Над всей Россией безоблачное небо

Как я писал в своей программной статье, низкая освещённость России ведёт к более низким температурам (за некоторыми временными локальными учащающимися исключениями) чем у партнёров по шарику. В свою очередь, это ведёт к более низкой урожайности, низкой плотности населения, большим расстояниям, быстрому старению инфраструктурных объектов, неконкурентноспособностью сложных производств, непривлекательности бытовых условий и прочим проблемам.

Непривлекательность российских холода, грязи, пасмурного неба и длинных расстояний с железной закономерностью ведёт к тому что сердца жителей братских народов, сравнивающих условия России с какой-​нибудь южной Францией... или солнечной Калифорнией... всегда будут стремиться к тем у кого больше солнца, свет которого поддерживает жизнь множеством механизмов. В результате этого братские народы с течением времени становятся небратскими, а потом совсем-​совсем небратскими. Постепенного обратного движения - когда небратские народы медленно становились бы братскими - что-​то не наблюдается. Смена политического курса, правда, не ведёт к смене их собственного климата, и регулярно приводит не к смене их образа жизни на калифорнийский или французский, а к регулярным разочарованиям - но России от этого не легче.

Соответственно, я призвал творческую часть населения задуматься над развитием технологий которые должны принести бОльшую отдачу в России, нежели в других странах. А именно, такие технологии должны сконцентрироваться на процессах использования холодного, континентального климата и низкой плотности населения страны ей на пользу в условиях уменьшающихся выработок, отдачи и продаж нефти и газа  для получения конкурентного преимущества перед партнёрами, у которых климат помягче. В этом случае повысится вероятность того, что эта технология обогатит именно Россию - а не переедет к партнёрам, чей мягкий климат приведёт к меньшим транспортным и прочим инфраструктурным издержкам при внедрении этой технологии.

Мало того что северные широты России ведут к низкой освещённости территории (и, соответственно, низким температурам, низкой урожайности и низкой выработке электричества от недавно подешевевшей фотовольтаики) - так из всех северных широт России достались самые облачные. На этом моменте в этой публикации я сегодня задержусь особенно.

Открываем страничку Википедии "Преобладающие ветры" и смотрим на картинку про ветры в планетарном масштабе, которую я воспроизвёл в этой статье на Рис. 2 со своими дополнениями и переработками. Кратко, на экваторе (0-я параллель) солнце греет жарче всего - и там воздух нагревается и поднимается, формируя ячейку Хадли (Hadley cell).

Рис. 2. Преобладающие ветры

На 30-й широте он опускается. При спуске он нагревается  - и осадки из него не выпадают. Ну то есть, конечно, всякое бывает - но в общем на 30-й широте расположено много всяких пустынь. Опускаясь, он затягивает воздух с севера - и вызывает движение воздушных масс соседней ячейки - средних широт (Mid-latitude cell, Ячейка Ферреля). Там воздух идёт по низу до ~ 60-й широты, где он встречается с опустившимся на полюсе совсем холодном воздухе. От такого столкновения воздух поднимается, и дальше, поднявшись, разделяется на среднеширотную и полярную ячейки.

Когда воздух поднимается, он охлаждается. Да ещё тут и смешение с холодным воздухом полярной ячейки. Соответственно, этот самый воздух быстренько становится перенасыщенным водяным паром и пар конденсируется.

Поскольку из-за низких температур содержание водяного пара в атмосфере на 60-й параллели было с самого начала невелико, он легко переохлаждается и конденсируется в виде снега или мелких капель. По закону Стокса, скорость падения шарообразных капель пропорциональна квадрату их радиуса, и для капель с радиусом 10 мкм составляет приблизительно 1 м/ч. Их падение на землю является энергетически выгодным процессом (Е=mgh), однако на то чтобы упасть с высоты 1 км при отсутствии всякого движения воздуха, им, теоретически, нужто затратить целый месяц.  Практически, скорость их падения становится гораздо меньше скорости их переноса с воздушными массами. Такие маленькие капли, вместо того чтобы упасть на землю в виде дождя, переносятся ветром (если таковой есть) или висят над землёй в тучах, отражая в космос солнечный свет. То есть, в России холоднее и тусклее чем у многих других соседей по шарику не только потому что поток солнечного излучения умножается на косинус высокой широты, который поменьше чем у большинства соседей, но ещё и потому что над её территорией висят тучи и рассеивают солнечный свет в космос, не давая солнцу греть земную поверхность.

