О регулировании климата

Проблема регулирования климата на Земле пока не рассматривается в практическом плане, тем не менее, этот вопрос всё острее будет ставиться по мере роста народонаселения с одной стороны и увеличения технических возможностей человечества с другой. В этой связи познание проблемы, дискуссия всех её аспектов представляется своевременной.
Возможно несколько направлений в изыскании путей регулирования климата. К числу «простых механических решений» можно отнести создание систем для транспортировки теплого  влажного воздуха из тропиков в средние и полярные широты, сооружение заградительных препятствий для спонтанного спорадического проникновения холодных ветров из полярных областей, изменение направления течение рек и морских течений, транспортировка айсбергов в субэваториальные широты с повышенным атмосферном давлением и низкой влажностью.
Существенный интерес могут представлять физико-химические  методы. Распыление веществ, являющихся искусственными зародышами образования капель воды, дождя находит практическое применение уже сегодня. Возможна постановка вопроса о локальном или глобальном изменении состава атмосферы с целью усиления  или подавления парникового эффекта. Большую роль могут приобрести биологические методы. К естественным процессам саморегулирования состава атмосферы за счет лесов, могут добавляться методы, вовлекающие деятельность быстроразмножающихся водорослей, микроорганизмов. Однако одной из наиболее вероятных возможностей в регулировании климата является использование эффекта гидростатической неравновесности (нестабильности) атмосферы.
Падающие солнечные лучи со средней длиной волны 0,55 мкм (КВ – излучение) слабо поглощаются атмосферой и в основном взаимодействуют с земной поверхностью, вызывая её разогрев. Повышение температуры поверхности суши и океанов приводит в свою очередь к нагреву слоя атмосферы, прилегающего к земной поверхности за счёт переизлучения но уже лучей с длиной волны 10 мкм (ДВ –излучение), которые хорошо поглощаются атмосферой,  а также за счёт  конвективного теплообмена и поступлений в атмосферу  нагретых паров воды.
Таким образом, в атмосфере образуется слой нагретого и поэтому потенциально низкоплотного воздуха внизу и слой холодного потенциально высокоплотного воздуха вверху. Такая система гидростатически нестабильна и при определённых местных возмущениях (флуктуациях) теряет свою устойчивость, приводя к возникновению циклонов, ураганов, т.е. к циркуляции, перемешиванию, выравниванию неравномерности параметров атмосферы. Существо гипотезы состоит в том, что предлагается использовать гидростатическую нестабильность атмосферы с  тем , чтобы при сравнительно небольших затратах материальных ресурсов направлено регулировать климат а отдельных районах или даже глобально в рамках всего земного шара.
               

Рис. 19.1. Энергетический баланс земной поверхности и атмосферы.
Из общего объёма падающей на земную поверхность солнечной (КВ- излучение) радиации 342 Вт/м2 30% отражается в мировое пространство (альбедо Земли) и 237 Вт/м2 поглощается Землей, как планетой. На рис. 19.1 схематично изображен энергетический баланс, заимствованный из статьи МИ Будыко [1]. Из указанной величины 157 Вт/м2 (66%) КВ – излучения поглощается поверхностью Земли и 80 Вт/м2 (34%) атмосферой. Принимается, что поглощаемая поверхностью Земли энергия расходуется на ДВ –излучение в мировое пространство – 52 Вт/м2, испарение воды в атмосферу -86 Вт/м2  и конвективный нагрев атмосферы – 17Вт/м2. ДВ – излучение земной поверхности, поглощаемое атмосферой, уравновешивается ДВ – противоизлучением атмосферы. Суммарно атмосфера получает энергию в количестве 185 Вт/м2, которую в виде ДВ – излучения отдает в пространство.
Для рассматриваемой проблемы наибольший интерес представляют перенос энергии от земной поверхности в виде испарившейся воды (88 Вт/м2) и конвективный теплообмен между земной поверхностью и атмосферой. Оба эти энергоисточника реализуются в нижних слоях тропосферы, и является основной причиной гидростатической неустойчивости атмосферы. Подсчитано [2], что в каждый данный момент в атмосфере точнее в слое высотой 5 км, содержится 12,4 тыс. км3 парообразной воды, а ежегодный кругооборот «испарение-конденсация» составляет 5,2.10 14 т воды.
Учитывая, что при каждом цикле испарение – конденсация объем изменяется в 1250 раз, можно себе представить каким мощным источником циркуляции атмосферы является испарение воды в атмосферу. С наибольшей эффективностью этот перенос реализуется над поверхностью океанов, где в течение года испаряется слой воды высотой 1,5 м, тогда как для поверхности материков эта величина составляет в среднем 0,24 м. Расход энергии на конвективный нагрев нижних слоёв тропосферы в 5,2 раза меньше. Кроме того, в этом случае изменение объёма воздуха происходит за счет цикла «нагрев – охлаждение», что менее эффективно. Тем не менее, этот процесс вносит свой существенный вклад в гидростатическую нестабильность и мощность циркуляции атмосферы.
Речь идёт о том, каким образом «обуздать» рассмотренные движущие силы циркуляции атмосферы, превратить их из беспорядочно протекающих процессов в регулируемые, управляемые.
