Воздействия на туманы с помощью тепловых источников

ЛЕКЦИЯ. ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ТУМАНЫ С ПОМОЩЬЮ ТЕПЛОВЫХ ИСТОЧНИКОВ. ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОБЛАКА НА БОЛЬШИХ ПЛОЩАДЯХ С ЦЕЛЬЮ УВЕЛИЧЕНИЯ СУММ ОСАДКОВ. РАССЕЯНИЕ ПЕРЕОХЛАЖДЕННЫХ СЛОИСТООБРАЗНЫХ ОБЛАКОВ И ТУМАНОВ НА БОЛЬШИХ ПЛОЩАДЯХ

Тепловое рассеяние туманов

Исторически первым успешным методом рассеяния туманов был тепловой метод. Применялся он английскими ВВС во Вторую Мировую войну на ряде аэродромов для просветления туманов путем сжигания керосина в бочках, установленных вдоль ВВП. (Несколько позже во Франции, правда для иной цели, применялся метеотрон – большая система мощных газовых горелок, позволяющая стимулировать развитие конвективной струи с целью создания кучевых облаков). Дальнейшие работы в этом направлении позволили создать теоретическое обоснование метода теплового просветления туманов и найти технически наиболее приемлемые решения.

Как показывают измерения и расчеты, при нагревании тумана число капель и его водность непрерывно убывают, что приводит к увеличению дальности видимости, т.е. его просветлению. При этом, для существенного увеличения видимости требуется сравнительно небольшой прогрев тумана. В характерных случаях при положительных температурах нагрев тумана на 0,5ºС увеличивает видимость со 100 до нескольких сотен метров, а при нагреве на 0,8–1ºС туман почти или полностью исчезает в зоне прогрева.

Однако надо учесть, что при сжигании углеводородного топлива наряду с теплом генерируется и водяной пар, который поступает в прогреваемую зону. Этот дополнительный пар при низких температурах приводит к увеличению водности тумана, т.е. его сгущению или может даже вызвать создание тумана при первоначальном отсутствии. Все зависит от влаготворной способности топлива . Так, при сгорании 1 г керосина выделяется 42 кДж тепла и 1,4 г пара, т.е. = 1,4 г∙г–1. Переход от сгущения тумана к просветлению при использовании керосина произойдет при Т ≥ –29ºС. При более низких температурах прогрев керосином всегда вызовет сгущение или создание тумана. Таким образом, наилучшим было бы использование «сухого» тепла с = 0, например, радиационных потоков, которое при любых температурах просветляет туман.

Расчеты показывают, что выгодно вносить тепло в весь просветляемый объем над ВПП равномерно. В этом случае расход топлива можно сократить примерно в 10 раз по сравнению с ситуацией, когда тепло поступает в просветляемый объем от нагретой поверхности ВПП ( для чего ее надо нагреть на = 30–40ºС).

Транспортировка тепла непосредственно в просветляемый объем тумана над ВПП может быть осуществлена с помощью турбореактивных двигателей, которые устанавливаются в ряд сбоку от ВПП, обладают высокой теплопроизводительностью и способностью создавать струи тепла с большой скоростью в заданном направлении. Рассеяние туманов будет тем эффективнее, чем выше температура тумана. При этом, достаточно, в случае мощных туманов, делать просветление не до его верхней границы, а в слое порядка 100 м толщиной, что обеспечит взлет и посадку самолетов на хорошо оснащенных техническими средствами аэродромах.

Такой метод теплового просветления туманов успешно применяется, например, на аэродроме Орли (Франция). Сильный ветер уменьшает эффект просветления, и чем плотнее туман (чем выше его водность), тем труднее его рассеять. Поэтому метод более эффективен при воздействии на радиационные туманы, чем адвективные.

