Бесплатный фрагмент - Системы управления погодой

Предисловие

Ранее было опубликовано несколько статей о системах управления погодой (СУП) на единых принципах, опирающихся на знания из физики атмосферы, аэрологии, а также метеорологии, географии, материаловедения и техники [1], [2].

Теперь они сведены в одну книгу — сборник статей, посвященных управлению погодой, в том числе локальной, на ограниченных пространствах в единицы и десятки квадратных километров, а также одному способу добычи пресной воды из воздуха, связанному технологически с описываемыми здесь системами управления погодой. Фотографии пустыни Негев любезно предоставил Евгений Голомолзин, главный редактор туристического интернет-портала Foto-Travel.NET

https://foto-travel.net

Система управления погодой Махтешим

Данная статья посвящается пустыне Негев и системам управления погодой в Негеве, в первую очередь — в его кратерах (махтешим).

География Негева

Пустыня Негев охватывает всю южную часть современного Израиля, занимая больше половины его территории: 12 тыс. км² [5]. Негев простирается от Беэр-Шевы, Мёртвого моря и холмов Иудеи до Эйлата. Негев — это равнина с высотой центральной части в 600 м над уровнем моря, южной — до 1 тыс. м. территория включает северное плоскогорье, горы Негева и Эйлата, возвышенность Паран.

Название пустыни переводится с иврита как «выжженный», «вытертый», «сухой».

Длина региона составляет 190 км, максимальная ширина 80 км. Негев выглядит на картах, как треугольник. Острый угол смотрит на юг и упирается в Эйлатский залив Красного моря. Восточная сторона граничит с иорданской долиной Арава — фрагментом сирийско-африканского разлома. Западная — со Средиземным морем и Синайской пустыней. На севере плато переходит в склоны Иудейских гор.

…

Более точное географическое значение получает словосочетание Эрец а-Негев («Земля Негев»), такое название встречается в Шофтим 1:15 и в других местах.

…

Пустыня Негев уникальна тем, что только здесь можно встретить глубокие (несколько сот метров) овальные впадины, похожие на кратеры, с ровными отвесными краями. Когда подземные водные потоки источили нижние скальные слои, верхние слои провалились, образовав котловины, махтэшим: Махтеш-Рамон, Махтеш-Гадоль и Махтеш-Катан. Махтеш Рамон, например, простирается на 40 километров в длину и на 8 километров в ширину.

..

На территории Негева выделяют пять экорегионов, отличающихся количеством выпадающих осадков и плодородием почв. С этой точки зрения, долина Арава на границе с Иорданом — самая засушливая, а самый благоприятный регион — это Северный Негев, представляющий собой зону интенсивного земледелия с тех пор, как сюда был проведён израильский водопровод. Здесь более ста мошавов (поселений) и кибуцей, занятых выращиванием хлопка, картофеля, пшеницы, фиников, цитрусовых и овощей.

Хотя дожди в Негеве выпадают редко, однако здесь случаются сильные паводки. Известняковые породы не впитывают влагу, и дожди стекают с гор в долины, где лессовая почва (осадочная горная порода) также не впитывает влагу.

Для этой территории, а в первую очередь — для ее кратеров разрабатывается Система управления погодой Махтешим (СУП Махтешим).

СУП Махтешим

Рациональная площадь, рассматриваемая как полигон для апробации системы — Махтеш Рамон площадью около 300 кв. км (30000 гектаров). Длина кратера — около 40 км, ширина — 9 км, глубина — 350 м. Дно кратера расположено на отметке примерно 500 м над уровнем моря. окружающее кратер плато имеет высоту над уровнем моря 700—1000 метров.

Можно рассмотреть несколько других кратеров, размером поменьше, имеющих аналогичное строение. Площадь альтернативных вариантов составляет от 3000 до 10000 гектаров каждый.

СУП Махтешим основана на группировке аэростатов схожей системы управления погодой Шарль, разработанной первоначально для Сингапура в 2018—1019 годах [6]. Применяются аэростаты примерно таких же основных размерений, с такой же энергетикой и оборудованием, поэтому они здесь подробно не описываются.

