РД 52.11.646-2003

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ


МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Проведение работ по искусственному увеличению осадков
из слоистообразных облаков

     

Дата введения 2003-04-01

     

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Центральной аэрологической обсерваторией (ЦАО) Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет)

2 РАЗРАБОТЧИКИ Г.П.Берюлев, канд. физ.-мат. наук, руководитель темы; Б.И.Зимин, канд. физ.-мат. наук; Б.П.Колосков, канд. физ.-мат. наук; Ю.В.Мельничук, канд. физ.-мат. наук; Б.Г.Данелян, науч. сотр.; Р.Ю.Рябова, нормоконтролер

3 ВНЕСЕН Отделом активных воздействий и государственного надзора УСНК Росгидромета

4 ОДОБРЕН Центральной комиссией по приборам и методам наблюдений (ЦКПМ) Росгидромета, протокол N 3 от 26 ноября 2002 г.

5 УТВЕРЖДЕН Руководителем Росгидромета 8 января 2003 г.

6 ЗАРЕГИСТРИРОВАН Центральным конструкторским бюро гидрометеорологического приборостроения (ЦКБ ГМП) за номером РД 52.11.646-2003

7 ВЗАМЕН "Временной методики искусственного увеличения осадков путем активного воздействия на облака самолетными средствами", утвержденной Начальником УАВ Росгидромета 7 ноября 1995 г.

     1 Область применения

Настоящие методические указания устанавливают общий порядок и последовательность операций, средства измерений, оборудование и материалы, необходимые для организации и выполнения летных работ по активному воздействию (АВ) на слоистообразные облака с целью искусственного увеличения осадков (ИУО) из этих облаков. Методические указания включают в себя краткое описание физических принципов воздействия на облака и методики оценки эффективности воздействия.

Методические указания обязательны для специализированных организаций по АВ на метеорологические и другие геофизические процессы и для научно-исследовательских учреждений (НИУ) Росгидромета, выполняющих работы по ИУО из слоистообразных облаков.

     2 Определения

В настоящих методических указаниях применяются следующие термины.

Активное воздействие (АВ) на облако - преднамеренное воздействие на облако с целью изменения естественного хода микрофизических и динамических процессов (рассеяния облаков, ускорения осадкообразования, увеличения осадков и т.п.) (ОСТ 52.11.25-86 Активные воздействия на гидрометеорологические процессы. Термины и определения).

Выход активных частиц (ледяных кристаллов) - число ледяных кристаллов, образующихся в облаке при данной температуре в расчете на единицу массы льдообразующего вещества (ОСТ 52.11.25-86).

Генератор льдообразующих аэрозолей - установка для получения льдообразующего аэрозоля механическим, тепловым и другим способами (ОСТ 52.11.25-86).

Засев облака - введение в облако реагента в диспергированном и (или) гранулированном, а также в газообразном состоянии (ОСТ 52.11.25-86).

Информационно-измерительная система (ИИС) - комплекс наземных и бортовых измерительных приборов, вычислительных устройств и средств связи, обеспечивающий получение, обработку и анализ всей метеорологической и аэронавигационной информации, необходимой для планирования и проведения летных работ по воздействиям на облака и для последующей оценки их эффективности.

Контрольная территория (КТ) - территория, достаточно близкая по своим характеристикам к опытной или защищаемой, на которой проводятся измерения твердых и жидких осадков и других метеорологических параметров при естественном ходе атмосферных процессов с целью оценки эффективности активных воздействий путем сравнения (ОСТ 52.11.25-86).

Ледяные (льдообразующие) ядра - частицы атмосферного или искусственного аэрозоля, вызывающие образование ледяных частиц в облаках при температуре ниже 0 °С (ОСТ 52.11.25-86).

Льдообразующий реагент - вещество (смесь веществ), которое используется в работах по активному воздействию на облака с целью получения ледяных частиц (ОСТ 52.11.25-86).

Метод контрольной территории - метод определения эффективности активных воздействий, основанный на сравнении метеорологических параметров или последствий неблагоприятных явлений погоды на защищаемой (опытной) и контрольной территориях (ОСТ 52.11.25-86).

