ПРОЕКТ: Разработка способа дистанционного воздействия на атмосферные процессы...

ПРОЕКТ 

Разработка способа дистанционного воздействия на атмосферные процессы и создание опытного образца аппаратно-программного комплекса для управления погодными условиями на мезоразмерных участках местности

(на основе изобретения «Способ активного воздействия на метеопроцессы и метеоявления и устройство для его осуществления»)

1. История изобретения

Изобретение сформировалось на основе многолетних поисков способа предотвращения экстремальных погодных явлений. Направление поисков сформировалось в 60-70-е годы прошлого века в ходе наблюдений за ходом развития технологий активных воздействий на атмосферные процессы. В этот период в Нальчике интенсивно развивались  исследования физики атмосферных процессов, Высокогорный геофизический институт под руководством профессора Г.К. Сулаквелидзе стал головным учреждением Гидромета в области активных воздействий.

В студенческие годы довелось присутствовать на защитах первых диссертаций М.Т. Абшаевым, Л. М. Федченко и другими исследователями, ставшими известными учеными-геофизиками, наблюдать за процессом осуществления активных воздействий и т.п. В годы создания Большого горного нейтронного спектрографа космических лучей в Приэльбрусье (1969-1991 гг) много времени пришлось уделить изучению причинно-следственных связей в атмосферных процессах и метеоявлениях, так как атмосферные эффекты оказывают значительное влияние на космическое излучение. В том числе ценные сведения о физике метеоявлений были получены в контактах со специалистами гляциологической станции МГУ на Азау.

Большой объём сведений о кинетических процессах в молекулярной структуре влаги в атмосфере был получен в период участия в 23-й Советской Антарктической экспедиции в 1977-1979 гг. В Антарктиде в библиотеке Обсерватории Мирный оказалась монография ученых Высокогорного геофизического института (ВГИ) Долова и Халкечева «Физика снега и снего-лавинных процессов», в которой глубокие теоретические модели метаморфоз снежной массы развиты до инженерных расчетов. Там же, в Мирном, от специалистов Авиационного КБ им. Антонова и НИИ гражданской авиации, изучавших особенности взаимодействия авиатехники и метеоявлений, получил большой объём знаний о физико-механических свойствах снега и их зависимости от метеофакторов.   Кстати, они забрали книгу Долова-Халкечева на «материк», настолько она оказалась ценной, и они не стали рисковать не найти ее «на материке».

Значительно укрепила интерес к физике атмосферных феноменов книга Отуотера «Охотники за лавинами».

В результате, к середине 90-х годов прошлого века была разработана концепция нового способа активных воздействий на атмосферные процессы и явления. В дальнейшем, при изучении отчётов ВГИ по акустическому воздействию на конденсацию влаги в атмосфере концепция получила подтверждение. Оказалось, что модель термодинамических процессов при фазовых переходах влаги, легшая в основу нового способа, способна объяснить и неудачи предшественников с разработками способа акустического управления поведением влаги в атмосфере.

 При выборе физического принципа воздействия и технического  решения его осуществления был использован многолетний опыт разработки физических экспериментов в условиях автономных экспедиций. В этих условиях, при минимуме средств и ресурсов, для исследования какого-то эффекта необходимо глубоко прорабатывать причинно-следственные связи исследуемого явления, выявлять ключевой фундаментальный фактор эффекта и разрабатывать методику контроля этого фактора в индикаторном режиме. В метеоявлениях в качестве такого фундаментального фактора был определен кинетический процесс над поверхностью ядра или зародыша на молекулярно/субмолекулярном уровнях. Именно характер этого процесса и ответственен за режим массо-энергетического обмена в атмосфере, который мы воспринимаем в качестве погодных феноменов.

В 2003 году был собран настольный стенд с туманной камерой и генератором инфразвуковых колебаний давления. На этом стенде были проведены первичные наблюдения изменений прозрачности стационарного тумана под воздействием низкочастотных колебаний давления. Результаты разработки теоретических моделей низкочастотного воздействия на туман и экспериментов на стенде были доложены на первом Всероссийском конкурсе молодых исследователей моим учеником С.О. Юрченко (ныне доцент МГТУ им. Баумана и зав. лабораторией террагерцовой оптоэлектроники) и вызвали большой интерес у специалистов кафедры геофизики географического факультете МГУ.

