RU2568752C2 - Способ коррекции погодных условий - Google Patents
Способ коррекции погодных условий Download PDFInfo
- Publication number
- RU2568752C2 RU2568752C2 RU2014101085/13A RU2014101085A RU2568752C2 RU 2568752 C2 RU2568752 C2 RU 2568752C2 RU 2014101085/13 A RU2014101085/13 A RU 2014101085/13A RU 2014101085 A RU2014101085 A RU 2014101085A RU 2568752 C2 RU2568752 C2 RU 2568752C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ionosphere
- lens
- antenna
- radiation
- created
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к области метеорологии и сельского хозяйства. Способ включает длительное воздействие на локальную область атмосферы тепловым лучом сфокусированного солнечного потока. Луч получают с помощью оптической линзы многокилометровых размеров. Линзу создают в ионосфере при воздействии на нее направленным лучом СВЧ излучения с изменяемой длиной волны и мощностью излучения, для регулирования диэлектрической проницаемости ионосферы. Частота излучения должна быть ниже критической. Фокальная плоскость создаваемой линзы располагается у поверхности Земли. Обеспечивается сдвиг и эффективное разрушение циклонов. 5 ил.
Description
Изобретение относится к области метеорологии и может найти применение в региональных Центрах МЧС для изменения динамики атмосферных процессов.
Энергия атмосферных процессов столь велика, что использование прямых методов воздействия на них, с энергетической точки зрения, невозможно. Основной принцип, который реализуется при активных методах воздействия на них - это создание условий, выполняющих роль «спускового крючка» для запуска естественных лавинных процессов. Инициирование подобных процессов приводит к сдвигу аномального «зависания» циклонов или антициклонов и восстановлению нормальной циркуляции воздуха в регионе.
Известен «Способ инициирования струйных течений в атмосфере», патент RU 2502.255, 2013 г. - аналог.
В способе-аналоге осуществляют длительное воздействие восходящим конвективным потоком ионов от системы излучателей, поднятых над Землей и разнесенных по площади, образуемого завихрением магнитным полем генерируемых коронирующими электродами ионов и их канализацией посредством соленоидов в каждом излучателе при пропускании через них тока коронирования и разогрева потока ионов электромагнитным полем на длине волны больше критической, для создаваемой плотности концентрации в объеме соленоидов, за счет соосного их охвата элементами спиральной антенны с осевой результирующей диаграммой направленности.
Недостатками аналога являются:
- ограниченность ресурсов наземной установки для экспресс воздействия на метеопроцессы;
- способ применим только для вызывания осадков, разрушения или сдвига антициклонов.
Для разрушения мощных циклонов, вызывающих стихийные бедствия (наводнения, торнадо) необходим источник, соизмеримый с ними по энергии. Таким источником является поток солнечной радиации. Энергия потока на границе космос-атмосфера составляет порядка ~1,5 - кВт/м2, отражая или фокусируя который можно влиять на состояние климата на Земле. Между космосом и атмосферой, на высотах от 80 до 420 км находятся ионосферные слои. Изменяя оптические свойства ионосферы, путем ее зондирования на частотах ниже критической (F<20 МГц), чтобы излучаемая мощность поглощалась ионосферой, можно регулировать мощность потока солнечной радиации в широких пределах. Известна «Антенна для зондирования ионосферы», патент RU 2504054, Бюл. №1 от 10.01.2014 г. - ближайший аналог.
Антенна для зондирования ионосферы выполнена в виде двух, скрещенных в ортогональных плоскостях, ромбов, с длинами ребер 58 м одного и 26 м второго ромба, подвешенных на опорной мачте из композитного материала высотой 32 м, создающей геометрию главной диагонали ромбов и двух пар вспомогательных мачт, высотой 9 м, для подвески вторых углов ромбов, растяжек расчаливания механического крепления мачт из полимерного материала и жил токонесущих проводов ромбов, расположенных по образующим цилиндра в качестве излучателей антенны, нагруженных на общее сопротивление, согласованное для режима бегущих волн в излучателях, подключенное к многолучевому заземлителю, выполненному по параллельной схеме, для режима зеркального противовеса.