Многосамолетные операции по АВ на облака - операции по засеву облаков с целью искусственного регулирования атмосферных осадков, выполняемые при одновременном участии в работах двух и более самолетов в пределах воздушного пространства одного центра управления воздушным движением.

Опытная территория - территория, на которой проводятся эксперименты по изменению режима осадков или других метеорологических явлений (ОСТ 52.11.25-86).

Осадкообразующие облака (облачные системы) - облака (облачные системы), которые в ходе своего естественного развития уже дают выпадающие на земную поверхность осадки или неизбежно достигнут этой стадии развития.

Переохлажденная облачная среда - часть облачного объема, в котором из-за недостатка льдообразующих ядер облачные частицы длительное время сохраняются в жидкокапельном состоянии при отрицательных температурах, достигающих нескольких десятков градусов Цельсия.

Температурный порог активности реагента - максимальная температура, при которой в переохлажденном облаке при введении льдообразующего реагента образуются ледяные кристаллы (ОСТ 52.11.25-86).

Физическая эффективность - степень успешности воздействия на метеорологические процессы, выраженная через изменения физических параметров атмосферы (ОСТ 52.11.25-86).

Экономическая эффективность - степень успешности воздействия на метеорологические процессы, выраженная через экономические показатели (ОСТ 52.11.25-86).

Эффективность осадкообразования облака - процентное отношение объема выпавших из облака осадков к объему воды, поступившей в облако из нижних слоев атмосферы в виде пара.

     3 Типы слоистообразных осадкообразующих облаков и критерии их пригодности для воздействий

3.1 Основным источником осадков в зимнее время и значительной их части в летнее время являются следующие слоистообразные облака и облачные системы:

- слоистые облака St;

- слоисто-кучевые облака Sc;

- высокослоистые облака As;

- системы слоисто-дождевых и высокослоистых облаков Ns-As.

3.2 Основным условием, определяющим пригодность слоистообразной облачности для воздействия, является наличие в ней слоев с пересыщенным по отношению ко льду водяным паром. К ним в первую очередь относятся слои с капельной фракцией при отрицательной температуре. При этом температура должна быть ниже температурного порога активности применяемого для засева облаков реагента.

При введении реагента в такой слой образующиеся на искусственных ледяных ядрах ледяные частицы растут за счет сублимации пересыщенного по отношению ко льду водяного пара, в том числе за счет капель, испаряющихся в окрестности ледяной частицы, где наблюдается локальное понижение давления насыщения водяного пара (процесс перегонки). Ледяные частицы быстро достигают размера, при котором начинается их падение под действием силы тяжести. При падении они растут за счет захвата облачных капель (коагуляции) и агрегации между собой.

3.3 Количество дополнительных осадков и эволюция засеваемой реагентом облачной системы после воздействия зависят от физических свойств системы. При отсутствии восходящих потоков воздуха и притока водяного пара в облачный слой количество дополнительных осадков не превышает мгновенного водозапаса слоя (составляет примерно 70% водозапаса). В этом случае облачный слой после воздействия обычно полностью рассеивается. Осадки выпадают на землю на территории протяженностью около 20 км от места засева по направлению ветрового переноса облачности. При этом количество осадков очень незначительно (около 1 мм за 10 ч непрерывного воздействия над одной и той же территорией). Расположенные дальше по направлению ветра районы осадков не получают. Описанные явления происходят при воздействии на внутримассовую облачность типа St, Sc, As, не дающую осадков естественным путем.

3.4 При наличии притока водяного пара в облачный слой (за счет восходящих движений воздуха) интенсивность и количество искусственных осадков увеличиваются и определяются скоростью притока и концентрацией искусственных ледяных частиц. Интенсивность искусственных осадков возрастает с ростом интенсивности естественных осадков практически во всем диапазоне ее значений (до 2 мм/ч). Слой дополнительных осадков может достигать 5 мм и более за 10 ч воздействия. При этом дополнительные осадки выпадают из засеянного слоя облачности в течение в среднем около 2 ч, так что протяженность территории их выпадения равна в среднем расстоянию 2-часового переноса облачности ветром. Описанные явления происходят при воздействии на фронтальные (циклонические) облачные системы Ns-As.

