Спосіб і пристрій для формування вертикальних повітряно-вихрових потоків

Пропонований винахід відноситься до області геофізики - області фізики земної атмосфери в цілому і метеорології зокрема, - і може бути використане для дослідження і вивчення природних атмосферних явищ, що супроводжуються утворенням вертикальних повітряно-вихрових потоків. Відомі всілякі – природного походження – способи формування вертикальних повітряно-вихрових потоків, що заключаються у впливи на атмосферне середовище таких природних факторів, як перепади температур, тисків, вологості, електричних потенціалів останньої, що приводить до виникнення збурнованих повітряних середовищ у виді вертикальних вітрів, смерч-вихрів (див., наприклад Д.В.Налив кін “Смерчі”, видав. “Наука”, М., 1984, стор.3444), смерчів, торнадо, тайфунів, циклонів та їм подібних. Найближчим аналогом способу формування повітряно-вихрових потоків, є спосіб, здійснення якого викликано наявністью природних атмосферних явищ, виникаючих у повітряному середовищі, з послідуючим утворенням вертикальних повітряно-вихрових потоків типу “смерч-вихор”, при цьому формування останніх здійснюється наступним способом природного походження. На суші, або воді, завжди мається яка-небудь найбільш прогріта ділянка поверхні. Ця ділянка починає підігрівати наявний над нею стовп повітря, у результаті чого підігріте повітря спрямовується уверх, створюючи за собою розрідження. У це розрідження з прилеглих периферійних областей починає утягуватись менш підігріте повітря, що, так само підігріваючись, піднімається уверх. З часом все більші і більші маси повітря, що знаходяться на периферії, утягуються в процес. В міру підняття вище, до визначеного рівня, стовп повітря починає прохолоджуватися і конденсуватися у верхніх, холодних шарах атмосфери, з утворенням хмар, дощових опадів, грозових розрядів і так далі. Швидкість повітряних потоків, що піднімаються, максимальна в центрі смерчу, по його вертикальній осі, зменшується в міру віддалення від останньої. За рахунок цього відбувається додаткове звуження смерчу в його «горловині», тобто тиск усередині смерчу - мінімальний, а зовні - максимальний, що погоджується із законом Бернуллі. У процесі свого формування стовп повітря, що піднімається, заряджає повітряні шари негативним зарядом, а земну (водяну) поверхню і нижні шари повітря - позитивним, створюючи визначену різницю потенціалів. Заряди же, переносимі смерч-вихор, утворюються в результаті різниці швидкостей повітряних потоків за рахунок взаємного тертя частинок повітря - пилових або інших включень, що утягуються в процес - друг об друга, при цьому електризація цих часток відбувається зі знаком «мінус». З часом стовп повітря, що піднімається і працює як поршень, усе більш і більш починає здобувати властивості електричного провідника зі струмом, де негативно заряджені частки рухаються в напрямку «уверх» Струм тече як би від земної (водяної) поверхні до визначеного рівня атмосфери, заряджаючи там повітряні шари негативним зарядом, а земну (водяну) поверхню і нижні шари повітря - позитивним, створюючи визначену різницю потенціалів. Уподібнюючись провідникові зі струмом, висхідний повітряний потік утворить навколо себе власне постійне магнітне поле, силові лінії якого, відповідно до правила Максвелла (правила «буравчика»), спрямовані проти годинникової стрілки і закручують - відповідно до правила «лівої руки» - у цьому ж напрямку негативно заряджені частки повітряних потоків, що приймають участь у формуванні вертикального повітряно-вихрового потоку типу “смерч-вихор”. За найближчий аналог пропонованого способу можна прийняти також і спосіб штучного формування вертикальних повітряно-вихрових потоків типу "смерч-вихор", здійснений у 1960-1962 роках французським дослідником Дж. Дессеном у Сахарі і реалізований шляхом вогнево-теплової дії на приземне атмосферне середовище (Д.В.