В следующих главах книги есть подробное описание СУП Шарль.

Отличительной особенностью СУП Махтешим является размещение аэростатов по периметру кратеров (махтешей) на возвышении, причем в основном на наветренной стороне кратера, то есть там, где дуют ветры, преимущественное дующие с плато в сторону кратера.

Это позволит размещать аэростаты практически над самой землей периметра плато, а их струи холодного воздуха, насыщенного сконденсированной влагой, будут заполнять воздушное пространство над впадиной кратера, оставляя под собой 200—350 метров воздушного пространства.

Тогда высота воздушного столба, который будет подвергаться охлаждению, увеличится со 100 до 300—350 метров, то есть утроится объем влаги, которую можно сконденсировать и уронить дождем на землю впадины кратера.

Оценка располагаемой и требуемой мощности для реализации технологии

10000 квадратных метров поверхности аэростата, выполненная в виде батареи тонкопленочных солнечных элементов, можно даже пониженной энергоотдачи 100 Вт/м2 — 1 МВт. Ширина воздушной щели для выпуска охлажденного воздуха — 100м, высота щели — 0.1м, площадь щели — 10 м2. Скорость воздуха — 20 м/с. Объемный расход воздуха 100 м3/с. Слишком большая скорость воздуха не нужна, так как аэростат работает по площади, находясь с наветренной стороны от площади, а 20м/с — это 72 км/час для кратера шириной 9 км — 6 минут на накрытие облаком, важно лишь обеспечить, чтобы оно не растаяло за это время в нагретом воздухе над кратером.

Массовый расход воздуха при плотности 1.225 кг/м3 — 122.5 кг/с
Мощность нетто для разгона такой массы воздуха до расчетной скорости M*V^2/t = 122.5*20^2/1 = 49 кВт.

КПД вентилятора можно принять равным 0.2, учитывая трение воздуха каналах охлаждения, тогда 250 кВт вентилятор обеспечит требуемый поток с хорошим запасом.

Остальные 750 кВт используются на питание массива элементов Пельтье, или на компрессор с пассивным холодильником и детандером (в последнем случае часть кинетической энергии воздушного потока даст расширение воздуха на выходе из детандера).

Возможности аэростата

Допустим, один такой аэростат способен устроить облачный покров площадью 1 квадратный километр над впадиной глубиной 300 метров. То есть устроить зонтик от Солнца над объемом воздуха 0.3 кубических километра. Допустим, содержание влаги в воздухе сначала равно 20 граммов на кубометр, или 6 миллиардов граммов на обслуживаемый квадратный километр. И пусть наше понижение температуры даст дождь, который заберет из воздуха 5 граммов с кубометра. То есть 1.5 миллиарда граммов с 0.3 кубических километров. Это — 1500 кубометров воды.

Поскольку таких аэростатов над махтешем можно повесить и 10 и 20 штук, можно ежедневно получать в сухой сезон дополнительно не менее 15000 кубометров воды.

В течение года 100 дней работы такой системы дадут соответственно 1.5 миллиона кубометров.

Необходимое дополнение

Числовые выкладки, приведенные в данной и последующих главах, даны сугубо оценочно, для большей точности имеет смысл провести некоторую научно-исследовательскую работу с привлечением данных метеорологических станций Израиля, а для математического моделирования использовать прекрасно приспособленный для решения таких задач программный комплекс FlowVision (фирмы Тесис, Москва).