Одним из возможных вариантов регулирования гидростатической нестабильности, организованного ее снятия может быть применение циркуляционных высоких труб с большим диаметром, по типу дымовых или вентиляционных труб, применяемых  в теплотехнике и химической промышленности. Предполагается, что через такие трубы самопроизвольно будет выбрасываться нагретый влажный воздух за счёт разности давлений, возникающей на входе и выходе на трубы из-за меньшей плотности нагретого воздуха и конденсации паров воды.

               

Рис. 19.2. Циркуляционная труба для выравнивания гидростатической неравновесности в атмосфере: 1 – стенка трубы, 2 – ветряной электрогенератор, 3 – подсос теплого влажного  воздуха, 4 – поток воздуха в трубе, 5 – факел, 6 –сконденсировавшиеся пары воды (облака).
На рис. 19.2 дается схематичное изображение циркуляционной трубы для выравнивания гидростатической неравновесности атмосферы. Труба имеет стенки (1) высотой 250-500 м. Её диаметр 100-500 м. В нижней части трубы установлены вентиляторы (2), которые способны работать в двойном режиме. При запуске трубы, как вентиляторы, для того чтобы вытеснить из трубы холодный воздух и заменить его теплым воздухом с повышенной влажностью. При установившемся режиме, как ветряные генераторы электрического тока. При пуске трубы теплый влажный воздух, с давлением  ;0 и температурой T0 засасывается вентиляторами в трубу, вытесняя из неё холодный воздух. После заполнения трубы теплым воздухом за счёт разности плотностей теплового воздуха в трубе и окружающего воздуха, выражаясь языком теплотехников, в трубе возникает тяга, т.е. разность давлений ; ;, равная произведению высоты трубы h на разность плотностей теплого воздуха в трубе и окружающего холодного воздуха:
; ; =h(; 2- ; 0)
При определении p2 необходимо иметь в виду высоту факела (5) над трубой, который при диаметре труб 100-500 м в 5-10 раз  превышает диаметр трубы. Следовательно, выброс идет на высоту 2-5 км и поток теплого воздуха из трубы имеет такую высоту, т.е. в формуле 19.1 вместо h необходимо брать величину в 5-10 раз большую. Перепад давления увеличивается за счёт конденсации паров воды по мере подъёма и охлаждения факела, которое завершается на высоте 2-6 км образованием облачности (6).
При переключении вентиляторов на режим работы ветряных электрогенераторов основная часть сопротивления приходится на генераторы и после них устанавливается давление (разрежение) p1, которое достаточно для преодоления сопротивления трубы и факела. Примем, что перепад давления поровну распределяется на генератор и трубу и выполним оценочный расчет возможной мощности электрогенераторов. Труба имеет диаметр 250 м и высоту 500 м. Скорость воздуха в трубе 5 м/с. В теплотехнических расчётах дымовых труб обычно принимает скорость в пределах 5-20 м/с. Расход воздуха составит:
; = sv=(;d2/4)/v = (3,14(250.102)2/4).5.102 = 2,45.1011см3/с
Примем, что выброс происходит на высоту 3 км. Температура нагретого воздуха 200С, перепад температур 500С. Перепад давления за счёт разности температуры (плотности) воздуха равен:
;p=hф(p2-p0) = 3.105(1,45.10-3-1,20.10-3) = 75 бар (0,74.10-6атм)
Здесь hф- высота выброса (высота трубы плюс высота факела), равная 3 км, ;2- плотность воздуха при минус 300С, равная 1,45.10-3 г/см3, ;0-плотность воздуха при температуре 200С, равная 1,20.10-3 г/см3,
Далее примем, что теплый воздух имеет относительную влажность 80%. При 200C в соответствии с теплотехнической диаграммой i-d (теплосодержание –влагосодержание) такой воздух имеет влагосодержание 12 г на 1 кг сухого воздуха. Парциальное давление водяного пара воздуха равно 0,018 ат или 1,9.104 бар. После выхода воздуха из трубы в факеле происходит охлаждение и конденсация паров воды и давление падает на величину близкую к значению парциального давлении водяного пара, т.е. перепад давления вследствие конденсации примерно равен ;pк = 1,9.104 бар. Эта величина несопоставимо больше перепада давления, вызываемого разной плотностью теплого и холодного воздуха.
В соответствии с принятым исходным условием только 50% перепада давления, т.е. 0,95.104 бар расходуется на вращение ветряных электрогенераторов. Учитывая, что через них проходит объём воздуха q=2,45.1011 см3/с,  мощность электрогенераторов может быть оценена величиной порядка:
W=(p0-p1)q=0,95.104.2,45.1011=2,33.1015эрг/с=0,23.106кВт
Для тропиков, где влагосодержание при температуре 350С и относительной влажности 90% достигает 3 %, перепад давления при конденсации достигнет 0,046 атм или 4,7.104бар. Мощность генераторов при этом возрастает до 1,08 млн. кВт.