Воздействия на переохлажденные облака на больших площадях с целью увеличения суммы осадков

Наиболее массовые натурные эксперименты по воздействию на переохлажденные облака на больших площадях (более 1000 км2) с целью увеличения  сумм осадков проведены на специально созданном в 1959 г. на Украине Экспериментальном метеорологическом полигоне (ЭМП). Основу ЭМП (рис. 10.5) составляли две площадки: контрольная площадка (КП), имеющая размеры 30×75 км, и опытная площадка (ОП) таких же размеров. КП располагалась западнее на 30 км от ОП и не подвергалась воздействиям, где ход метеорологических процессов был естественным. ОП или мишень служила для воздействий, которые производились западнее ее границы с учетом режима ветра, так чтобы в полной мере проявиться над площадкой. ЭМП располагался в засушливой степной зоне Украины, имеющей годовые суммы осадков 300–500 мм, абсолютные высоты около 230 м с максимальной разностью в 22 м.

Рис. 10.5. Схема расположения КП и ОП Украинского ЭМП

Оборудование ЭМП включало: 1) осадкомерную сеть ОП – 300 постов и КП –270 постов (один пост на квадрат со стороной около 3,5 км); 2) два самолета ИЛ–14; 3) метеорологические радиолокаторы; 4) привязной аэростат с высотой подъема до 500 м; 5) аэрологическую станцию в Кривом Роге.

Воздействия проводились на конвективные облака (лето) и облака слоистых форм (зима).

Оценка успешности воздействий на конвективные облака. Получены следующие данные о средних значениях летних (май–август) осадков R на обеих площадках за годы до начала воздействий и за три года с воздействиями (1960–62):

Из этих данных видно, что на опытной площадке (мишени) произошло увеличение осадков в годы с воздействием на 8,4 мм, тогда как на контрольной только на 1,7 мм. Следовательно, их разность, равная 6,7 мм, может считаться оценкой увеличения осадков за счет воздействий. В относительном виде эта разность равна 1,22, что позволяет считать, что летние суммы осадков возросли в среднем на 22%. Увеличение осадков на ОП в каждые из 3 лет и месяцев воздействий было больше, чем на КП, т.е. эффект воздействий был положителен во все месяцы.

В качестве другой оценки успешности воздействий использовалась регрессия между RОП и RКП, полученная за 1955–59 гг., т.е. до «воздействия».

RОП = 0,57 RКП + 7,3 ± 9,9              (r =0,83 ± 0,08)

По этой регрессии для лет воздействий (1960–62) сначала рассчитаны по данным  RКП ожидаемые значения RОП, а затем найдены разности = RОП(фактич.) – RОП(по регрессии), которые должны были быть положительными из-за воздействий. Значения (мм) оказались следующими:

Так как утроенная ошибка регрессии 3=3∙9,9 мм=29,7 мм, то следует считать, что положительные значения статистически значимы только, если >29,7 мм. Это наблюдалось в мае 1961 г. (=51,6 мм); в августе 1960г (=47,0 мм) и в целом за лето 1960 и 1961 гг. В остальные месяцы разности статистически не значимы, т.е. их можно считать нулевыми, что означает отсутствие результата воздействий. Более того, даже в среднем за лето 1962 г. =–32,7 мм. Отрицательные разности говорят о том, что естественные междугодовые колебания осадков в отдельные месяцы и в целом за лето 1962 г. превысили в эти месяцы и лето эффект от воздействий.

Хотя в целом за три лета 1960–62 гг. =89,6 мм статистически значимо, т.е. на ОП произошло с вероятностью около 0,99 увеличение осадков, проведенный анализ убедительно показывает, что для получения надежных статистических выводов требуется увеличение рядов наблюдений. Одновременно видны трудности создания объективных и надежных критериев оценки успешности воздействий.

Однако количество выпавших дополнительных осадков, выраженное в тоннах воды, выглядит более впечатляющим. В сумме за 73 успешных воздействия выпало 2,75 млн. тонн, что дает среднее за случай значение в 38000 тонн. Максимальное выпадение за случай составило 993000 тонн. Это означает, что 1 кг СО2 вызывал в среднем 10000 тонн осадков. Так как на каждое облако в среднем сбрасывалось 4 кг СО2, то на единицу массы СО2 приходится 107 единиц массы воды осадков.

