ТУШЕНИЯ ЛАНДШАФТНЫХ ПОЖАРОВ ПУТЁМ ИСКУССТВЕННОЙ КОНДЕНСАЦИИ ВОДОСОДЕРЖАЩИХ АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ Кустов М.В.

The necessary condition to extinguish a big landscape fire is to ensure a supply of a large amount of extinguishing substance (generally water) with sufficient intensity. As the size of such fires is great, providing this condition by means of existing technical means presents a difficult task. The Earths atmosphere contains enough water as an extinguishing substance. As natural precipitation during fire elimination over a zone of burning is not very probable, the question of artificial initiation of a precipitation is an actual problem. One way to solve this problem is the initiation of the process of creation of the electrically charged condensation kernels (ions) in the atmosphere at the expense of influence of the electromagnetic microwave radiation. Proceeding from it, one of the problems which is the subject to resolution, research of kinetics of different types of interpartial interactions of ions with water molecules in various power states and influence of these interactions on drop formation process in the atmosphere with various humidity. SUPPRESSIONS OF LANDSCAPE FIRES BY MEANS OF ARTIFICIAL CONDENSATION OF ATMOSPHERIC AEROSOLS CONTAINING WATER Kustov Maksim

Suppression of a large landscape fire requires 3-5 thousand tons of water. As often forces and funds for suppression don't suffice, all actions are directed not on suppression but on localization of these fires. Thus, at humidity of 60% the atmosphere contains 0,01 ton/m 2, and in cloud formations up to 0,2 ton/m 2. A present day, method for artificial stimulation of a precipitation formation in the necessary area has spread. It consists of strewing clouds with chemically active kernels of condensation (iodine salt) by means of aircraft. Proceeding from it in the technique to strewing clouds in this way at suppression of forest fires is developed. However the way to strew clouds with chemical agent requires the use of expensive equipment (planes) and has a number of restrictions on a cloud moisture content, temperature, weather condition for aircraft to work, etc. For precipitation formation intensification we offer to create the ionized area over a fire extinguishing zone by impact of the electromagnetic microwave radiation on the atmosphere. However drop formation processes under such conditions significantly depend on humidity and atmosphere temperature. The vapor condensation kinetics on kernels, depending on these parameters however considering of the role of loaded kernels in these works only the influence electrostatic forces on saturation pressure over a kernel surface is considered. Whereas intermolecular interaction, in this case, becomes a defining factor of physical and chemical process of condensation.

Часть 1 Влияние метеоусловий на развитие ландшафтных пожаров

Скорость ветра почти полностью определяет контур пожара. Чем сильнее ветер, тем более будет вытянут контур по его направлению. Существенно увеличивает площадь пожара изменение направления ветра в период активного горения. Так на рисунке представлено посуточное распределение скорости ветра на территории харьковской области за 2010 год, полученное с метеостанции «Харьков - #34300» (49°56'N 36°17'E).

Влияние скорости ветра на скорость распространения пожара в зависимости от вида пожарной нагрузки: 1 – пожар в степи; 2 – лесной низовой пожар; 3 – лесной верховой пожар.

Влияние влажности воздушной среды на скорость распространения пламени при постоянной влажности образцов и скорости ветра. 1 – торф; 2 – степная трава; 3 – ветки сосны вертикальные; 4 - древесина вертикальная; 5 – ветки сосны горизонтальные; 6 – древесина горизонтальная

Распределение влажности и скорости ветра по месяцам 2010 года

Схема лабораторной камеры: 1 - камера; 2 – ультразвуковой диспергатор жидкости; 3 - датчик гигрометра; 4 – образец; 5 – горелка; 6 – вентилятор Для экспериментального исследования влияния метеорологических факторов на параметры распространения пожара создан лабораторный стенд

Внешний вид лабораторной камеры: 1 - камера; 2 – ультразвуковой диспергатор жидкости; 3 - датчик гигрометра; 4 – образец; 5 – горелка; 6 – вентилятор

а)б) Образцы в камере: а) древесина; б) степная трава

Влияние влажности образца торфа и скорости ветра на скорость распространения горения при постоянной влажности воздушной среды

Часть 2 Условия прекращения горения ландшафтных пожаров при воздействии атмосферных осадков

Уравнение теплового баланса для определения количества тепла, которое необходимо отвести с поверхности горючего материала, согласно, имеет вид: - удельное количество теплоты, которое необходимо отвести от единицы поверхности для прекращения процесса горения, Дж·м -2 ; - время тушения, с; - удельная интенсивность лучистого теплового потока от факела пламени, Дж·м -2 ·с -1 ; - удельная интенсивность конвективного теплового потока от факела пламени, Дж·м -2 ·с -1 ; - удельное количество тепла, которое запасено в слое ЦРТГМ, прогретом выше температуры пиролиза, Дж·м -2. Минимальное время тушения не может быть меньше некоторой величины, условно названой временем инерции (τ ин. ). Определение необходимой интенсивности подачи воды производим по известным эмпирическим моделям

Графики зависимостей расхода воды G на тушение различных классов ландшафтных пожаров: 1 – лесные верховые пожары; 2 – лесные низовые пожары; 3 – степные пожары; 4 – торфяные пожары

Характеристики атмосферных осадков Виды осадков Интенсивность, кг·с -1 ·м -2 Влагозапас, кг·м -2 Средний диаметр капель, мм Морось 0, ,2-0,3 Обложные ,3-0,7 Ливневые ,7-1 Вынос капель из зоны горения происходит в случае, когда скорость восходящих потоков превышает скорость полёта капли. Критической скоростью, является скорость витания: где, g – ускорение свободного падения, м·с -2 ; d к – диаметр капли осадков, м; ρ к – плотность капли воды, кг·м -3 ; ρ г – плотность воздуха, кг·м -3 ; С х – коэффициент лобового сопротивления (при 2·10 5 > Re>500 С х = 0,44; при 500 > Re > 2 С х = 18,5·Re -0,6 ).

Сравнительная диаграмма скорости витания капель при различных осадках и скорости восходящих конвективных потоков: 1 – лесные верховые пожары; 2 – лесные низовые пожары; 3 – степные пожары; 4 – торфяные пожары

При тушении лесных верховых пожаров при любой интенсивности осадков будет происходить снос капель восходящими конвективными потоками, также достаточно редко в природных условиях реализуется необходимая интенсивность осадков для тушения лесных низовых пожаров. Таким образом, обобщая полученные выше данные, можно сделать вывод, что тушение лесных верховых и низовых пожаров осадками с низкой и средней интенсивностью не будет реализовываться непосредственным воздействием на процесс горения, а происходит за счёт локализации зоны пожара при увлажнении горючего материала по периметру горения

Часть 3 Физико-химические основы осадкообразования в атмосфере

Степень пересыщения пара, необходимая для протекания процесса конденсации, будет определяться: 1. Гомогенная конденсация Т – температура воды и пара (в равновесном состоянии Т В =Т П =Т), К; L – удельная теплота конденсации (парообразования), Дж/кг. S 0 – степень пересыщения пара относительно давления насыщения при 0 0 С; М – молярная масса воды, М = 0,018 кг· моль -1 ; R 0 – универсальная газовая постоянная, Дж·моль -1 ·К -1 ; Р 0 – давление насыщенного водяного пара при 0 0 С, Р 0 = 610,78 Па; Т 0 = 273,15 К. 2. Конденсация на жидкой капле r – радиус капли (ядро конденсации), на которую конденсируется пар, м; σ – коэффициент поверхностного натяжения, Дж·м -2. k – постоянная Больцмана, k = 1,38· Дж·К -1 ; N A – число Авогадро, NA = 6,022·10 23 моль -1 ; ρ – плотность воды, кг·м -3.

σ – коэффициент поверхностного натяжения раствора, Дж·м -2 ; ρ k – плотность капли раствора, кг·м -2 ; r – радиус капли раствора, м; m – масса соли, растворённой в капле, кг; ρ k – плотность воды, кг·м Конденсация пара на нерастворимом ядре (пыль, сажа и др.) r я – радиус ядра конденсации (пылинки), м; σ я-к и σ я-п – коэффициенты поверхностного натяжения на границах ядро- конденсат и ядро-пар соответственно, Дж·м -2. h – толщина плёнки воды на поверхности ядра, м; l – корреляционная длина в образующейся вокруг ядра плёнке, м. 3. Конденсация на жидкой капле солевого раствора

q – заряд ядра конденсации, Кл; ε – относительная диэлектрическая проницаемость атмосферы; ε 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, ε 0 = 8,854· Ф·м -1 ; r q – радиус заряженного ядра, м. 5. Конденсация пара на заряженной жидкой капле Энергия взаимодействия иона (O 2 + ) и диполя, которой является молекула воды, определяется выражением: q и – заряд иона, Кл; μ в – дипольный момент молекулы воды, Кл·м; l – расстояние между ионом и диполем, м; θ – угол, образованный осью между ионом и центром диполя и осью диполя. Расчёт не соответствует экспериментальным данным – необходимо учесть межмолекулярное взаимодействие