В 2006 году при финансовой помощи Нальчикского аэропорта были изготовлены прототипы автономных модулей инфразвукового излучателя, и выполнены первые этапы разработки автоматической системы управления активным воздействием.

С этими предварительными результатами ознакомился  вице-президент РАН Г.А. Месяц, проявивший большой интерес к ним и обещавший «существенную помощь в продвижении способа». Но конкретных действий по оказанию обещанной помощи в развитии исследований не последовало.

2. Физический принцип воздействия

            В основу способа воздействия положено фундаментальное свойство субмолекулярной структуры вещества вблизи поверхности зародышей капель или кристаллов влаги в атмосфере, выражающееся в логарифмической зависимости термодинамической вероятности состояния этой среды от управляющих факторов. В частности – от давления среды. Эта зависимость проявляется в виде асимметрии кривой зависимости вероятности конденсированного состояния молекул влаги при периодических симметричных отклонениях давления среды от среднего значения. То есть, создавая в среде периодические относительно небольшие колебания давления, мы можем постепенно увеличивать долю молекул влаги, остающуюся под поверхностью зародыша капли или кристалла. Этот процесс мы можем осуществлять практически при любых прочих условиях, так как, во-первых, используются фундаментальные свойства среды – молекулярная кинетика. Во-вторых, с помощью явления усиления инфразвука в среде с конденсирующейся влагой и т.п. явлениями можно дистанционно вызвать периодические колебания давления в заданной области атмосферы.

Таким образом, в результате воздействия нормальная размерная дисперсия зародышей и ядер конденсации/кристаллизации отклоняется в сторону больших размеров. Дальше в дело вступают пороговые эффекты. Во-первых, при достижении диаметра зародышей порядка 20 мкм избыток давления среды над его поверхностью уменьшается до значений, при которых оно перестает препятствовать коагуляционному росту массы зародыша, и он начинает самопроизвольно расти за счет поглощаемых мелких зародышей и молекулярной влаги. Во-вторых, при определенной интенсивности коагуляционных процессов темпы выделения теплоты конденсирующейся влагой возрастают до величин, при которых время релаксации тепловых процессов в пространствах со взаимодействующими зародышами и ядрами становится достаточным для возникновения автономной конвективной ячейки, вовлекающей в процесс массо-энергообмена все большие массы влаги.

То есть, в результате нашего дистанционного воздействия низкочастотными колебаниями давления инициируется процесс перевода части потенциальной энергии активной области атмосферного воздуха в энергию динамических атмосферных процессов.

Очевидно, что эффективность воздействия будет зависеть от запасов потенциальной энергии в активной области атмосферы. То есть, применимость и эффективность воздействия будут возрастать с ростом температуры атмосферного воздуха.

Также очевидно, что объект воздействия – кинетический процесс над поверхностью ядра или зародыша - не меняется при воздействии на кристаллики снега в снежном насте, на облачную среду в тумане над поверхностью земли, или на прозрачный атмосферный воздух в инверсной зоне атмосферы над пустыней. Иными словами, способ универсальный.

Важнейшее обстоятельство, обусловливающее осуществимость способа, заключается в том, что все описанные процессы являются постоянно воспроизводящимися в атмосфере стохастическим образом природными процессами. Результат воздействия заключается в управлении местом и временем образования конвективных ячеек и контролем скорости их развития. А осуществимость этого управления достигается когерентацией посредством волнового воздействия изначально стохастических процессов образования зародышей из ядер конденсации/кристаллизации и последующего роста и высыхания зародышей.

3. Современное состояние проблемы (технологии и изобретения)

3.1. Аналоги. Аналогом заявленного в проекте способа воздействия является, в частности, «способ повышения интенсивности энерговыделения и других физико-химических процессов в текучих средах», защищенный заявкой № 2006141661, согласно которому воздействие на среду производят с частотами порядка «теоретической резонансной частотой молекул или взаимосвязанных групп молекул среды», модулируя указанную частоту «периодическим изменением внешних механических (акустических) и/или электростатических, электромагнитных воздействий».