Оценка успешности воздействий на облака слоистых форм. Воздействия  на эти формы облаков проводились в холодный период с ноября по февраль. Были рассчитаны повторяемости п различных градаций дополнительных осадков R для 47 случаев воздействий, которые оказались следующими:

Эти осадки выпадали над различными участками опытной площадки и не сопровождались осадками на контрольной площадке, чем подтверждался факт успешности воздействий. Как видно, дополнительные осадки малы, но они приходятся на большие площади. Если их сосредоточить в одном районе, то за холодный период сумма составит 7–10 мм, что соответствует 7–10 % от нормы осадков холодного периода.

Дополнительные осадки можно оценить в тоннах воды, тогда за два первых сезона воздействий дополнительно выпало от 2,6 до 3,4 млн. тонн, а в 3 последующих – 4–6 млн. тонн. В отдельных опытах выпадало от 35 до 1400 тыс. тонн воды.

В заключение п. 10.2.2 надо отметить, что заставить облака работать в качестве эффективных генераторов дополнительной влаги в опытах, проведенных на Украинском ЭМП, не удалось. К тому же всегда до конца не ясна судьба облаков, если бы они не подвергались воздействию. Вполне возможно, что они могли бы сами дать осадки, пусть даже за пределами полигона. Пока не найдено надежных количественных критериев по оценке дополнительных сумм осадков от воздействий, даже если сам факт их успешности налицо.

Аналогичные результаты получены на метеорологических полигонах в других странах. Предельно пессимистически  в этом смысле звучат выводы Комитета по атмосферным исследованиям США (1964 г.): «Для проверки гипотезы о том, что засев облаков оказывает заметное положительное влияние на осадкообразование, было проведено много статистических исследований, основанных на экспериментальных данных. Почти все результаты этих исследований были отрицательными: они не смогли доказать гипотезу о положительном влиянии засева облаков реагентами на выпадение осадков. Более того, можно утверждать, что чем тщательнее были исследования, тем меньшую уверенность в положительных результатах они давали.

Пятнадцать лет сложных и дорогостоящих исследований, давших пока незначительный результат, заняла попытка быстро научиться управлять погодой. Ни один ученый не мог ожидать такого исхода 15 лет назад».

Однако этот весьма пессимистический вывод должен, прежде всего, направить метеорологическую науку на отказ от ожидания легких результатов и на необходимость обстоятельных исследований.

Рассеяние переохлажденных слоистообразных облаков и туманов на больших площадях

Воздействия на слоистообразные облака и туманы с целью их рассеяния в течение 15 лет проводились в широких масштабах на Украинском ЭМП с 1959 г. В результате была отработана методика таких воздействий и получены положительные результаты воздействий. Остановимся кратко на полученных основных методических положениях этих исследований.

Рассеяние слоистообразных облаков на больших площадях. Цель исследований состояла в изучении возможностей рассеяния облаков St–Sc над площадями до 10000 км2 (квадрат со стороной до 100 км) и длительного поддержания заданного района раскрытым от облаков. Для этого приведено 54 эксперимента при температуре в слое облаков ниже –3ºС, мощности от 150 до 680 м, водности от 0,03 до 0,33 г/м3 и скорости ветра от 2 до 15 м/с. Во всех проведенных экспериментах с использованием СО2 облака в зоне воздействия были полностью рассеяны.

Оказалось, что в среднем время образования просвета после засева составляет 20 мин, а ширина зоны кристаллизации (рассеяния) в этот момент – 1800 м. Время расширения полосы рассеяния в среднем равно 30 мин. для облаков, которые восстанавливаются после воздействия, и 35 мин., которые не восстанавливаются. В среднем ширина полосы рассеяния получается равной 2700 м (2500–2800 м).

Поэтому для облаков, находящихся в стадии развития, удаление линии воздействия от раскрываемого района должно соответствовать 30-минутному переносу облаков, а интервал между линиями должен составлять 2500 м (рис. 10.6). Для облаков, находящихся в стадии разрушения, которые не восстанавливаются после воздействия, удаление линии засева от раскрываемого района должно составлять 35-минутному переносу, а интервал между линиями составлять 2800 м. В этих условиях происходит слияние полос отдельных линий и образование сплошной зоны рассеяния. При этом слияние полос в общую зону характеризует ту стадию процесса, когда капельно-жидкая влага в зоне воздействия отсутствует вследствие полной ее кристаллизации. Под зоной воздействия в течение 15–20 мин. отмечается выпадение слабых осадков, а в зоне сохраняется кристаллическая дымка в течение 40–50 мин. после засева, если облака восстанавливаются, и 50–60 мин., если не восстанавливаются.