3.5 По данным ЦАО [1], полученным с помощью микроволновых радиометров, потенциальные возможности увеличения осадков, например, в течение холодного периода года в Москве составляют от 30 до 45% от естественной суммы осадков за этот же период.

По данным экспериментальных исследований ЦАО 1981-1985 гг. на Пензенском полигоне [2], предельно возможное увеличение сезонной суммы осадков зимой также составляет 35%, однако на практике обычно достигаются меньшие значения, как правило, до 20%. Последнее связано с техническими трудностями засева всех пригодных для воздействия облачных систем.

По оценкам специалистов УкрНИГМИ [3], засев всех пригодных для воздействия зимних облачных систем Ns-As в степной части Украины также позволит увеличить сезонную сумму осадков на 35%.

Внутримассовые облака St, Sc, As пригодны для воздействия на протяжении большей части времени их существования.

3.6 В качестве общих критериев пригодности слоистообразных облаков для АВ с целью ИУО принято считать следующее сочетание их характеристик и параметров:

- облачный слой (или хотя бы некоторая его часть) по своему фазовому составу должен быть капельным или же смешанным (капельно-кристаллическим);

- максимальная температура засеваемого облачного слоя не должна превышать температурного порога активности используемых для засева реагентов;

- вертикальная мощность засеваемого облачного слоя в общем случае должна быть не менее 300 м;

- высота нижней границы облаков, как правило, не должна превышать 1500 м.

3.6.1 При использовании в качестве реагента гранулированной твердой углекислоты CO ("сухого льда") облачные системы Ns-As пригодны для воздействия, если в них присутствуют слои капельного или смешанного (капли и ледяные частицы) строения с температурой во всем слое не выше минус 4 °С. При использовании для воздействий йодистого серебра температура должна быть не выше минус 7 °С. При этом облачные слои могут быть не сплошными (иметь разрывы горизонтальной протяженностью до 2 км).

3.6.2 Облачные слои St, Sc, As пригодны для воздействия твердой углекислотой, если они имеют капельное или смешанное строение с температурой во всем слое не выше минус 4 °С (не выше минус 7 °С для йодистого серебра), а вертикальная мощность и высота нижней границы слоев соответствуют следующим значениям:

3.7 Для достижения максимального увеличения осадков за период воздействий необходимо производить засев облачных систем, дающих естественные осадки, а также систем, не дающих естественных осадков, но имеющих вертикальную мощность слоев не менее 500 м. Решение о засеве остальных пригодных для воздействия облачных систем принимается исходя из сложившихся условий увлажнения района (низкие значения осеннего влагозапаса почвы, отсутствие снежного покрова и т.д.).

     4 Материалы и технические средства для воздействий на облака     

     4.1 Льдообразующие реагенты

4.1.1 В качестве реагентов для АВ на слоистообразные облака используются гранулированная твердая углекислота CO ("сухой лед"), йодистое серебро AgI и жидкий азот N.

4.1.2 Основным реагентом для воздействия на слоистообразные облака до настоящего времени остается твердая углекислота, имеющая низкую собственную температуру (минус 79 °С), твердая углекислота действует как хладоагент. Ее сбрасывают с самолета в виде гранул, полностью испаряющихся за время своего падения в облаке. При попадании гранулы углекислоты в облачную среду вблизи нее за счет резкого охлаждения создается пересыщение водяного пара и происходит самопроизвольное образование мелких кристаллов льда. Часть этих кристаллов разрушается, удаляясь с воздушными потоками от гранулы, остальные же продолжают расти. За период своего испарения в слоистообразном облаке 1 г твердой углекислоты генерирует 10 кристаллов, которые становятся зародышами частиц осадков. При этом максимальная температура облачной среды, при которой еще образуется близкое к указанному количество ледяных частиц (температурный порог активности твердой углекислоты), равна минус 4 °С. Этим значением температуры ограничивается диапазон облаков, пригодных для воздействия твердой углекислотой.