Технический результат: ориентация диаграммы направленности в зенит, перекрытие всего диапазона волн зондирования, при постоянном коэффициенте усиления, расширение срока эксплуатации в несколько раз.
Недостатком ближайшего аналога следует считать необходимость реализации особого режима зондирования и расчетного значения параметров (соотношения мощности, частоты, диаграммы направленности) для управления оптическими свойствами ионосферы.
Задача, решаемая заявленным техническим решением, состоит в создании оптической линзы в слоях ионосферы для фокусирования и регулирования мощности падающего на поверхность Земли светового потока.
Технический результат достигается тем, что в способе коррекции погодных условий осуществляют длительное воздействие на локальную область атмосферы, тепловым лучом сфокусированного солнечного потока, посредством оптической линзы, многокилометровых размеров, создаваемой в ионосфере при воздействии на нее направленным лучом СВЧ излучения на частоте ниже критической с изменяемой длиной волны и мощностью излучения для регулирования диэлектрической проницаемости ионосферы так, чтобы фокальная плоскость создаваемой линзы располагалась у поверхности Земли.
Изобретение поясняется чертежами, где
фиг.1 - распределение по вертикали электронной концентрации в слоях ионосферы;
фиг.2 - диаграммы направленности антенны бегущих волн из двух скрещенных ромбов: а) ромб 1; б) ромб 2; в) результирующая;
фиг.3 - конфигурация и размеры оптических линз в слоях ионосферы;
фиг.4 - зависимость коэффициента преломления линзы от температуры разогрева ионосферы;
фиг.5 - функциональная схема устройства, реализующего способ,
фиг.5а; фиг.5б - вид антенны зондирования сверху.
Техническая сущность способа состоит в следующем. Под действием космических излучений в атмосфере выше 60 км постоянно существуют области повышенной ионизации (слои Д, Е, F) с электронной концентрацией N порядка 1011…1012 1/м3 [см, например, «Космонавтика, Энциклопедия» под редакцией В.П. Глушко, Изд-во Советская энциклопедия, М, 1985 г., Ионосфера, стр.142].
Типичное распределение по вертикали электронной концентрации в слоях ионосферы иллюстрируется графиком фиг.1. В соответствии с уравнениями Максвелла [см., например, «Физический энциклопедический словарь», под редакцией А.М. Прохорова, Изд-во Советская Энциклопедия, М, 1983 г., стр.389-391, Максвелла уравнения] при распространении электромагнитных волн в ионизированном газе, диэлектрическая проницаемость последнего носит комплексный характер:
где ν - количество столкновений ионов в единицу времени;
ρ=Ne - объемный заряд;
Подставив значения физических величин, заряд e=1,6∙10-19 Ky1,
получены значения:
ω - частота сигнала СВЧ зондирования.
Для частот СВЧ зондирования Fkp<20 МГц и количества соударений ν≅109 сек. [см., например, Г.А. Зисман, О.М. Тодес «Курс общей физики» учебник, Физматгиз, Из-во Наука, М, 1964 г., §25 «Число столкновений и длина свободного пробега молекул», стр.130-133] выполняется условие ω2<<ν2, диэлектрическая проницаемость ионизированного газа меньше единицы:
В свою очередь количество соударений зависит от средней скорости молекул газа
и длины свободного пробега l:
Поскольку средняя скорость движения молекул пропорциональна температуре
[см., там же, стр.125], то количество соударений ν так же пропорционально
. Зондируя ионосферу мощным СВЧ излучением, на частотах ниже критической (при полном поглощении СВЧ излучения ионосферой) происходит нагревание ионосферы и увеличение количества соударений ν, что вызывает изменение диэлектрической проницаемости слоев ионосферы.