Сама линия засева должна быть перпендикулярной ветру на верхней границе облаков, т.е. направлению их переноса.

Засев должен производиться вдоль постоянной относительно земли линии. Время нахождения самолета на линии засева () и ее длины () определяются соотношениями

 = ;      = Vс∙ ,

где lкр – ширина зоны кристаллизации,  – время разворота самолета, Vв – скорость ветра, Vс – скорость самолета.

В табл. 10.2 приведено время нахождения самолета на линии засева  в зависимости от Vв и ширины зоны кристаллизации lкр.

Таблица 10.2

Время  (мин.– сек.) в зависимости от Vв и  lкр

На ЭМП использовался самолет ИЛ–14 со скоростью Vс  = 240 км/ч. Длина линии засева составляла = 15–20 км, что определяло время нахождения самолета на ней в 4–5 мин. Это обеспечивало возможность воздействия при  lкр = 2000 м при скоростях ветра 6–7 м/с, а при  lкр = 3000 м при скоростях 8–10 м/с. При скоростях ветра более 10 м/с засев следует проводить двумя самолетами.

Рассеяние туманов и низких облаков на больших площадях. Такое рассеяние наиболее эффективно осуществлять над аэродромами с самолета, обеспечив его сопровождение техническими средствами. Количество линий засева определяется необходимыми размерами площади раскрытия от тумана. Для полного рассеяния туманов в зоне над аэродромами расстояние между линиями засева не должно превышать ширину зоны рассеяния, образующиеся от одной линии (lкр), которая составляет 2–3 км. Если температура тумана близка к пороговой для СО2 (–3ºС), то интервал должен быть уменьшен до 1–1,5 км.

Начальное положение линии засева должно выбираться так, чтобы в момент полного рассеяния зона раскрытия находилась над ВПП. Это означает, что линия засева должна располагаться на удалении 30–40-минутного переноса облаков или тумана от ВПП. При этом важно выдерживать постоянную скорость полета самолета вдоль фиксированной линии засева относительно земной поверхности, расположенной нормально к переносу тумана или низких облаков. Для сопровождения самолета обязательно используется посадочный радиолокатор и приводные радиостанции (напомним, что самолет выполняет засев над верхней границей тумана в отсутствии видимости земной поверхности).

Наиболее благоприятные для рассеяния тумана условия создаются при штиле или при слабых ветрах (до 3 м/с). Полет в таких случаях производится непосредственно над аэродромом или вблизи него (рис.10.7).При скоростях 4 м/с и выше применяется схема линейного засева (рис. 10.8), аналогичная применяемой при рассеянии Sc–St. Длина линии засева не должна превышать 12–16 км даже при самых неблагоприятных условиях (больше скорости ветра с направлениями близкими к 45º по отношению к ВПП).

В табл. 10.3 приведены данные о необходимой продолжительности воздействий и числе линией засева в зависимости от скорости ветра Vв, длины линий и интервала между ними (затем требуется перерыв в воздействии или его продолжение).

Таблица 10.3

Продолжительность воздействия (мин-сек) и число линий засева (в скобках) в зависимости от интервала между линиями засева, Vв,

При четкой работе диспетчерской службы можно обеспечить безопасность полетов самолетов, т.е. бесперебойную работу аэропорта, одновременно с рассеянием тумана.

Такие эксперименты (450 воздействий) были приведены на УЭМП при температурах тумана от –1 до –17ºС, мощности тумана от 150 до 450 м, скорости ветра чаще всего в 3–4 м/с. Как правило, видимость в тумане не превышала 300 м. Продолжительность воздействий менялась от 20 мин до 4ч 50 мин (в среднем около 2 ч). Расход СО2 составлял 250–500 г/км. Во всех случаях имело место рассеяние тумана, что говорит о полной успешности в достижении цели воздействий.