Наливкін, "Смерчі", видав. "Наука", М., 1984, стор.36) з утворенням смерч-вихрів та купчастодощових хмар. Але, природного походження спосіб формування вертикальних повітряно-вихрових потоків типу "смерчвихор" має той недолік, що він, будучи некерованим, реалізується спонтанно, стихійно, в прямій залежності від умов навколишнього середовища, а тому важко доступний для вивчення властивостей і характеристик вертикальних повітряно-вихрових потоків типу "смерч-вихор", які, до того ж, володіють ще і горизонтальним градієнтом швидкості. Вищевказаний спосіб штучного походження має той недолік, що в ньому використовується лише температурний вплив на приземне атмосферне середовище і не береться до уваги увесь спектр факторів, обумовлюючих формування природних вертикальних повітряно-вихрових потоків типу "смерч-вихор". При цьому, реалізація даного способу є надзвичайно витратної, не дає очікуваного ефекту і малопридатна для вивчення властивостей і характеристик розглядуваного атмосферного явища. Суть пропонованого способу формування вертикальних повітряно-вихрових потоків заключається в тому, що він здійснюється штучним шляхом за допомогою спеціального пристрою методом одночасного і тривалого механічного, термічного та електричного впливу на обмежений об’єм повітряного середовища, замкненого і розміщеного в безпосередній близькості від поверхні землі, що давало б сформованому вертикальному повітряно-вихровому потоку нульовий градієнт горизонтальної швидкості і робило б доступним для вивчення його властивостей і характеристик. Відомі механізми - свого роду природні пристрої — формування вертикальних повітряно-вихрових потоків, визначених самою природою, що складаються з цілого набору природних факторів, викликаючих виникнення таких атмосферних утворень, як вертикальні вихрі, смерч-вихрі (Д.В.Наливкін, "Смерчі", видав. "Наука", М., 1984, стор.34-44), смерчі, торнадо, тайфуни, циклони, та їм подібні. Найближчим аналогом пристрою для формування вертикальних повітряно-вихрових потоків є сукупність складових механізму формування природних вертикальних повітряно-вихрових потоків типу "смерч-вихор", за допомогою яких проходить формування останніх і про які говорилось вище. За найближчий аналог пропонованого пристрою можна також прийняти і пристрій, реалізоване французьким дослідником Дж. Дессеном — для здійснення штучним шляхом способу формування вертикальних повітряновихрових потоків типу "смерч-вихор" — за допомогою сорока потужних нафтових горілок, розташованих по кругу (Д.В.Наливкін, "Смерчі", видав. "Наука", М., 1984, стор.36) та формувавших вогнево-димовий вихор з утворенням купчасто-дощових хмар. Але, у першому випадку, механізм формування вертикальних повітряно-вихрових потоків типу "смерч-вихор" обумовлений природним середовищем, і важко доступний для вивчення, а в другому - використовує лише тепловий фактор, без врахування інших, роблячи пристрій дуже дорогим, малоефективним та малоздатним для вивчення розглядуваного атмосферного явища. Суть пропонованого пристрою заключається в тому, що він призначений для формування вертикальних повітряно-вихрових потоків - с нульовим градієнтом швидкості - штучним шляхом за допомогою елементів конструкції, що несуть на собі функції всіх елементів природного формування вертикальних повітряно-вихрових потоків, і складається з конструктивних елементів штучного підігріву невеликої ділянки повітряного середовища, потужної примусової іонізації повітря над нею, і активного вентилювання останнього у напрямку "знизу-вверх", що дозволить проводити експериментальні дослідження властивостей і характеристик вертикальних повітряновихрових потоків в штучно створених стаціонарних умовах. Пропонований винахід пояснюється схемними зображеннями способу і пристрою для формування вертикальних повітряно-вихрових потоків (фіг.1), а так само атмосферних утворень типу «смерч» (фіг.2, 3, 4, 5). Пристрій по пропонованому винаходові, зображений на фіг.1, складається з електроізоляційної, антистатичної труби 1 (із нижнім розтрубом) із розмірами, наприклад, діаметром 2,0м і висотою 5-10м, розміщеної в 1,0-2,0 метрах над поверхнею 2 землі, що несе на собі позитивний заряд «+», могутнього вентилятора 3, що жене потоки повітря 4 біля землі і перетворюючого їх у вертикальні повітряні потоки 5 із негативним зарядом 6, нагрівального елемента 7, електроеффлювіальної люстри 8 із голчастими елементами 9 і могутнього високовольтного перетворювача 10 напруги. На фіг.2, 3, 4, 5 показані схемні зображення смерчів, що трансформувалися зі штучного в природний, де поз. 11 - підігріта ділянка земної (водяної) поверхні; 12 - верхній шар атмосфери, що несе на собі негативний заряд «—»; 13 - магнітні силові лінії вертикального повітряно-вихрового потоку; 14 - північний географічний полюс (південний магнітний полюс) N(S); 15 - південний географічний полюс (північний магнітний полюс) S(N); 16 - холодний «слід» вертикального повітряно-вихрового потоку; N, 0, S, W - частини світла (північ, схід, південь, захід відповідно). Пристрій, за допомогою