От диэлектрической проницаемости ε изменяется коэффициент преломления:
Изменяя мощность и частоту зондирования представляется возможность регулировать коэффициент преломления ионосферы. В устройстве ближайшего аналога для зондирования ионосферы используют ромбическую антенну бегущей волны, коэффициент направленного действия которой Д определяется формулой:
[см., например, А.Л. Драбкин, В.П. Зузенко и др. “Антенно-фидерные устройства”. Сов. радио, М., 1961 г., стр.369],
где ρ - поглощающее сопротивление на конце антенны, порядка 600-800 Ом;
η - коэффициент полезного действия ромбической антенны, порядка 60…75%;
φ0 - угол ромба между стороной l и главной диагональю;
k - волновое число 2π/λ.
При изменении длины волны зондирования λ, изменяется ширина диаграммы направленности антенны и мощность, поглощаемая в каждой точке ионосферы. Форма диаграммы направленности антенны с осевой симметрией двух скрещенных в ортогональных и плоскостях ромбов иллюстрируется рисунком фиг.2. Диэлектрическая проницаемость ионосферы в каждой точке пространства из-за разной мощности СВЧ зондирования повторяет форму диаграммы направленности антенны зондирования, т.е. в ионосфере образуется оптическая линза. Изменения формы и размеров оптической линзы иллюстрируется рисунком фиг.3.
Оптическая сила линзы, диоптрия, величина, обратная фокусному расстоянию F, рассчитывается из соотношения [см., П.С. Жданов, Учебник по физике, Изд-во «Наука, Физматгиз», М, 1978 г., стр.393]
где n1, n2 - коэффициент преломления среды и линзы;
R1, R2 - радиусы сферических поверхностей линзы.
Поскольку фокальная плоскость линзы должна располагаться у поверхности Земли, то фокусное расстояние F должно соответствовать высоте слоя ионосферы, что составляет ~300…400 км. При радиусах сферических поверхностей линзы несколько км, разница (n2-n1) должна составлять десятые и сотые доли единицы. Это соотношение выполняется при разности температур стационарного и возбужденного облучаемого с Земли слоя ионосферы: .
Зависимость относительного изменения коэффициента преломления линзы от относительного изменения температуры иллюстрируется графиком фиг.4 [По результатам измерений на МКС, температура открытого космоса на высоте слоев ионосферы F1 F2 составляет T1~ -90°C, или ~180K]. Расчетные значения мощности СВЧ зондирования для реализации требуемых температур разогрева ионосферы представлены в примере реализации.
Пример реализации способа.
Заявленный способ реализуется посредством устройства, функциональная схема которого представлена на рисунке фиг.5 (а, б). Функциональная схема, фиг.5а, содержит радиопередатчик 1, работающий в режиме параметров излучения (частота, мощность, угол зондирования) для создания оптических линз в ионосфере, нагруженный на ромбическую антенну бегущих волн 2, образованную двумя скрещенными в ортогональных плоскостях ромбами 3, 4 (фиг.5б), с лучами (сторонами) 5, 6, 7, 8, для увеличения диапазонности выполненными в виде диполей Надененко, подвешенных на высокой мачте 9 из композитного материала, выполняющей роль главной диагонали ромбов, вспомогательных мачт 10, 11 растяжки ромбов, общего волнового сопротивления 12, заземлителя 13, выполненного из стандартных свайных труб (см. ближайший аналог) для создания в лучах ромбов режима зеркального отражения электромагнитного поля от поверхности Земли.
Расчетный режим излучения передатчика включает выбор частоты
В первом приближении можно считать, что радиус кривизны создаваемых оптических линз зеркально отображает радиус кривизны диаграммы направленности антенны. Для ромбической антенны и антенны бегущей волны известны аналитические выражения диаграмм направленности [см., например, А.Г. Драбкин, В.Л. Зузенко «Антенно-фидерные устройства», учебник Сов. радио, М, 1961 г., стр.366-369, Ромбическая антенна, стр.371-372, Антенна бегущей волны].
φ - угол, отчитываемый от оси диаграммы направленности;
L - длина антенны,
k - волновое число, равное 2π/λ.