4.1.3 Еще одним широко распространенным реагентом для АВ на слоистообразные облака является йодистое серебро. Его кристаллическая структура сходна со структурой льда, поэтому при пересыщении водяного пара по отношению ко льду на частицах (ядрах) йодистого серебра происходит сублимация водяного пара, а также замерзание капель, контактирующих с ними. Количество образующихся ледяных частиц зависит от температуры облачной среды и способа диспергирования реагента. При сгорании пиротехнической шашки пиропатрона ПВ-26 с 2-процентным содержанием йодистого серебра при температуре минус 10 °С образуется  ледяных частиц. Максимальная температура, при которой в облаке генерируются ледяные частицы в количестве, достаточном для заметного влияния на процесс осадкообразования (температурный порог активности для йодистого серебра), равна минус 7 °С. Остальные условия пригодности облаков для воздействия те же, что и при использовании твердой углекислоты.

4.1.4 Применение жидкого азота для засева облаков при АВ с целью ИУО также основывается на использовании его низкой температуры (ниже минус 90 °С) для глубокого охлаждения облачной среды с переохлажденными каплями, при котором происходит генерация мелкодисперсных ледяных частиц. При этом в отличие от засева гранулами твердой углекислоты генерация ледяных частиц происходит не во всей толще засеваемого облачного слоя, а лишь вдоль трассы полета самолета, на котором установлено устройство диспергирования (сброса). Поэтому такой метод пока используется на практике лишь для засева относительно тонких переохлажденных облачных слоев или как дополнительное средство при засеве облаков йодистым серебром или твердой углекислотой. Одновременно продолжаются работы по созданию метода объемного засева облаков на основе использования жидкого азота.

Важными достоинствами метода засева облаков с использованием жидкого азота являются его наиболее высокий среди всех реагентов температурный порог активности, составляющий около минус 0,5 °С, и абсолютная экологичность.

     4.2 Технические средства

4.2.1 Для внесения реагентов в облака используются самолеты, оборудованные соответствующими техническими устройствами и приборами.

Засев облаков с самолета твердой углекислотой выполняется с помощью специальных устройств через предусмотренные для этого отверстия в виде шахт в корпусе самолета. В разные периоды для этого использовалось несколько видов экспериментальных автоматических устройств, обеспечивающих дозированный сброс в облака гранул CO  с расходом от 0,1 до 10 кг/мин. Гранулы с размерами от 0,2 до 2,0 см получают непосредственно на борту самолета путем дробления загруженных перед полетом промышленных брикетов льда (например, с помощью автоматической дозирующей установки АДГ-1) либо на земле с помощью специальных углекислотных комплексов из промышленной жидкой углекислоты. До начала использования гранулы (или брикеты) хранятся на борту самолета в термоизолированных контейнерах. Диспергирование гранул осуществляется с помощью бункерных или шнековых устройств или специальных дозирующих установок (экспериментальная самолетная дозирующая установке (СДУ) для диспергирования гранул без разгерметизации самолета была, например, разработана для самолета-метеолаборатории ЦАО Ан-26 "Циклон").

При эпизодическом использовании для работ по АВ с целью ИУО арендованных самолетов без специального оборудования сброс гранул CO производится через шахтное устройство вручную, с помощью мерной емкости, обеспечивающей возможность регулирования расхода углекислоты.

4.2.2 Для засева облаков аэрозолем йодистого серебра самолеты оборудуются автоматическими устройствами КДС-155 и АСО-2И, осуществляющими отстрел содержащих йодистое серебро пиропатронов ПВ-50 и ПВ-26 соответственно.

4.2.2.1 Комплект автоматического устройства КДС-155, предназначенного для отстрела пиропатронов ПВ-50, включает в себя 4 кассетных держателя патронов по 15 стволов в каждом (всего 60 стволов), пульт управления и распределительное устройство. В устройстве предусмотрена возможность ручного и автоматического управления отстрелом пиропатронов в следующих режимах: