Техническое предложение черкесских ученых по предупреждению природных катаклизмов в Грузии
№ 017 «25» Июня 2015 г.
СОПРОВОДИТЕЛЬНОЕ ПИСЬМО
К проекту: «Разработка способа дистанционного воздействия на атмосферные процессы…»
Обращение направлено на создание средств профилактики экстремальных метеоявлений в Грузии, в особенности для защиты города Тбилиси от последствий избыточных или несвоевременных осадков.
Для этого предполагается реализация нового способа активных воздействий на атмосферный процессы с целью принудительного освобождения опасных циклонов от части влаги в виде осадков на акватории до выхода дождевой облачности на сушу.
Резидентами АНО Технопарк «Телемеханика» - ООО Венчурная компания «Передовые технологии» и ООО «N’Art robotics разработан новый способ управления погодными условиями посредством акустических воздействий на атмосферные процессы.
Новый способ существенно отличается от традиционных способов активных воздействий, основанных на внесении химических реактивов в самопроизвольно образовавшиеся активные облачные зоны в атмосфере и использующие для этого авиацию или артиллерийские и ракетные системы.
Важнейшие преимущества нового способа заключаются в универсальности, экономичности, экологичности и постоянной готовности к применению.
Устройство для осуществления нового способа может быть выполнено в виде наземного роботизированного комплекса, в безлюдном режиме анализирующего метеообстановку в регионе, разрабатывающего программы воздействий для обеспечения заданных погодных условий, и реализующего эти программы с санкции уполномоченных лиц.
В последующем система может использоваться для профилактики экстремальных метеоявлений и регулирования гидрологических режимов в различных регионах Российской Федерации.
Сущность нового способа и техническое решение его реализации приведены в приложении (прилагается).
Генеральный директор
АНО Технопарк «Телемеханика» А.Ю. Битоков
ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРЕДОЖЕНИЕ
1. Наименование проекта: СОЗДАНИЕ ОПЫТНОГО АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОГОДНЫМИ УСЛОВИЯМИ .
2. Индекс критических технологий (в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 4 мая 2005 года № 284 «О государственном учете результатов научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ гражданского назначения») - 12.9
3. Ключевые слова: кинетический, когерентный, стратификация, инверсный, зародыш, климат, субмолекулярный, наноразмерный.
4. Предложение направлено на внедрение универсального способа активного воздействия на метеопроцессы и явления, предназначенного для управления режимами выпадения осадков в засушливых и/или переувлажненных районах, для защиты городов от выпадения избыточных и/или несвоевременных осадков, рассеяния туманов в районах аэропортов, на морских и речных акваториях и на автострадах, регулирования образования снежного покрова на склонах гор и схода лавин, тушения крупных пожаров и т.п., и включает разработку технологий воздействия на атмосферные процессы для решения конкретных задач и создание конструкций соответствующих робототехнических комплексов.
5. Разрабатываемый способ воздействия основан на когерентации индуцированных отклонений динамических режимов каплеобразования в облачной среде. Способ реализует известный эффект изменения кинетических процессов в объекте в результате периодических воздействий любой физической природы на объект. Объектом воздействия в данном случае является среда вблизи поверхности зародышей и капель влаги в атмосфере. Притом, что характерные размеры отдельных объемов, занимаемых этой средой, исчисляются в нанометрах, масса содержащейся в них влаги составляет несколько процентов общей массы влаги в единице объема облачной среды. И именно поведение влаги в этих объемах, т.е., кинетика на молекулярном и субмолекулярном уровнях, определяет вид и характер метеоявлений.
6. Предложение основано на результатах моделирования кинетики фазовых превращений влаги в облачной среде и проведенных инициативно сотрудниками Института информатики и проблем регионального управления КБНЦ РАН совместно с ГУ «Высокогорный геофизический институт» и при поддержке АНО Технопарк «Телемеханика» исследований когерентных эффектов волнового воздействия на облачную среду.
В настоящее время имеются:
6.1. Результаты экспериментов в туманной камере Высокогорного геофизического института (ВГИ), в ходе которых определены режимы воздействия на среду с конденсирующейся влагой, вызывающих существенные изменения дисперсии капель влаги при различных влажностях и температурах среды.