 Очевидно, что способ имеет ограниченную применимость из-за высокого затухания колебаний на таких частотах.

Прототипами изобретения являются представленные в различных модификациях – от газовой мортиры, «защищающей» от града портовую стоянку автомобилей Ниссан, до использования ударной волны взрывов фугасных снарядов зенитных противоградовых орудий и свиста динамической газовой струи реактивных двигателей противоградовых ракет - способы стимулирования или ингибирования атмосферных осадков акустическим воздействием на облачную массу, в котором используется зависимость от массы капель амплитуды смещения акустической волной капель влаги в воздухе, обусловливающая увеличение частоты столкновений капель с последующей их коагуляцией. В результате такого гидродинамического механизма взаимодействия капель влаги изменяется микроструктура облачной среды, возникает смещение максимума распределения капель в сторону больших размеров и соответствующее увеличение количества дождевых капель.

Недостатком этого способа является, во-первых, то, что гидродинамический механизм взаимодействия реализуется на звуковых частотах – 100-300 Гц, быстро затухающих в воздухе, особенно в облачной среде, и при больших интенсивностях звука – 0,12-0,21 Вт/см², вследствие чего для распространения воздействия на всю обрабатываемую область атмосферы необходимы дополнительные ресурсы для быстрого перемещения источника звука и осуществление дополнительных воздействий на среду с целью придания ей способности усиливать звуковые волны. Эти недостатки делают способ энерго- и ресурсоемким и неэкологичным. В частности, для обеспечения гарантированного результата воздействия таким способом посредством обработки облачной массы артиллерийскими снарядами потребуется осуществить в течение нескольких минут от нескольких сотен до тысяч выстрелов на дистанции порядка максимальной дальности выстрела. 

В результате, наибольшее распространение получил способ воздействия на погодные условия посредством внесения в самопроизвольно образовавшееся облачное образование диспергированных химических реактивов с помощью тех же снарядов и ракет, или распыления их с самолётов.

Наш проект направлен на реализацию нового наземного акустического способа дистанционного воздействия на атмосферные процессы и метеоявления (Заявка на изобретение № 2010148748. Получено решение о выдаче патента). С целью защиты и исключения моментов копирования и плагиата, нами преднамеренно не были до конца доведены мероприятия по присвоению конкретного номера патенту на изобретение и его получение. При этом, право получения патента на основании решения о выдаче патента сохраняется в течение семи лет без каких либо ограничений либо последствий.

Предложение основано на результатах теоретических исследований кинетики фазовых превращений влаги в атмосфере и контрольных экспериментов по новому способу воздействия, выполненных сотрудниками Института информатики и проблем регионального управления Кабардино-Балкарского научного центра РАН и Высокогорного геофизического института Росгидромета при поддержке резидентов АНО «Технопарк «Телемеханика»: ООО Венчурная компания «Передовые технологии» и ООО «N’Art robotics».

Способ предназначен для обеспечения благоприятных для жизнедеятельности населения погодно-климатических условий на селитебных территориях, обеспечения видимости в тумане в районах аэропортов, на морских и речных акваториях и на автострадах, управления режимами выпадения осадков в засушливых и переувлажненных районах, образованием снежного покрова на склонах гор и сходом лавин, для тушения крупных пожаров и т.п.

В частности, несколько подобных комплексов способны защитить большой город от выпадения избыточных или несвоевременных осадков. Также такие комплексы будут способны создавать структуры из конвективных ячеек для образования искусственных атмосферных фронтов с целю предотвращения экстремальных погодных явлений.

Интенсивность акустического воздействия на окружающую среду предусматривается соответствующей интенсивности природных и промышленных акустических шумов.

Отдельно следует отметить, что посредством регулярных воздействий на определенные участки атмосферы может осуществляться перераспределение переходов масс атмосферной влаги в локальных гидрологических циклах на обширных территориях. Соответственно, станет возможным мобилизация ресурсов геокосмической опреснительной установки «Солнце - земная атмосфера» для осуществления программ глобальных геоклиматических преобразований.