Очистить небо от туч можно, например, ускорив падение составляющих их капель дождя. Для этого необходимо создать механизм который бы подталкивал капельки к слиянию друг с другом. Такой механизм должен действовать в значительных объёмах - миллионы и миллиарды кубических метров в расчёте на одно устройство. Для практической применимости соответствующее оборудование должно быть предельно простым, дешёвым, удобным, потреблять мало энергии - или вообще её не потреблять. На каждый грамм своего материала устройство должно проливать как можно больше тонн дождевой воды. В идеале, вместо того чтобы представлять из себя огромныю тяжёлую махину, которая будет гоняться за каждой маленькой каплей воды, оно само должно быть маленьким и действовать на капли на большом расстоянии, заставляя их слипаться друг с другом или объединяться в один поток.

Из сил, действующие на большие расстояния, сразу вспоминаются электростатические. Так, электростатические фильтры используются для улавливания маленький капель уже больше века. Однако вес, сложность, стоимость и энергопотребление таких устройств настолько велики что их применение для улавливания мелких капелек взвешенных в тучах представляется малоперспективным. Соответственно, хотелось бы придумать вариант устройства, которое бы имело очень малые объём, массу и стоимость, и которое притягивало бы капли (или вызывало их коагуляцию) в большом объёме воздуха. Как вариант, электрическое поле создавалось бы за счёт потенциальной энергии самих капель (E=mgh). Сложные физические эффекты преобразования различных форм энергии друг в друга, а также слияния капель, происходили бы из-за сложных физико-химических свойств материалов конструкции, а не сложности самой конструкции.

Здесь я и предлагаю вариант такого устройства.

 

К воздушному шарику показанному на тизере (например, заполненному водородом и сделанным из металлизированной плёнки полиэтилентерефталата) прицепляется длинная тонкая лёгкая лёска сделанная из прочного полимера с привитыми к поверхности ионизируемыми группами. Например, лёску можно сделать из какого-нибудь полиамида и преобразовать поверхностные группы амида в ионизируемые группы, как показано на Рис. 3:

Рис. 3. Примеры привития заряженных групп к поверхности полиамида

Как вариант, поверхностные молекулы полимера можно ковалентно связать друг с другом и с глубинными слоями лёски чтобы они не растворились в воде и не оторвались, расталкиваемые одноимёнными зарядами. В этих самых ионизируемых группах один ион ковалентно связан с материалом лёски, тогда как другой ион остаётся подвижным - как в ионно-обменных смолах. Эти ионы увеличат смачиваемость лёски.

Когда в момент начала дождя на лёске начнёт конденсироваться вода (или к ней начнут прилипать первые капли), эта вода сформирует плёнку которая начнёт стекать вниз.  При этом подвижные ионы растворятся в воде и стекающая вода начнёт сносить их вниз, отделяя от закреплённых ионов. Это разделение ионов приведёт к формированию статических электрических зарядов на лёске и на стёкших каплях. Нескомпенсированные заряды на лёске создадут электрическое поле в пространстве вокруг неё.

Рис. 4. Снос подвижных ионов потоком воды и поляризация капель в электрическом поле

 

Затем начнёт проявляться целая серия эффектов:

1)     Капельки воды, оказавшиеся в этом поле, будут поляризоваться, образуя наведённые диполи (Рис. 4);

2)     Капли начнут притягиваться к лёске, как наведённые диполи к заряду (Рис. 4);

3)     На лёске будет осаждаться больше воды, эта вода будет стекать всё быстрее, сносить незакреплённые заряды, увеличивать концентрацию нескомпенсированных зарядов - и тем самым увеличивать напряжённость электрического поля вокруг лёски (Рис. 4).

4)     Поляризованные капельки в пространстве вокруг лёски начнут притягиваться к некоторым из соседних капель за счёт диполь-дипольных взаимодействий и сливаться с ними в более крупные капли, т.е. будет происходить электрокоалесценция (Рис. 5);

5)     Увеличившиеся капли будут обладать ещё бОльшим дипольным моментом, поэтому они будут притягиваться к соседям и лёске ещё сильнее и лететь быстрее. Также, они будут просто падать быстрее капелек из который они были сформированы.

Рис. 5. Взаимодействие капель в отсутствии (а) и присутствии (б, в) электрического поля. (а) В отсутствии поля капли воды не взаимодействуют друг с другом. (б) Внешнее электрическое поле создаёт наведённые дипольные моменты и капли, находящиеся на одной линии поля, начинают притягиваться друг к другу. (в) Притянувшиеся капли слипаются  в одну большую каплю.

Такая заряженная лёска, привязанная к шарику, будет способствовать осаждению тумана на себе и вокруг себя.