6.2. Алгоритм работы системы управления устройством улучшения видимости в тумане в районе аэропортов.
6.3. Концепция конструкции комплекса для улучшения видимости в тумане на ВПП и подлетных участках аэропортов.
6.4. Общая архитектура и структурно-функциональная схема системы управления на основе иерархических рекуррентных сетей.
6.5. Формальное описание системы управления устройством, осуществляющей целенаправленное поисковое поведение с целью идентификации режимов воздействия на облачную среду и идентификации вида тумана, и включающей в себя подсистему коммуникации для согласования целенаправленных действий совместно с лицами, уполномоченными на принятие решений.
6.6. Виртуальная модель системы управления с двойным контуром обучения (на основе BPTT и с помощью адаптивного критика), с индикацией времени замера и времени обдумывания, и схемой обучения, использующей различные гипотезы о доверии на разных этапах обучения.
Стоимость работ по реализации первого этапа Проекта (опытно-конструкторские и экспериментальные работы в лабораторных условиях) составили 7,3 млн рублей (с апрель 2002 г. по апрель 2010 г.).
7. Задачей второго этапа Проекта является отработка методик активного воздействия на метеоявления в натурных экспериментах, а также разработка опытно-демонстрационных и предсерийных образцов аппаратно-программных комплексов по воздействию на атмосферные явления для решения конкретных задач.
8. Результат разработки будет представлять собой коммерциализируемый продукт в виде предсерийных образцов устройства и комплектов расчётно-конструкторской документации комлпексов для активного воздействия на метеопроцессы, с соответствующими интеллектуальными системами управления воздействиями на основе проактивной нейросетевой архитектуры, ориентированной для решения конкретных задач в режиме самообучения.
9. Дополнительная информация:
Способ предполагает снижение интенсивности дополнительных воздействий на окружающую среду и на селитебные территории на уровне интенсивности природных и промышленных акустических шумов и не оказывающих негативное влияние.
Дальнейшие исследования выявленных эффектов, в частности, явления дополнительной перегонки влаги из паровой фазы в жидкую и твердую при разных температурах, позволят поставить задачу создания устройств для дистанционного – на удалении до 15-18 км - управления погодными условиями на участках местности мезомасштабных размеров. В том числе - режимами выпадения осадков в засушливых и переувлажненных районах, режимами образования снежного покрова на склонах гор и схода лавин, защитой городов от выпадения избыточного количества осадков, тушения крупных пожаров, осаждения дымовых газов и т.п.
В проекте представлены фотографии капель тумана без воздействия и после воздействия на среду в туманной камере, и виды распределения капель по размерам. Обращает на себя внимание появление нескольких максимумов в распределении при воздействии на переохлажденный туман.
Важнейшее обстоятельство, определяющее техническую выполнимость и эффективность способа – в способе реализован принцип накопления эффектов низкоэнергетического воздействия до достижения порога запуска процессов самопроизвольной реструктуризации облачной массы.
Аннотация способа. В упрощенном виде физическая сущность разработанного способа управления метеоявлениями, в частности, видимостью в тумане заключается в том, что при определенных параметрах волнового воздействия на фрактальную структуру облачной среды последняя переводится из стандартного метастабильного состояния в нестабильное, характеризующееся избыточным содержанием капель с размерами более 10-15 мкм. С облаком при этом происходят следующие явления: в экспонированной области облачной массы происходит когерентация циклических фазовых превращений влаги в конвективных ячейках с характеристическими периодами, равными и кратными периоду баро-волнового воздействия. При этом часть влаги из маленьких капель переходит в большие, вследствие чего в облачной среде выделяется добавочная теплота, возрастают параметры конвективных процессов и, соответственно, перестраивается ячеистая структура облака. В конечном счете, возрастает скорость коагуляционного роста крупных капель с размерами порядка 20 мкм, и, соответственно, часть влаги облака выпадает в виде осадков и экспонированная часть облака будет просветленной до «замывания».
Регулированием параметров воздействия осуществляется управление характером реструктуризации облачной массы с целью приведения просветленной зоны в заданный район к определенному времени.
Подобные или более сложные теплофизические процессы и фазовые превращения влаги инспирируются в ходе управления режимами выпадения осадков, снеголавинными процессами, созданием кучевой облачности в засушливом (пустынном) регионе и т.п.