Имеется аналитическое выражение для диаграммы направленности ромбической антенны. Для диаграммы направленности антенны бегущей волны из двух скрещенных ромбов аналитическое выражение отсутствует. Поэтому использован графоаналитический метод расчета результирующей диаграммы направленности используемой антенны, представленный на рисунке фиг.2 (согласно ближайшего аналога).
По известной функции, аналитическими методами может быть рассчитан и радиус ее кривизны [см., например, Н.С. Пискунов «Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов», учебник, 5-е издание, Наука, М, 1974 г., стр.200].
Графоаналитический метод расчета радиуса кривизны результирующей диаграммы направленности антенны (фиг.2) дает результат ≈10° R=30 км, для высоты ионосферного слоя F, равной ≈300 км.
Чтобы фокальная плоскость образуемой линзы находилась на поверхности Земли, должно выполняться соотношение:
откуда (n2-n2)≅0,1.
Из графика фиг.4 температура разогрева ионосферного слоя, для выполнения условия (n2-n1)=0,1 составляет 220K, или прирост температуры ΔT=T2-T1=40K.
Если считать, что
при толщине слоя F [350-200 км (высота слоя E)] Δh=150 км и ширине диаграммы направленности антенны на уровне 0,1 от «max», 2Q0=30° объем пространства (в форме усеченного конуса) составит ≈1,5∙1015 м3 и апертуре создаваемой линзы ~100 км. При известной электронной концентрации слоя F ионосферы Nmax=2·1012 1/м3 количество ионов во всем зондируемом объеме составит 3·1027.
В одном моле любого газа содержится число Авогадро молекул (6,8·1023) или количество разогреваемого газа в зондируемом объеме: 3,0·1027/6,8·1023=5 кмоль.
В соответствии с уравнением Менделеева-Клапейрона, для нагревания любого газа на один градус необходимо затратить энергию ~2 ккал/кмоль·град. Для разогрева всего зондируемого объема газа на 40K необходимо затратить 4.00 ккал. Учитывая, что одна ккал эквивалентна 4,18 кДж работы, на разогрев ионосферного слоя необходимо затратить энергию ~5 кВт/ч.
Способ может быть реализован на существующих технических средствах, например на базе антенны ближайшего аналога и передающего устройства войсковой радиостанции типа P110 мощностью в непрерывном режиме излучения 10 кВт.
Эффективность способа характеризуется возможностью разрушения «зависших» циклонов. Технические условия использования способа должны разрабатываться по результатам практических экспериментов.
Claims (1)
- Способ коррекции погодных условий включает длительное воздействие на локальную область атмосферы тепловым лучом сфокусированного солнечного потока посредством оптической линзы многокилометровых размеров, создаваемой в ионосфере при воздействии на нее направленным лучом СВЧ излучения на частоте ниже критической, с изменяемой длиной волны и мощностью излучения, для регулирования диэлектрической проницаемости ионосферы так, чтобы фокальная плоскость создаваемой линзы располагалась у поверхности Земли.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014101085/13A RU2568752C2 (ru) | 2014-01-15 | 2014-01-15 | Способ коррекции погодных условий |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014101085/13A RU2568752C2 (ru) | 2014-01-15 | 2014-01-15 | Способ коррекции погодных условий |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014101085A RU2014101085A (ru) | 2015-07-20 |
RU2568752C2 true RU2568752C2 (ru) | 2015-11-20 |
Family
ID=53611468
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014101085/13A RU2568752C2 (ru) | 2014-01-15 | 2014-01-15 | Способ коррекции погодных условий |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2568752C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2622707C1 (ru) * | 2016-04-08 | 2017-06-19 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" ( МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Устройство коррекции погодных условий |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2071243C1 (ru) * | 1994-08-11 | 1997-01-10 | Виталий Витальевич Орановский | Способ вызывания атмосферных осадков |
US5762298A (en) * | 1991-03-27 | 1998-06-09 | Chen; Franklin Y. K. | Use of artificial satellites in earth orbits adaptively to modify the effect that solar radiation would otherwise have on earth's weather |
