой. В [15,16] построена теория сфере микроволнового разряда для очистки воздушного распространения звуковой волны в молекулярном газе бассейна от загрязнения фреонами, разрушительно дейс учетом указанных эффектов. ствующими на озонный слой Земли.

Усиление акустических волн, полученных при помо- Безэлектродный разряд в воздухе возникает под влиящи внешнего источника и распространяющихся вдоль нием переменного электрического поля. Электроны наположительного столба тлеющего разряда в молекуляр- бирают в высокочастотном поле необходимую энергию ных газах, экспериментально исследовалось в [17,18]. для ионизации при столкновениях с нейтральными моИзмерения выполнялись в смеси азота и смеси азота лекулами воздуха. Когда частота ионизации становится с кислородом при давлении газа в разрядной трубке больше критической, наступает пробой газа. Плотность P = 78 mm Hg. Внутренний диаметр трубки был ра- электронов и ионов при этом увеличивается экспоненвен 9.8 cm. Звуковая волна частотой 170 Hz вводилась циально со временем ne exp(it), где i — частота в разряд электродинамическим излучателем, прикреп- ионизации, которая быстро возрастает с повышением ленным к одному из торцов трубки. К противополож- переменного электрического поля.

ному торцу трубки, за электродом, был прикреплен Разряд, возбуждаемый пучком импульсов микроволмикрофон. нового излучения в газах высокого давления (до Коэффициент усиления звуковой волны в разряде 500 mm Hg), описан в [19,21,22], рассматриваются в азоте при токе 120 mA и интенсивности J = 72 dB результаты исследования СВЧ разряда (на длине волсоответствовал Ki = 5.6m-1. Добавление кислорода к ны f 2cm) в воздухе импульсом длительностью азоту в разряд приводило к увеличению коэффициен- f = 10-30 µs с частотой повторения f 2 Hz. Особента усиления, и при 10% кислорода в смеси N2 + O2 ностью такого разряда является его пространственная Ki = 8m-1. Это связано с тем обстоятельством, что неоднородность с высокой концентрацией электронов Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. К вопросу стимулирования осадков акустическими волнами в средней части (ne 1016-1017 cm-3) и температурой = электронов Te 5 eV, на периферии с ne 1012 cm-= = и электронной температурой Te = 0.5-0.7eV. В течение первых 10 µs после окончания микроволнового импульса происходит достаточно быстрый спад концентрации электронов и затем наблюдается переход на квазистационарное состояние с медленным распадом плазмы.

Оценим время V -T -релаксации в микроволновом разряде при давлении воздуха 700 mm Hg. На поздних стадиях распада температура газа в плазме существенно понижается, примем ее 300 K. В чистом азоте константа V -T -релаксации kVT 10-16 cm3/s [23], = константа тушения азота кислородом примерно kVT = = 2.3 · 10-16 cm3/s [24], константа тушения азота моЗависимость относительного звукового давления от величины лекулами воды в области температур от 300 до 963 K атмосферного давления при температуре воздуха T = 0C.

составляет, согласно [25], kVT 10-13 cm3/s. Для тума= на (смеси N2 + O2 + H2O) время колебательной V -Tрелаксации можно определить по формуле [24] (озеро Севан находится на высоте 1900 m, что соот1 1 P1 1 P2 1 Pветствует атмосферному давлению порядка 600 mm Hg, = + +, (1) VT VT1 P VT2 P VT3 P а Иссык-Куль — на высоте 1600 m, что соответствует 620 mm Hg). Из приведенного графика следует, что где P1, P2, P3 — парциальное давление азота, кислорода при постоянной интенсивности J = 150 dB и темпераи паров воды в воздухе соответственно; VT1, VT2 и туре воздуха t = 0C с уменьшением давления отноVT3 — времена релаксации азота азотом, азота кислосительное звуковое давление увеличивается и опыты родом и азота водой соответственно.

по стимулированию осадков эффективнее производить Примем, что в воздухе паров воды 2 g / m3, что сона полигонах, расположенных на больших высотах над ответствует в рассматриваемых условиях парциальному уровнем моря.

давлению порядка 1 mm Hg. Вычисление по приведенной В заключение отметим следующее: из рисунка слеформуле показывает, что в плазме воздуха с парами дует, что чем выше над уровнем моря будет проводы время релаксации колебательных уровней азота исходить стимулирование осадков из облаков акустиVT 0.5 · 10-3 s. Если учесть, что облучение тума= ческими волнами, тем эффективнее произойдет этот на должно происходить звуковой волной с частотой процесс при постоянной интенсивности звука. Кроме f = 100-300 Hz, то VT

Результаты исследования, приведенные в [21,22,26], акустические волны, распространяющиеся сквозь облако вселяют надежду, что в полевых условиях можно по- в направлении, противоположном движению аппарата, лучить СВЧ разряд. Плазма такого разряда распадается будут оставлять прокоагулированный след в виде капель достаточно медленно, поэтому при частоте повторения воды в облаке. В качестве летательного аппарата моимпульсов микроволнового разряда в сотни Hz в тече- жет быть использован, в частности, вертолет, который ние нескольких секунд возможно создание плазменного может выбирать высоту полета и перемещаться сквозь образования, которое можно облучать звуковой волной, облако, где плотность влаги наибольшая, и приводить получить ее усиление и на значительных расстояниях к максимальному эффекту коагуляции. При оптимально реализовать стимулирование осадков. Для зондирования подобранных параметрах акустического генератора и больших пространств следует производить синхронное многократном прохождении вертолета сквозь облака сканирование пучками радио- и звуковых волн.

в разных направлениях произойдет стимулированное Рассмотрим зависимость относительного звукового выпадение осадков.

давления от высоты над уровнем моря. Для этого Этот метод может быть использован для рассеяния воспользуемся формулой PS = 2JVS [27], где J — облаков, предрасположенных к образованию града. Приинтенсивность звуковой волны, — плотность газа, менение его убережет регионы, часто подвергающиеся VS — скорость звуковой волны.

бедствиям градобития, от природных катастроф.

На рисунке представлена зависимость относительного звукового PS/P0 давления от величины атмосферного В заключение выражаю благодарность Э.А. Арутюдавления или высоты над уровнем моря. P0 —звуко- няну за полезные обсуждения вопросов, изложенных в вое давление при атмосферном давлении 760 mm Hg данной статье.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.