Для изменения климата при работе циркуляционной трубы появляются две возможности. Первая – в окружающем пространстве создается заметное разряжение, что позволит организовать направленный и регулируемый поток воздуха из одного региона в другой. Вторая –конденсируемая влага вызывает образование облачности, что позволит регулировать количество осадков и солнечную радиацию.
Рассчитаем продолжительность работы циркуляционной трубы ;, в течение которой в окружающем пространстве радиусом 10 км и высотой 0,5 км (высота трубы) атмосферное давление упадет с 760 до 730 мм.рт.ст., т.е. когда можно ожидать сдвига атмосферной обстановки в значительном регионе:
; = Q(;p/p)(1/q)=157.1015.(30/760).1/2,45.1011=2,52.104с или 7,03 часа
Здесь Q – объём воздуха в окружающей зоне радиусом 10 км и высотой 0,5 км,
;p – перепад атмосферного давления,
p -  исходное атмосферное давление,
q – секундный расход воздуха через циркуляционную трубу.
Как видно из полученного результата, уже через 7 часов работы циркуляционной трубы в окружающей зоне создается циклоническая обстановка, но в отличие от природной она управляема. Управление может производиться числом включенных генераторов, а также созданием систем циркуляционных труб, последовательность включения которых может обеспечить перемещение атмосферного воздуха в необходимых объемах в заданном направлении.
Особенно большее значение рассматриваемый способ регулирования климата может иметь для решения проблемы ураганов. Их разрушительная сила связана с накоплением большого потенциала нестабильности вследствие образования в нижних слоях атмосферы значительных объёмов теплого влажного воздуха, который потенциально при охлаждении вследствие конденсации может вызвать резкий перепад давления. Причем влажный воздух, обладая повышенной плотностью, способствует более сильному накоплению потенциала будущего урагана, т.к.  более устойчив к различного рода флуктуациям, способствующим прорыву влажного воздуха в верхние слои атмосферы. Циркуляционная труба описанного типа выполняет роль такой флуктуации. Она «разряжает» ураган до его появления тем, что еще при сравнительно небольших количествах влажного теплого воздуха дает ему возможность выйти в верхние слои атмосферы. Образно выражаясь, ураган на ранней стадии своего зарождения загоняется в трубу.
Высказанные в этом разделе идеи были сформулированы в 1979 -80 г.г. и изложены в письмах в журнал «Техника молодежи» и газету «Правда». В письмах в частности говорилось: «Атмосфера гидростатически неустойчива. Благодаря солнечной радиации нагреваются нижние слои воздуха, который становится легче и стремится подняться вверх. Следствием стремления к достижению гидростатического равновесия являются циклоны, ураганы. На это затрачивается основная часть энергии получаемой Землей от Солнца. Достижение гидростатического равновесия происходит стихийно, неравномерно на разных участках земной поверхности.
Представляется интересным рассмотреть возможность искусственного направленного достижения гидростатического равновесия посредством достаточно больших по размерам вертикальных труб, аналогичных по принципу действия обычным дымовым трубам, но имеющим диаметр 0,2-1,5 км , а высоту 0,5 -1,5 км. В стенке трубы укреплены лопастные ветряные генераторы электроэнергии. Труба наполняется теплым воздухом. Он поднимается вверх, а через лопастные ветряные двигатели подсасывается теплый воздух с окружающей поверхности. Таким образом, ураган становится регулируемым. Его можно возбудить, когда не созреют грозные разрушительные силы, т.е. не произойдет чрезмерный перегрев воздуха и разность потенциалов не будет слишком велика.
Трубы с ветреными электрогенераторами, по-видимому, можно установить и в уверенном климатическом поясе. Если таких установок несколько, то они могут создать разряжение в целом регионе и вызвать приток влажного воздуха, который даст осадки. А кроме того, каждая установка будет давать электроэнергию. Её мощность , видимо, будет соизмерима с гидростанцией».
Реакция редакции журнала «Техника молодёжи» была положительной. В письме от 10.04.1979 г. редактор отдела промышленности Ю.Юша писал: «Мы получили Вашу заметку о проекте ветровой электростанции. Идея нам представляется любопытной, возможно в каком-то номере журнала мы опубликуем Ваше предложение «Правда, до публикации дело так и не дошло.
Выводы по главе. Возникающая в атмосфере гидростатическая нестабильность, вызванная преимущественным нагревом нижних слоев атмосферы, может быть использована для регулирования климата и получения электроэнергии путем применения циркуляционных труб диаметром 100-500 м высотой 250-500 м, через которые нагретый влажный воздух выбрасывается в верхние слои атмосферы. При этом происходит падение атмосферного давления и образование облачности, которые могут использоваться для направленного перемещения воздушных масс и образования осадков. Применение циркуляционных труб в тропиках может предупредить образование ураганов. Использование воздушного потока через циркуляционную трубу для вращения ветряных электрогенераторов дает мощность 0,2-1,0 млн кВт.
Литература
1. Будыко М.И., Физическая энциклопедия, 1988, М., Изд. Советская энциклопедия» т.1, с. 133-136.
2. Дернгольц В.Ф., Мир воды, Ленинград, Изд. «Недра», 1979, с. 94