Список литературы

1. Система управления погодой Этна

https://docs.google.com/document/d/1nTsVelcoIkzAUPutMAhvlpEdG-IF9OpP3K2U3ptjBJU/edit?usp=sharing

2. Система управления погодой Шарль (Сингапур)

https://docs.google.com/document/d/1n7tY24OwsF9Q3_55NyS8LqbQC6btbeXBgIdDyQ1_lOY/edit?usp=sharing

3. Израиль — сюрпризы пустыни Негев

https://foto-travel.net/2015/03/izrail-syurprizyi-pustyini-negev

4. Пустыня Негев

https://rock-cafe.net/suggest/negev-desert-farming-6e65676576.html

5. Негев

https://toldot.ru/Negev.html

6. Система FlowVision

https://flowvision.com

7. Land on tha Water. Технология LOW

https://ridero.ru/books/land_on_the_water/

8. Фотография на обложке —

https://photographers.ua/photo/mahtesh-ramon-681156/

Система управления Погодой Этна

Кто видел, как «дышит» вулкан Этна на Сицилии? Например, как поймал фотограф на рис. 3. Похоже на выдох искусного курильщика.

Откуда берется это кольцо? Когда в глубине жерла вулкана создается импульс давления, газы рвутся вверх, но у стенок жерла они тормозятся трением о поверхность, и у стенок отстают, у середины жерла их скорость больше, и возникает «закручивание» струи газов в тор, в бублик, катящийся вверх по стенкам этого жерла вулкана.

Это очень простая гидродинамика, она дает устойчивую форму такого тора, и при скорости выхлопа на уровне вершины вулкана в сотню или две сотни метров в секунду за пару десятков секунд кольцо поднимается на километр или два. Вовлекая при этом в свой круговорот прилегающие к тору области атмосферы. При этом неукоснительно действует известный в физике эффект понижения температуры с ростом высоты, в результате воздух в торе охлаждается, и на некоторой высоте это охлаждение достигает точки росы окружающего тор воздуха в небе. Выхлоп из жерла вулкана содержит пары воды, о природе которых можно долго рассуждать, они там просто есть, пары воды есть в атмосфере, и при достижении точки росы этот пар становится облаком. Кольцевым облаком в данном случае.

…А облако хуже, чем чистое небо, пропускает солнечный свет. Это знает каждый, кто пережил пасмурную погоду и ее мрак, если тучи очень густые.

Теперь представьте себе трубу диаметром метров от 10 до 50 или больше, на больший диаметр я не считал, там мощности нужны уже в 4—10 раз большие, а на дне трубы стоит клапан, открывающий резервуар с охлажденным воздухом под давлением в 10—20 атмосфер (1—2 МПа). Этот клапан создаст импульс холодного воздуха, и кольцо из этого воздуха полетит в небо на высоту в 1—2 километра. Вы знаете что будет с небом в этом месте? Правильно, холодный воздух конденсирует встреченные в небе пары воды и будет туча. Непрозрачная для лучей Солнца туча. Десяток, сотня, тысяча таких колец — и мрак сгустится над Землей, Солнце перестанет греть землю и воздух под тучей, температура упадет, относительная влажность вырастет, перейдет через точку росы, и водяной пар превратится в конденсат — и пойдет дождь.

Попробуем оценить, что это даст.

Допустим, что группа таких «метеопушек» закрывает своими тороидальными облаками один квадратный километр площади Земли на высоте 1 километр. То есть в условном объеме 1 кубический километр воздух отсечен от излучения Солнца, и температура понижается. Этот эффект знает каждый яхтсмен, который следит за облачками в ясном небе, чтобы поймать шквалик ветра, вызванный понижением температуры и соответственно давления в месте под облачком.

Если относительная влажность в этом кубическом кубометре была достаточна, чтобы достичь точки росы, то дождь пойдет неукоснительно и безусловно.

Допустим, в кубометре воздуха было 20 граммов воды. Тогда в кубическом километре их будет 20 миллиардов граммов, или 20000 кубометров. Примем, что нам удалось пролить дождем 5% от этой величины. 1000 кубометров. Одну тысячу кубометров. На площадь 1 квадратный километр. То есть миллион квадратных метров. Это — дождь, который учитывается как один миллиметр осадков.

Дальнейшие расчеты читатель может сделать самостоятельно.

У меня в группе бесплатных изобретений GPLA это устройство называется «Система управления погодой Этна»

примеры

1. Этна Кинерет, от Тверии до Капернаума