Поскольку притяжение капелек к заряженой лёске будет, в подавляющем большинстве случаев, сильнее притяжения между соседними каплями, то главным механизмом формирования сконденсированной воды будет притяжение капелек к лёске и стекание вниз по лёске. Соответственно, такое устройство может быть использовано как концентрированный источник жидкой воды (например, для бытовых нужд, ферм, итд.). Однако, стекающая вода будет тянуть лёску вниз - и тем самым ограничивать поток воды.

Если же целью является орошение, освещение и обогрев заданных площадей - например, полей - то устройство нужно сделать как можно выше, а заодно увеличить долю выпавших капель, сформировавшихся за счёт слияния мелких капелек - а не получившихся за счёт прилипания капелек к лёске. Такое устройство можно сделать, закрепив две противоположно заряженные лёски на противоположных концах орошаемого участка (рис. 6). В этом случае значительно больший процент капель, оказавшихся между лёсками, коагулирует в большие капли, которые прольются на землю на большой территории в виде дождя, чем процент капель, которые притянутся к лёскам.

Рис. 6. Орошение площадей

Как вариант, эффективность такого вызывателя дождя, выраженную как отношение количества вызванного дождя (в кг) к массе конструкции (в кг) за жизнь установки повысится если устройство будет активно "гоняться" за облаками, превращая их в дождь, вместо того чтобы работать эпизодически, будучи закреплённым в одном месте. Вдобавок, эффективность повысится если слияние капелек будет инициировано на максимальной возможной высоте - так чтобы во время падения большие капли сливались с капельками на меньших высотах, тем самым "зачищая" от капель наибольший объём воздуха.

 

Максимальной высотой на которой может работать предложенное устройство является высота с температурой 0С - потому что на ещё большей высоте вода конденсируется в снег и лёд, которые не могут течь по поверхности лёски и вызывать разность зарядов. Летом эта высота может достигать несколький километров - и, конечно же, будет сильно меняться в зависимости от времени года и погоды.

 

Поэтому имеет смысл разработать летающее устройство которое будет функционировать почти всё время. Для этого оно будет активно маневрировать - искать тучи, меняя высоту, пролетать над тучами и через них, превращая их в потоки дождя, как показано на Рисунке 7. В продвинутых вариантах на нём будут установлены лёгкие (но маломощные) электростатические двигатели вместо винтовых, системы наведения на тучи, итд. В совсем продвинутых модификациях на них будут стоять GPS, аппаратура спутниковой связи с единым центром который будет такие устройства направлять куда надо, подсветка (чтобы отпугивать самолёты по ночам) итд. Эти продвинутые системы будут потреблять энергию; также, некоторое количество энергии будет требоваться для восполнения водорода в воздушных шарах. Эту энергию устройство сможет получать электролизом воды, используя статическое электричество, создаваемое на лёсках.

Рис. 7. Активный генератор дождя 

 

Соответствующее устройство проиллюстрировано на Рис. 8. Плёнки воды i, электростатически притянутой к заряженым штырькам ii, будут вливаться в бачки iii, откуда вода будет выливаться вокруг заряженных лёсок iv, несущих противоположные заряды. Потоки воды v, омывающие лёски, будут нести комплиментарные лёскам заряды за счёт присутствия протонов и гидроксид-ионов, появившихся в результате электролитической диссоциации воды по реакции (1):

H₂O = H⁺ + OH^-    (1)

Ионы с таким же зарядом как закреплённые ионы на лёске (vi, vii) будут оставаться в бачках с водой. Таким образом, влага остающаяся в бачках будет приобретать статический электрический заряд, увеличивающийся при протекании воды. Для компенсации этого заряда по проводу viii, соединяющему бачки, будет течь ток - и когда разница потенциалов в двух бачках превысит пороговое значение, начнётся электролитическое разложение воды в бачках на кислород ix и водород x (2):

2H₂O = O₂ + 2H₂   (2)

Выделившийся водород будет наполнять шарики xii по трубкам xi. 

Капельки xiii, оказавшиеся между заряженными лёсками, приобретают дипольный момент и притягиваются друг к другу. С самого низа лёски срываются заряженные капли xiv. По мере падения эти заряженные капли поляризуют оказавшиеся вблизи капельки xv, притягивают их, сливаются с ними, укрупняются, и падают ещё быстрее. Заряженные капли падающие с каждой лёски xiv притягиваются к каплям падающим с другой лёски, несущими противоположный заряд, и сливаются с ними в ещё большие капли xvi.

Рис. 8.

Tок, протекающий по проводу viii, можно также использовать для энергоснабжения дополнительных нужд устройства.