Как показали расчёты, учёт ион-дипольного взаимодействия существенно снижает расчётное значение критической степени пересыщения при конденсации на ионах, поэтому расхождение между теоретическим расчётом и экспериментальными данными снижается. 6. Конденсация пара на заряженной жидкой капле с учётом ион-дипольного взаимодействия

Образовавшийся ион/ первичная молекула Потенциал ионизации Е i, eV N 2 + /N 2 15,581±0,008 N + /N 2 14,5341 O 2 + /O 2 12,0697±0,0002 O + /O 2 13,6181 H 2 O + / H 2 O12,621±0,002 CO 2 + /CO 2 13,777±0,001 Ar + /Ar15,759±0,001 Kr + /Kr13,999±0,00001 Из основных компонент воздуха атмосферы Земли наименьшей степенью ионизации обладает кислород Потенциалы ионизации основных газов атмосферы

Уравнение движения падающей капли имеет вид: - скорость воздуха, м·с -1 ; ρ а - плотность воздуха, кг·м -3 ; ν а – коэффициент кинематической вязкости воздуха, м 2 ·с -1 ; - ускорение свободного падения, м·с -2 ; С f - коэффициент формы (в реализуемом в данной работе случае капель сферической формы С f = 0,47); - масса капли, кг; ρ w – считающаяся постоянной плотность воды, кг·м -3. испарение в приближении пограничного слоя описывается соотношением R = 8,314 Дж моль -1 К -1 - универсальная газовая постоянная; μ w = 18·10 -3 кг·моль -1 - молярная масса воды; P(z) – общее атмосферное давление на данной высоте z, Па; - среднее (более-менее произвольное, в модели среднее арифметическое между T d и T a ) значение абсолютной температуры газовой среды в диффузионном прикапельном слое, К.

D – коэффициент диффузии водяного пара в воздухе, м 2 ·с -1 ; s – относительная влажность воздуха на большом удалении; Er, Е - давление насыщения водяного пара у поверхности капли и на достаточно большом расстоянии соответственно, Па; Tr, Т - температура капли и пара на достаточно большом расстоянии соответственно, К. При влажности воздуха меньше 22% для капли воды и 20% для твёрдой пылинки даже при значительном заряде ядра будет происходить испарение жидкости с поверхности ядра. Следует отметить, что для твёрдой частицы влияние скорости осаждения влаги от заряда ядра проявляется более существенно. Если при малом значении заряда ядра скорость осаждения для твердой частицы более чем в 3 раза меньшая по сравнению с водой, то при больших зарядах ядра скорости осаждения практически совпадают, что говорит о доминирующей роли электростатического поля на конденсацию влаги.

Влияние заряда ядер конденсации и влажности воздуха на скорость роста капель: 1 – J = 0 кг·с -1 ; 2 – водяные капли (r = м); 3 – твёрдые частички пыли (r = м).

Система дифференциальных уравнений решалась численно. - Температуры капель t d и воздуха t a на высотах 950, 450 и 50 м

Определение размера кластера на первичном ионе кислорода где r кл – радиус кластера воды, сформировавшегося на ионе, м. Полученное решение согласуется с положениями теории Дебая-Хюккеля. Граничные условия уравнения для рассматриваемого в работе случая запишутся как: где r 0 – радиус иона, м. Дополнительным граничным условием является критическая напряжённость поля, при которой молекулы воды за счёт диполь-дипольного взаимодействия образуют молекулярные мостики, что и приводит к росту кластера в соответствии с уравнением: где α в – поляризуемость молекулы воды. Уравнение решали методом Монте-Карло по стандартному алгоритму Метрополиса с помощью программного обеспечения HyperChem. По результатам расчётов для Т=273 К радиус водяного кластера на ионе составляет 0,137 мкм. Таким образом, учитывая, что критический радиус жидкой капли для протекания конденсации пара на её поверхности составляет порядка м (r кр < r кл ), образование аквакомплекса на ионе позволяет перейти первичный энергетический барьер образования жидкой капли. решение уравнения Пуассона в виде:

Часть 4 Образование искусственной ионизированной области в атмосфере

Длительность импульсов и их частота повторения определяется балансом частоты ионизации и частот рекомбинации, выноса частиц и диффузии: где: f i – частота ионизации, с -1 ; f rek – частота рекомбинации ионов, с -1 ; f rel – частота релаксации электронов, с -1 ; f а – частота прилипания ионов к нейтральным молекулам и к твёрдым и жидким частицам аэрозолей, с -1 ; V w – скорость ветра, м·с - 1 ; D a – коэффициент амбиполярной диффузии, м 2 ·с -1 ; h – эффективная толщина ионизированного слоя, м. Спектр поглощения для кислорода имеет резонанс в двух областях при длине волны λ 0,5 см и λ 0,252 см. Использование СВЧ излучения с такой длиной волны может привести к сильному ослаблению и при этом коэффициент поглощения достигает 5 км -1. Соответственно большая часть энергии излучения будет поглощаться в нижних слоях тропосферы и для тепловой ионизации кислорода на высоте 1-5 км потребуется СВЧ излучение с высокой энергией. Соответственно ионизация кислорода будет происходить за счёт бомбардировки нейтральной молекулы быстрыми электронами. Для кислорода, обладающего наименьшим потенциалом ионизации среди основных компонент атмосферы, необходимая скорость электрона для единичного акта ионизации определяется по выражению: - скорость электрона, достаточная для ионизации кислорода, м·с -1 ;

- энергия ионизации кислорода, Дж; – масса молекулы кислорода, кг, и составляет = 7,8 · 10 8 м·с -1. Зависимость скорости электронов v e от времени воздействия СВЧ излучения τ при различной напряжённости поля Е 0 : 1 – Е 0 > Е 0i ; 4 – v e = v ei.

Изменение скорости электронов подстраивается под частоту излучения и падает со временем за счёт соударений с нейтральными молекулами и в последующем выходит на стационарный режим колебаний. Использование в целях интенсификации осадкообразования СВЧ излучения с напряжённостью поля, недостаточной для ионизации (кр. 1), нецелесообразно, так как при сколь угодно большом времени воздействия искусственная ионизация происходить не будет. Для воздуха при излучении с длиной волны 3 см Е 0i 0,05 кВ·м -1. При условии Е 0 Е 0i (кр. 2), минимальное время импульса соответствует первому пику по частоте излучения, однако с точки зрения технической реализации время импульса должно быть больше времени первичного пика напряжённости поля и лежать в пределах τ i (рис. 1). При высокой напряжённости поля (кр. 3) даже с учётом торможения электронов о нейтральные молекулы их скорость в любой момент времени достаточна для ионизации газа происходит многоэтапная ионизация. Для рассматриваемого нами варианта на высоте 1 км при длине волны излучения 3 см такая критическая напряжённость поля составляет 114 кВ·м -1.

Продолжительность импульса и период между импульсами при некоторых параметрах СВЧ излучения на высоте 1 км Е 0, кВ·м -1 f, ГГцτ i, нсТ і, мс 0,110 4,7 0,12,45153, ,3

Схема лабораторной установки для моделирования процессов в атмосферных аквааэрозолях: 1 - ультразвуковой диспергатор жидкости; 2 - лабораторная метеостанция; 3 – лазер; 4 – окно; 5 – фотоприёмник; 6 - отверстие для ввода химических реактивов; 7 - генератор излучения СВЧ диапазона; 8 – контроллер; 9 – разъем для откачки воздуха; 10 – счетчик аэроионов; 11 – блок управления фотоэлектронного умножителя Ионизация молекулярного кислорода в лабораторных условиях

Внешний вид экспериментальной установки: 1 – устройство вывода данных; 2 – ультразвуковой диспергатор; 3 – фотоприемник; 4 – СВЧ камера; 5 – лазер; 6 – колба Бунзена с пересыщенным паром

Кривая рассеяния светового излучения при E 0,5 к Вм -1

Зависимость интенсивности рассеянного света I (кр. 1) и времени осаждения пара τ (кр. 2) от напряженности СВЧ излучения

Выводы Предложенный метод искусственного инициирования осадков с помощью СВЧ излучения позволяет эффективно бороться с крупными ландшафтными пожарами.