Искусственный дождь как источник пресной воды для засушливых регионов

Вы наверняка слышали о таком методе получения дождя, как засев облаков. В данной публикации я расскажу о другом способе, о том, где собственно эти облака взять. Будут рассмотрены следующие моменты: Откуда берется дождь? Почему в засушливых регионах выпадает мало осадков? Как общество в засушливом регионе может повлиять на ситуацию и получить осадки? Сравнение метода с другими способами получения пресной воды.

Ровно год назад участник PIPL XAVAET выложил информацию по теме искусственного дождя. Пройдя по ссылкам, я нашёл концепт, похожий на способ, о котором я расскажу в этой публикации. Кому интересно, вот описание концепта - Making Rain on Arid Regions. The GESHEM Rain System (вкратце) или CLOUD FORMATION AND RAINFALLS INDUCED BY AN ARTIFICIAL SOLAR SETTING (с графиками и формулами) - это две работы одного автора. Метод не слишком афишируется и, возможно, малоизвестен публике. Значит, нужно заняться просвещением.

Сначала выясним, ПОЧЕМУ ИДЁТ ДОЖДЬ, дающий необходимую влагу всему живому. Дождь и прочие осадки выпадают из-за повышения относительной влажности воздуха, водяной пар конденсируется и жидкая вода может пролиться в виде осадков. Почему относительная влажность повышается? Кроме того, что водяной пар может поступать в воздух от испарения воды, на это есть две причины - перемешивание масс воздуха разной температуры и охлаждение воздуха. Рассмотрим охлаждение, почему воздух охлаждается? Воздух охлаждается в результате излучения (медленно), при контакте с холодной поверхностью (в ограниченном объёме, образуется роса) и при адиабатическом расширении (охлаждается быстро и во всём объёме). Основная причина адиабатического расширения - это движение массы воздуха вверх, наверху, как известно, атмосферное давление ниже, к тому же там холодно. Почему воздух движется вверх? На то есть несколько причин: рельеф - горы, в том числе искусственные "горы" (см. концепт гор из пластиковой плёнки); столкновение двух атмосферных фронтов - более плотный холодный фронт остаётся на земле, менее плотный лёгкий фронт поднимается вверх, опираясь на холодный; конвекция - воздух нагревается от земли и поднимается вверх. Более подробно о механизмах образования осадков можно прочитать в Википедии. В этой публикации рассматривается конвективный механизм: нагрев воздуха у поверхности - тёплый воздух легче и поднимается вверх - наверху он расширяется и охлаждается - атмосферная влага конденсируется, образуются облака - может пойти дождь. Коротко: есть восходящий поток - есть условия для дождя.

Следующий вопрос, ПОЧЕМУ ПУСТЫНИ ПОЛУЧАЮТ МАЛО ОСАДКОВ, А ЭКВАТОР МНОГО, рассмотрим на примере всем известной пустыни Сахары и экваториальной Африки. В Сахаре в среднем за год выпадает 100 мм, к тому же год на год не приходится, в экваториальном городе Кисангани, расположенном вдали от побережья, выпадает 1800 мм осадков, причём сравнительно равномерно в течение года. На то есть несколько причин, связанных с механизмом образования дождя.
1-я причина - географическон положение. На экваторе солнечные лучи падают на землю почти под прямым углом, в Сахаре под углом примерно 25 градусов (меняется в течение года), и при прочих равных условиях экватор получает больше солнечной энергии, воздух нагревается сильнее, образуется восходящий поток воздуха на экваторе, которые блокируют образование восходящих потоков в Сахаре и создаёт там нисходящий поток. Отмечу, что в реальности экватор получает меньше солнечной энергии на единицу площади из-за большего количества облаков. Явление постоянного восходящего потока на экваторе и нисходящего в тропиках называется ячейкой Хадли. Такое движение воздуха имеет особенность: приповерхностный воздух поднимается вверх, сбрасывает воду в виде дождя, а дальше идёт уже сравнительно сухой воздух (в Сахару, например). То есть, упрощённо, экватор - это такая ловушка для атмосферной влаги - влага туда втекает, но обратно уже не вытекает. Ловушка эта небезгранична, излишки воды покидают её в виде рек, а если воздух чрезмерно насыщен влагой, то и по воздуху.

Схема циркуляции воздуха в экваториальной области. Заходит влажный воздух, выходит сухой.