Коммерческая эффективность выполнения разработки должна быть оценена с учетом наблюдающегося роста частоты и интенсивности погодных аномалий, обострения проблемы обеспечения населения пресной водой, ужесточения экологических нормативов, интенсификации авиаперевозок и т.п. глобальных природных и антропогенных феноменов.
Разрабатываемый способ позволит решить самую острую из грядущих проблем - проблему пресной воды. Управление местом и временем выпадения осадков позволит обеспечивать население питьевой водой, а также своевременно орошать сельхозугодия за счет локального перераспределения массы влаги в гидрологических циклах.
В частности, из 119·103 км3 влаги, выпадающей на земную сушу в год в виде атмосферных осадков, 9653 км3 влаги выпадает на территорию России. Она могла бы покрыть сушу слоем в 571 мм. Засухи или затопления из-за чрезмерной интенсивности осадков происходят не из-за изменений количества влаги в атмосфере, а из-за температурных аномалий локального, регионального или континентального масштабов. Перераспределение осадков по территории с целью обеспечения своевременного орошения сельхозугодий, заполнения водоемов или тушения лесных и торфяных пожаров не приведет к климатическим изменениям.
Искусственное образование кучевой облачности осуществляется за счет всегда существующего избытка ядер конденсации. Для этого, исходя из создавшихся атмосферных условий и характера стратификации атмосферы, определяют высоту и мощность инверсного слоя, в верхних слоях которого представляемый способ позволяет усилить гомогенную нуклеацию влаги, что приводит к образованию конвективного течения и интенсификации гетерогенной нуклеации с дальнейшим прогрессивным развитием конвективной ячейки. Задача управления воздействием заключается в поддержании режима конденсационного роста зародышей и развития конвекции до достижения ею параметров, необходимых для образования капель или кристаллов с размерами более 10-15 мкм. Далее развитие искусственного облака в полноценное кучевое происходит самопроизвольно за счет роста энерговыделения при коагуляционом росте капель.
10. Стоимость работ по созданию коммерциализируемого продукта составляется из стоимости создания аппаратно-программных и роботизированных комплексов по воздействию для решения различных целевых задач, и стоимости выполнения программ обучения комплекса с определением связанных с геоклиматическими условиями конкретной местности особенностей режимов воздействия.
Так, стоимость создания полноценного опытно-демонстрационного аппаратно-программного комплекса (с генератором акустического излучения со 100 автономными акустическими модулями) и выполнения этапа натурных экспериментов и определения режимов воздействия в различных метеоусловиях составит, ориентировочно, 32-36 млн рублей.
Стоимость работ по созданию предсерийного комплекса и технического проекта комплекса для управления видимостью в тумане в аэропортах, на акваториях и на автострадах составит 18-20 млн рублей.
Стоимость создания предсерийного комплекса и технического проекта для управления интенсивностью летних осадков составит 18-20 млн рублей
Стоимость создания предсерийного комплекса управления интенсивностью зимних осадков и характером снеголавинных процессов составит 20-24 млн рублей
Стоимость создания предсерийного комплекса и технического проекта для управления осадками в засушливых районах составит 23-25 млн рублей.
Работы могут быть выполнены поэтапно, с принятием соответствующих решений по результатам выполнения очередного этапа.
Для достижения полной автономности при реализации проекта, а также мобильности и уменьшения зависимости от прочих внешних факторов рекомендуется по каждому направлению проекта приобретение мобильного раскладного ангара для ведения полевых работ в рамках проекта, хранения и обслуживания установок комплексов, а также приобретение грузового автотранспорта для транспортировки оборудования, инвентаря и мобильного ангара (в стоимость проекта не включено).
Работы могут быть выполнены в условиях г. Нальчика (Кабардино-Балкарская Республика) либо г. Минеральные Воды (Ставропольский край) силами Института информатики и проблем регионального управления КБНЦ РАН при поддержке АНО Технопарк «Телемеханика» с привлечением квалифицированного персонала из числа сотрудников ГУ «Высокогорный геофизический институт».
В случае реализации проекта вне указанных территорий необходимо предусмотреть соответствующие производственные помещения для проведения работ в рамках проекта.
Генеральный директор
АНО Технопарк «Телемеханика» А.Ю. Битоков