RU2154371C2 (ru) * | 1996-10-24 | 2000-08-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Мультиком-Холдинг" | Способ изменения погодных условий в пределах заданного пространства и система для оценки пространственных масштабов проводимого изменения атмосферной циркуляции |
RU2498562C2 (ru) * | 2011-09-07 | 2013-11-20 | Юрий Михайлович Киселёв | Способ предотвращения торнадо и устройство для его осуществления |
-
2014
- 2014-01-15 RU RU2014101085/13A patent/RU2568752C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5762298A (en) * | 1991-03-27 | 1998-06-09 | Chen; Franklin Y. K. | Use of artificial satellites in earth orbits adaptively to modify the effect that solar radiation would otherwise have on earth's weather |
RU2071243C1 (ru) * | 1994-08-11 | 1997-01-10 | Виталий Витальевич Орановский | Способ вызывания атмосферных осадков |
RU2154371C2 (ru) * | 1996-10-24 | 2000-08-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Мультиком-Холдинг" | Способ изменения погодных условий в пределах заданного пространства и система для оценки пространственных масштабов проводимого изменения атмосферной циркуляции |
RU2498562C2 (ru) * | 2011-09-07 | 2013-11-20 | Юрий Михайлович Киселёв | Способ предотвращения торнадо и устройство для его осуществления |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2622707C1 (ru) * | 2016-04-08 | 2017-06-19 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" ( МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Устройство коррекции погодных условий |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014101085A (ru) | 2015-07-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Permyakov et al. | Analysis of propagation of electromagnetic waves in difficult conditions by the parabolic equation method | |
Farley Jr | Artificial heating of the electrons in the F region of the ionosphere | |
US8841592B1 (en) | Solar glare hazard analysis tool on account of determined points of time | |
RU2568752C2 (ru) | Способ коррекции погодных условий | |
Gordon | A Radio Study of the H II Region Orion B | |
El Misilmani et al. | A design procedure for slotted waveguide antennas with specified sidelobe levels | |
US10775537B2 (en) | System and method for remote sensing for a target | |
Von Hoerner | The design of correcting secondary reflectors | |
RU2622707C1 (ru) | Устройство коррекции погодных условий | |
Li et al. | Influence of surface error on electromagnetic performance of reflectors based on Zernike polynomials | |
Svettsov et al. | Radiation from a Superbolide | |
Hysell et al. | Excitation threshold and gyroharmonic suppression of artificial E region field-aligned plasma density irregularities | |
Gillen et al. | Optical dipole traps for cold atoms using diffracted laser light | |
RU2502255C1 (ru) | Способ инициирования струйных течений в атмосфере | |
Cui et al. | Broadband THz Bessel beam generation based on axicon | |
RU114963U1 (ru) | Устройство для нагрева дорожного полотна | |
Kara | Scattering of a plane wave by a cylindrical parabolic perfectly electric conducting reflector | |
Samson et al. | Phased array of 619-element Yagi-Uda antenna for Wind Profiler Radar at Cochin University of Science and Technology | |
Eshleman | Meteor scatter | |
Chou | Near-field finite-zone focused radiation from reflector antenna with continuously tapered ellipsoidal surface curvatures | |
Eirey-Pérez et al. | Pencil Beams and Flat-Topped Beams with Asymmetric Sidelobes from Circular Arrays [Antenna Designer's Notebook] | |
Minin et al. | Millimeter wave binary photon sieve Fresnel zone plate: FDTD analysis | |
Bhuiya et al. | Microstrip monopulse feed for parabolic dish tracking antenna used in a radio theodolite system | |
Moshkov et al. | Spatial distribution of the demodulated low-frequency field in the ionosphere perturbed by a high-power short-wave radiation | |
Korotchenko et al. | Asymmetry of the angular distribution of radiation of channeled relativistic electrons in optically transparent crystals |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170116 |