Роботизированный комплекс для активного воздействия на атмосферные процессы состоит из следующих систем:

1 - размещаемая на местности фазоактивная акустическая антенная решетка, образованная автономными унифицированными акустическими модулями с пневматическим приводом и управлением от центрального компьютера;

2 - собственная сенсорная система из датчиков метеопараметров;

3 - телекоммуникационная сеть для сбора метеоданных с удаленных метеостанций, метеорадаров и метеоспутников и для связи с администрацией региона.

3.2. Обращения в государственные органы. В сентябре 2012 года разработчиками проекта было подготовлено обращение ответственному за организацию игр «Сочи-2014» Заместителю Председателя Правительства РФ Д.Н. Козаку «Об обеспечении благоприятных

погодных условий во время проведения Олимпиады Сочи-2014».

В соответствии с поручением Аппарата Правительства РФ от 19.09.2012 г.                  № П48-159482-1 Росгидромет рассмотрел обращение на совещании 02.09.2012г. у Заместителя Председателя Правительства РФ Д.Н. Козака с участием заместителя Министра природных ресурсов и экологии РФ С.Р. Леви, заместителя руководителя Росгидромета И.А. Шумакова, ведущих ученых РАН и МГУ и Росгидромета в области активных воздействий и было принято решение о нецелесообразности проведения работ по адаптации технологий активных воздействий на погодные условия в районе проведения Игр «Сочи-2014» в связи с недостаточной изученностью района.

Было отмечено, что «…в соответствии с Российским законодательством новые методы и средства активного воздействия применяются после тщательной апробации и внесения в «Перечень средств активного воздействия, применяемых специализированными организациями активного воздействия на метеорологические и другие геофизические процессы». На средства и методы активного воздействия разрабатываются руководящие документы, регламентирующие порядок их применения в практике активных воздействий. К проведению работ по активным воздействиям допускаются специализированные организации, имеющие соответствующие лицензии и специалистов.»

В виду вышесказанного Росгидромет счел невозможным рассмотрение предлагаемого нами метода для использования в целях обеспечения противолавинной безопасности проведения Игр «Сочи-2014».

 В качестве контраргументов и доводов со стороны разработчиков проекта мы хотели бы обратить внимание на следующие обстоятельства.

1. В том же 2012 году, за полгода до нашего обращения, Росгидромет подписывает с Правительством РФ договор о проведении в течение полутора лет до Игр исследований возможности применения используемых в Москве самолетных методов воздействия в условиях Красной Поляны. При этом сразу оговаривается, что в горных условиях методы не применялись, а сам по себе район отличается особыми метеоявлениями и атмосферными процессами. В августе того же года и за месяц до нашего обращения - специалисты признаются на совещании у Козака в том, что не берутся обеспечить погоду на играх и не гарантируют безопасность для местности.

            2. В ответном для нас письме по существу предлагаемого нами метода не было указано ни одного упоминания, из чего можно сделать несколько заключений:

- эксперты не нашли объективных доводов против предлагаемого нами метода;

- эксперты воздержались от высказываний за или против проекта, с целью избегания возможных репутационных рисков в случае развития работ по нему;

- наше обращение, возможно, не попало к экспертам с целью замолчать сущность предложения, сведением его к каким-то частностям, в отношении которых нет подробного анализа, как в нашем обращении, так и в ответном заключении Росгидромета.

            Ответное письмо заканчивалось утверждением о "невозможности рассмотрения предлагаемого метода для использования в целях обеспечения противолавинной безопасности проведения Игр «Сочи-2014»" в то время, когда наше обращение содержит предложения по управлению погодными условиями в целом и в различных регионах России, а не только для борьбы с лавинами в Красной Поляне.  