2-я причина - отражающая способность поверхности. Альбедо Сахары заметно выше, чем альбедо экватора. Часть солнечной энергии просто отражается в космос и не участвует в нагреве воздуха.
3-я причина - высокая влажность воздуха на экваторе. Водяной пар - это парниковый газ. Наличие водяного пара в воздухе способствует дополнительному нагреву воздуха инфракрасным излучением от поверхности и от Солнца, что способствует образованию восходящего потока. Плюс к этому влажный воздух имеет более низкую плотность в сравнении с сухим тех же температуры и давления. Получается положительная обратная связь - больше влаги в воздухе - интенсивнее осадки - меньше влаги уйдёт с воздухом из региона - больше её будет в воздухе. Впрочем, отрицательная обратная связь тоже имеется - больше влаги - больше облаков - меньше нагрев воздуха.
4-я причина - геометрия поверхности. Для того, чтобы нагретый от поверхности воздух поднимался вверх, ему на смену должен поступать воздух ненагретый. В случае довольно ровной горизонтальной поверхности приток замещающего воздуха затруднён, и горячий воздух "прилипает" к поверхности. По этой причине возникают миражи в пустынях и над раскалённой асфальтовой дорогой. В противоположность пустыням экватор покрыт лесами, воздух нагревается не от грунта, а от листвы, значит, под ним есть пространство, и он может легко подниматься вверх после нагревания.
5-я причина - теплоёмкость поверхности. На экваторе воздух нагревается от листьев, тонкие листья имеют маленькую теплоёмкость и не берут много тепла. В Сахаре грунт забирает некоторую часть теплоты на собственный нагрев. Встречаются в Сахаре и скалы, они имеют высокую теплопроводность и потому забирают много теплоты, ночью они теплоту отдают, но её недостаточно для формирования восходящего потока воздуха.
Таким образом, на вопрос "Почему в Сахаре мало воды?" можно дать ответ "Воду выпил экватор". Роль Солнца в процессе обезвоживания Сахары заключается в том, что оно греет экватор и этим помогает ему пить воду.
Роль лесов просматривается такая - они имеют меньшее альбедо, хранят воду и увлажняют воздух, способствуют нагреву воздуха, способствуют вертикальному движению воздуха. Следовательно, наличие леса увеличивает количество осадков, а вырубка лесов ведёт к уменьшению осадков, и в некоторых регионах это может привести к засухе и опустыниванию.

Теперь, исходя из вышеназванных причин, выясним, КАК ДОБЫТЬ ДОЖДЬ. По 1-й причине сделать ничего нельзя, так как никто не разрешит повернуть земную ось. Если переместить Сахару в зону экватора, то пустыня возникнет уже на территории Западной Европы, Вашингтон с Нью-Йорком окажутся на полярном круге, а в Германии станет тепло, и она перестанет покупать российский газ. Значит, изменение географического положения отпадает. Со 2-й причиной можно работать, нужно уменьшить альбедо участков пустыни, чтобы как можно больше солнечной энергии шло на нагрев воздуха. Для этого предлагается разместить в пустыне солнечные нагревательные элементы. Для них должен быт подобран оптимальный краситель. 3-я причина неуправляема. Нужно просто подождать, пока воздух в регионе насытится влагой, эта влага даст некоторое усиление восходящих потоков и таким образом увеличение количества осадков. По 4-й причине нагревательные элементы нужно размещать на высоте нескольких метров над землёй, также они должны иметь наклон и быть расположены на склонах холмов, тогда нагретый воздух сможет свободно подниматься вверх. По 5-й причине нагревательные элементы должны иметь минимальную теплоёмкость, то есть они должны быть сделаны из тонкого листового материала. Установленный нагревательный элемент показан на рисунке ниже.

Примерная конструкция солнечного нагревательного элемента

Некоторую площадь пустыни нужно застроить такими элементами. Если площадь застройки будет слишком мала, то образующиеся восходящие потоки воздуха будут рассеиваться, и дождя не будет. Слишком большая площадь застройки будет забирать воду с больших расстояний, у того же экватора, потому нежелательна, к тому же её стоимость будет запредельной. Думаю, достаточно будет застройки в несколько километров в длину и ширину. Возможно, конструкцию следует строить в виде овала, вытянутого по направлению преобладающего ветра. Такая конструкция создаст в атмосфере аналог ячейки Хадли, но в уменьшенном размере. Эта ячейка будет иметь локальное влияние на климат в пределах нескольких десятков километров. Думается мне, что конструкция в 1 кв.км будет давать воду с перебоями в течение года, а конструкция в 100 кв.км будет давать воду стабильно в течение года. Стоимость 1 кв. метра генератора ожидаю в районе 5-10 долларов.