 

Высота полёта конструкции будет зависить от наполнения шариков водородом. Как вариант, заполнение шариков водородом можно поддерживать на максимуме. В этом случае конструкция будет стремиться подняться как можно выше, и её максимальная высота будет ограничена двумя факторами:

1) Если верх конструкции взлетит над облаком, то в бачки перестанет попадать вода, электролиз прекратится, и конструкция перестанет подниматься.

2) Если верх конструкции поднимется на высоту с температурой ниже 0ºС, то вода, вместо того чтобы стекать по лёскам, создавать статические заряды и генерировать электроэнергию, будет намерзать на конструкции и тянуть её вниз.

 

Оценим эффект от этого устройства. Предположим, расстояние между лёсками равно 100 м; скорость конструкции - 1 м/с. Это означает что конструкция будет зачищать атмосферу со скоростью 100 м²/с. Вода в выпавшем дожде, конечно же, через некоторое время после выпадания опять испарится - однако ожидается что сразу после выпадения большая часть воды впитается в почву, что замедлит её испарение. Оценим время испарения в одну неделю.

За одну неделю летающая конструкция сможет зачистить облачность на площади в 1 неделя * 100 м²/с * 3600 с/час * 24 часа/сутки * 7 суток/неделю ~ 60*10⁶ м² = 60 км². Оценим усреднённый поток солнечного излучения падающего на 1 м² горизонтальной поверхности на 60-й широте до рассеяния на тучах в 1 000 Вт/м² * cos 60^o * 1/π = 159 Вт/м². Предположим что очистка неба от туч увеличивает освещённость поверхности земли на 50% от этой величины. Тогда мощность солнечного излучения, достигающая поверхности земли, увеличится на

60*10⁶ м² * 159 Вт/м² * 50% = 4,8*10¹⁰ Вт = 48 ГВт

Какова ценность 48 добавочных гигаватт солнечного излучения? Предположим что это добавочное излучение попадает на поля - а искусственно вызванный дождь падает туда же. Предположим что КПД преобразования солнечной энергии в энергию зерна составляет 1% = 0,01. Также предположим что зерно растёт 4 месяца. Тогда на площади, очищенной от туч, вырастет зерно заключающее в себе дополнительные

48*10⁹ Дж/с * 0,01 * 4 мес * 30 сут/мес * 24 ч/сут * 3600 с/час ~ 5*10¹⁵ Дж

Оценивая плотность энергии зерна в 15*10⁹ Дж/т, получаем что дополнительное освещение от одного летающего дождевызывателя поможет вырастить дополнительные

5*10¹⁵ Дж /15*10⁹ Дж/т ~ 300 000 т зерна за сезон

Урожай зерна в России в 2020 году составил 133,465 млн т - т.е., одна летающая установка повысит урожай страны на ~0.25%. Можно и по-другому: 400 таких вот летающих дождевызывателей удвоят урожаи зерновых.

Такие летающие дождевызыватели увеличат не только освещённость, но и количество пресной воды в ручьях, колодцах, кранах и реках страны - где вода сможет принести пользу людям. Эти устройства смогут защищать города от наводнений, вызывая дожди в малонаселённых местах вместо городов. Как варианты - эти устройства могут вызывать дождь днём - чтобы повысить температуру и освещённость; в ночное время их можно отключать чтобы оставшиеся тучи замедляли охлаждение земной поверхности.

Использование таких дождевызывателей на террории большой страны повысит их эффективность: так, тёплым летом их можно будет перенаправлять как можно дальше на север; зимой их можно будет держать ближе к южным границам страны. Также можно использовать вращающиеся потоки воздуха (циклоны и антициклоны) для того чтобы перенаправлять эти летающие дождевызыватели, препятствуя их улёту за границу, используя минимальное количество энергии устройств на манёвры - а не полёт против ветра.

Несколько десятков таких вызывателей дождя смогут согреть и осветить главные города России, снизив затраты ЖКХ этих городов. Несколько сотен смогут резко повысить урожайность сельскохозяйственных культур. Несколько тысяч, летая над сибирскими просторами, смогут повысить урожаи древесины и количество рыб в водоёмах на территории сравнимой с территорией европейских государств. Ускоренный рост растительной биомассы  на территории России приведёт к добавочному поглощению углекислого газа из воздуха, ведя к замедлению потепления планетарного климата и давая возможность России продавать добавочные квоты на углекислый газ Европе и Америке если/когда отношения нормализуются. Для управления этими устройствами и роями этих устройств можно будет задействовать технологии, которые в настоящий момент используются для управления дронами.

Таким образом, предложенные устройства позволят управлять климатом на обширной территории, сделав его более солнечным и тёплым, а всю страну - более богатой и привлекательной.