3. Основной принцип представляемого нами нового метода заключается в инициации обычных атмосферных процессов, которые ежеминутно и ежечасно происходят в атмосфере, а в качестве средства воздействия используется низкочастотный звук низкой интенсивности, который постоянно и хаотично возникает в природе без нашего участия, или с нашим участием от жизнедеятельности, оказывая воздействия на атмосферные процессы. Соответственно, вмешательство в природные процессы в отношении энергии и вещества минимальное, а результат заключается в коррекции места и времени осуществления обычных массо-энергообменных процессов в атмосфере.

4. Мы апеллируем полученными экспериментальным путем результатами и данными проведенных в течение одного календарного года научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проведенных в лабораторных условиях, о которых "ведущие ученые РАН и МГУ" на настоящий момент ничего не знают в силу их закрытости.

                                                                          4. Описание «Погодного робота»

К настоящему времени разработана конфигурация аппаратно-программного комплекса для осуществления в безлюдном режиме мониторинга метеообстановки в контролируемом районе, и выработки процедуры активного воздействия на атмосферные процессы с целью обеспечения заданных погодных условий в районе.

Аппаратная часть комплекса состоит из излучателя в виде акустической фазоактивной антенной решетки, электронного блока системы мониторинга метеообстановки в районе в виде собственной сенсорной системы из датчиков метеоданных, соединенной с местной сетью метеостанций и метеоспутниками. Программная часть включает установленную на компьютере центра управления воздействием самообучающуюся программу выработки режимов воздействия на основе алгоритмов распознавания метеообстановки и интеллектуального принятия решений.

Акустическая фазоактивная антенная решетка представляет собой размещаемый на площади 1,5 – 2,5 гектара (в зависимости от характера предстоящих задач) комплект из автономных акустических модулей, соединенных с источниками воздуха с давлением порядка 4-15 атмосфер и с электронным устройством управления частотой и фазой генерации.

Сами акустические модули имеют вид цилиндрических «бочек» или сфер с расположенным в них приведенным от пневмоцилиндра поршнем. Модуль с размерами 1×2-3 и/или сфер с диаметром порядка 3 метров оптимально устанавливать на стойки высотой 3-4 метра.

4.1. Дистанционный контроль работы комплекса. Устройство управления частотой и фазой генерации модулей может представлять собой коммутатор-дешифратор, по криптостойкому каналу связи  обменивающийся данными и управляющими командами с компьютером центра управления воздействием, и преобразующий получаемые с него обобщенные указания по режиму воздействия в управляющие сигналы для отдельных модулей.

Сенсорная система исполняет роль шлюза, концентрирующего пакеты данных о метеообстановке в контролируемой зоне, и передающего их в компьютер центра управления воздействием в режиме реального времени.

В такой конфигурации комплекс может в безлюдном режиме всесезонно и круглосуточно поддерживать 100%-ю готовность к применению, и осуществлять воздействие на определенную область атмосферы по согласованию режима воздействия с уполномоченными структурами и лицами.

Напомним, инициация образования конвективных образований нашим способом происходит следующим образом: мы дистанционно, на максимальных удалениях, определяемых, в принципе, только геометрическим фактором - высотой расположения в атмосфере инверсной зоны и максимальным углом отклонения потока инфразвуковых колебаний от вертикали - воздействуем этими колебаниями на влагу в нижнем слое инверсной зоны и выводим влагу из состояния динамического равновесия. Происходит то же самое, что и в возмущенной зоне за пролетающими в инверсной зоне самолётами. Только возмущение длиться не несколько секунд, а столько, сколько надо для запуска самопроизвольно развивающейся конвективной ячейки - от десятков секунд до одного-двух десятков минут. Необходимо, чтобы инициированная конвективная ячейка пробила инверсный слой и тогда влага в поднимаем конвективным потоком воздухе будет интенсивно конденсироваться и разгонять поток до образования облачного процесса. Это как раз то, что мы наблюдаем в небе каждый день. Только конвективные потоки в реальности могут образовываться в разных условиях и иметь различные параметры, а предлагаемый нами способ направлен на управление образованием и развитием конвективных образований с контролируемыми параметрами практически для любых условий. 

Результаты проведенных экспериментов в рамках настоящего проекта представлены в Техническом предложении.

 Генеральный директор

            АНО Технопарк «Телемеханика»                                                            А. Ю. Битоков