якого здійснюється спосіб формування вертикальних повітряно-вихрових потоків, працює в наступним чином. У трубі 1, розташованій над земною (водяною) поверхнею 2, приводиться в дію могутній, високошвидкісний вентилятор 3 з обертальним рухом у напрямку проти годинникової стрілки, що жене наземні повітряні потоки 4 уздовж труби 1, уверх, і перетворюючи їх у вертикальні повітряні потоки 5. Ці потоки починають нести на собі негативний заряд 6 унаслідок наступного введення в дію нагрівального елемента 7 і електроеффлювіальної люстри 8 через стікання негативних зарядів з кінців голчастих елементів 9, при цьому електроеффлювіальна люстра одержує живлення від могутнього високовольтного перетворювача 10 напруги. У результаті підбору робочих режимів - вентилюючого, теплового, іонізуючого, з врахуванням існуючих на даний момент атмосферного тиску, вологості повітря, - відбувається місцеве формування штучного, вертикального повітряно-вихрового потоку із закручуванням проти годинникової стрілки й утворенням власного магнітного поля довкола нього. Однак, існує реальна імовірність того, що штучно сформований вертикального повітряно-вихровий потік може трансформуватися в природний із некерованими характеристиками і непередбаченими наслідками. У цьому випадку динаміка його буде наступною. Рухаючись по земній (водяній) поверхні 2 від початкового місця свого формування на ділянці 11 (фіг.2) і поширюючись до верхніх, холодних шарів 12 атмосфери зі швидкостями потоків V1-V5 з утворенням власного магнітного поля 13 (фіг.3), смерч, через існування магнітного поля Землі і правила «лівої руки», буде рухатися на захід «W» із деякою швидкістю V6, що залежить від швидкості протікання зарядів у повітряному стовпі, тобто, від вертикальної складової швидкості руху повітряних потоків. Але, рухаючись у напрямку «W» і, одночасно, закручуючись проти годинникової стрілки, вихровий стовп, відповідно до ефекту Магнуса, повинний додатково здобувати «південну» складову V7 швидкості руху, що погоджується із законами аеродинаміки. Вихровий стовп, закручуючись із швидкістю V9 (фіг.4) і рухаючись у напрямку «W» із швидкістю V6, зазнає з боку повітряного потоку, що набігає із зустрічною швидкістю V10, певний опір. Швидкості V10 потоків, що набігають, і швидкості V9 закручування стовпа з боку південного магнітного полюса віднімаються, а з боку північного складаються. Тому з правої сторони вертикального повітряно-вихрового потоку - в напрямку його руху утвориться підвищений тиск на стовп, а з лівої — знижений. Унаслідок цього він одержує додаткову, «південну» складову V7 (фіг.3, 4) швидкості руху. У такий спосіб смерч повинний рухатися в південно-західному напрямку з результуючою швидкістю V8. На всьому шляху свого проходження смерч утворить за собою «холодний слід» 16 (фіг.5) із переважним напрямком руху на південний захід. Якщо на своєму шляху вихрове утворення не зустріне прогрітих ділянок 11 поверхні, то воно загасає і пропадає. Однак, з огляду на те, що осі географічного і магнітного полюсів Землі не збігаються, і утворюють між собою кут, близький до двадцяти градусів, то в різних частинах світу напрямок руху смерчу може трохи відрізнятися від розглянутого вище: десь воно здобуває північну складову руху, десь прямує строго на захід, і так далі. Але, у будь-якому випадку, у русі вертикального повітряно-вихрового потоку завжди буде переважати західний напрямок. Щоб максимально підсилити ефект закручування вертикального повітряно-вихрового потоку усередині труби, необхідно у всю довжину по її подовжній осі простягнути електричний провідник, пропускаючи через нього постійний струм встановленої в експерименті величини, при цьому нижній кінець електричного провідника розташовується трохи вище електроеффлювіальної люстри і з'єднується з позитивним полюсом джерела постійного струму, а верхній, розташований трохи вище верхнього краю труби, із негативним. Пропонований винахід дозволить робити дослідження і вивчення в експериментальних умовах природних атмосферних явищ, що супроводжуються утворенням вертикальних повітряно-вихрових потоків, із метою зовнішнього впливу на них у плані пошуків шляхів їхнього «гасіння» і додання їм властивостей керованих, що цілком реально. Реалізація вищевказаних шляхів дозволить надалі протистояти смерчам, робити осушення болотистих місцевостей, транспортувати великі вантажі на необхідні відстані, викликати атмосферні опади у виді дощу, боротися з лісовими пожежами, і так далі.