Осталось РАССЧИТАТЬ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И СРАВНИТЬ С ДРУГИМИ МЕТОДАМИ ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕСНОЙ ВОДЫ. Посмотрим, на что способен 1 квадратный метр нагревателя.
Рассчитывать конвекцию я пока не умею, так что подсчитаю приблизительно. Вот пример: Пусть кубический метр воздуха изначально имеет температуру 30 гр. Цельсия, а при контакте с нагревателем получает прибавку температуры 10 гр. Тогда его объём увеличится на 33 литра, значит, он совершит работу расширения 3343 Дж. С учётом термического КПД, который равен 10/303, на движение воздуха пойдёт 110 Дж. Этой энергии хватит, чтобы разогнать куб воздуха, который весит примерно 1,3 кг, до 13,0 м/с. Куб воздуха содержит 40 моль газа. Его внутренняя энергия выросла на (5/2)*40*8,31*10 = 8356 Дж. итого, нагреватель передал кубу воздуха 11700 Дж теплоты. Скорость воздуха 13,0 м/с, значит, мощность нагревателя 152 кВт. Иными словами, если квадратный метр нагревателя передаёт воздуху 152 кВт теплоты, то воздух нагревается на 10 гр. и разгоняется до 13,0 м/с. В пустыне солнечный нагреватель получает от солнца порядка 1 кВт и, возможно, будет передавать воздуху 500 Вт теплоты, так можно подбором найти увеличение температуры воздуха и его скорость (Ексель в помощь). У меня получилось так:
- если 1 кв. метр передаёт 500 Вт теплоты воздуху, то воздух нагревается на 0,573 гр., и его скорость составит 0,75 м/с.
Возможно, нагреватель работает не так эффективно и передаёт воздуху 150 Вт. Тогда воздух нагреется на 0,31 гр., и его скорость составит 0,41 м/с.
А может, есть какие-то факторы, которые снижают эффективность нагревателя и он греет воздух на жалкие 50 Вт. Тогда воздух нагреется на 0,18 гр., и его скорость составит 0,24 м/с.
В природе встречаются термики, имеющие скорость 4-5 м/с, значит, можно смело принять скорость генерируемого восходящего потока равной 0,4 м/с.
(Подробнее и более научно про конвекцию читайте тут - http://aviaclub-pulsar.ru:8001/masl_clouds2.asp , там же и про облака есть информация).
Кубометр воздуха содержит порядка 10 грамм воды. Если извлекать половину этой воды, то 1 кв.м. генератора будет генерировать 5*0,4 = 2 грамма воды в секунду. За 8-мичасовой рабочий день получится 57 литров воды или 57 мм осадков в расчёте на площадь генератора. Это довольно много. Сравним с другими методами.
Если  взять квадратный метр солнечных элементов, то за сутки они сгенерируют в хорошем случае 1 кВт*час электричества. Этого хватит для опреснения 300 литров воды обратным осмосом. Если же конденсировать воду прямо из воздуха, то в теории для этого нужно 140 Дж на грамм воды без учёта значительных потерь на трение, тогда 1 кВт*ч будет достаточно для получения 25 литров воды.
Обычный солнечный дистиллятор произведёт порядка 20 литров воды с квадратного метра за день. Если его конструкцию усовершенствовать, то количество получаемой воды можно увеличить в 20-30 раз.
Радиационный конденсатор получает воду из воздуха и даёт 15 литров воды с квадратного метра в год.
А что если создавать восходящий поток вентиляторами? Можно поставить солнечную батарею и подключить к ней вентилятор. Пусть КПД вентилятора равен 50%, а вентиляторами занято 50% поверхности. Тогда 1 кв.м солнечной батареи даст 200 Вт; если разгонять воздух до скорости 0,8 м/с, то сечение потока составит 300 кв.м. Этот поток захватит с собой ещё столько же воздуха, итоговая скорость составит 0,4 м/с, а площадь 600 кв.м. То есть, в такой схеме 1 кв.м фотовольтаики заменяет 600 кв.м солнечного нагревателя. На самом деле соотношение будет меньше, так как нагретый воздух создаёт подъёмную силу, а вентиляторы его не нагревают.

И немного конспирологии.
Подумаем, кому нужна технология искусственного дождя.
Израиль - ведущий разработчик опреснительных технологий, значит, ему не надо.
США - один из основных экспортёров зерновых. Если в пустынях будет достаточно воды, то они начнут выращивать зерновые сами, перестанут зерно покупать, а станут его продавать, конкурируя с США. Значит, США это не нужно.
Россия - ведущий разработчик атомных технологий, будет поставлять реакторы в Саудовскую Аравию, там они будут использоваться для опреснения воды. Значит, России тоже не нужно.
Выходит, что простой способ получения пресной воды никому не нужен.
Вспомним также проект Desertec. Хотели построить солнечные фермы в Сахаре и передавать электроэнергию в Европу. Если бы застроили солнечными панельками большую площадь, то, во-первых, увеличилась бы облачность, и снизилась бы эффективность солнечных батарей. Во-вторых, выяснилось бы, что в Сахаре запросто могут идти дожди в товарных количествах.

Вроде всё. Надеюсь, что изложил понятно.

Мнение автора может не совпадать с мнением официальной науки, в расчётах могут содержаться неточности.