Исследование процесса нуклеации водяного пара под воздействием электромагнитного излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование процесса нуклеации водяного пара под воздействием электромагнитного излучения

Одним из возможных способов эффективного тушения ландшафтных пожаров является искусственно инициирование осадков над зоной горения. Если в области тропосферы над зоной горения имеются облачные образования, то для инициации осадков можно использовать различные известные методы - снижение температуры в области облачных образований, засев этой области активными центрами осадкообразования, а также создание в этой области достаточного количества центров осадкообразования. Однако в реальных условиях инициации осадков вероятность наличия в тропосфере над зоной горения облачных образований с необходимой степенью пересыщения оказывается достаточно низкой. В этой связи проблема каплеобразования при искусственном зарождении облачных образований из водяного пара в области тропосферы является одной из актуальных и требующей поиска путей ее разрешения.

Одним из методов искусственной интенсификации осадкообразования в тропосфере является локальное снижение температуры в заданной ее области за счёт распыления жидкого углекислого газа (СО₂) [1]. При этом наибольшее практическое распространение получил метод увеличения активных центров каплеобразования путём распыления в заданной области тропосферы химически активных солей [2-3]. Одним из недостатков указанных методов искусственной интенсификации осадков является невозможность эффективного их использования на начальном этапе зарождения и развития облаков [4]. Более активными центрами каплеобразования, по сравнению с активными центрами химического происхождния, являются ионы и активные радикалы [5], которые способны инициировать процесс нуклеации (увеличения количества зародышей) паров воды. При обычных условиях концентрация аэроионов в области тропосфере незначительна. Однако существует возможность искусственного ее увеличения в заданной области осадкообразования путём воздействия электромагнитного СВЧ излучения [6]. Возможности практического использования СВЧ излучения на начальной стадии зарождения облаков с целью последующей интенсификации процессов искусственного осадкообразования над зоной горения ландшафтных пожаров в области тропосферы ранее не рассматривались.

Целью работы является исследование процесса нуклеации капель на ионах в области тропосферы под воздействием искусственного электромагнитного СВЧ излучения.

Обычно водяной пар тропосферы находится в метастобильном состоянии, которое определяется пониженной температурой его существования. Одним из родоначальников исследований по кинетике фазовых переходов первого рода (газ - жидкость) из метастабильного состояния вещества является Вильсон [7]. В современном представлении кинетики фазовых переходов при постепенном создании метастабильности каплеобразование проходит две стадии [8]. Первая из них по времени наступления есть стадия нуклеации. В этот период образуются зародыши новой стабильной фазы. Данная стадия в масштабах характерного времени каплеобразования достаточно быстротечна. Скорость нуклеации характеризуется, как активностью центров нуклеации по отношению к молекулам пара, так и степенью метастабильности исходной фазы. При этом необходимо учитывать, что в процессе нуклеации степень метастабильности состояния снижается. Вторая стадия каплеобразования является стадией коллапса, во время которой происходит рост зародышей за счёт присоединения молекул пара без изменения их количества в объеме. И завершается процесс образования жидкой фазы стадией оствальдовского созревания - коагуляции мелких капель, которая не относится к кинетике метастабильного состояния и на сегодня достаточно хорошо изучена [9]. Данная стадия относится к процессам развития уже сформированных облачных образований. Поэтому в данной работе основное внимание уделено кинетике процессов нуклеации и коллапса зародышей жидкой фазы под воздействием СВЧ излучения.

В рамках общей задачи рассмотрим стадию нуклеации, которая характеризуется случем гетерогенного механизма образования зародышей капель в метастабильном паре воды на присутствующих в его объеме инородных частицах в виде ионов. Это условие не противоречит исходной задаче, однако позволяет упростить решение, поскольку при этом нет необходимости учитывать процессы растворимости центров каплеобразования и их смачиваемости.

Основной характеристикой среды влияющей на кинетику нуклеации является степень пересыщения газа, определяемая величиной

, (1)

где Р - парциальное давление пара в газе, Па; Р_?(Т) - давление насыщенного пара над поверхностью жидкости при температуре Т, Па;.

При рассмотрении энергетического баланса конденсирующейся капли необходимо учесть, что её свободная энергия изменяется от 0 до , где d - диаметр капли, м; у - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м. В этом случае изменение энергии Гиббса для процесса образования капли [10]:

, (2)

где г_г - свободная энергия одной молекулы в газовой фазе, эВ; г_ж - свободная энергия одной молекулы в жидкой фазе, эВ; n - число молекул в капле.

Выражение (2) справедливо для процесса гомогенной нуклеации, однако если в качестве центра каплеобразования выступает частица с зарядом (ион), то свободная энергия её поверхности возрастает на величину:

, (3)

где q - заряд иона или ионного кластера, Кл; d - диаметр капли, м; е₀ и е - диэлектрическая проницаемость газовой среды и жидкости соответственно. Таким образом, с учётом (3) уравнение (2) примет вид:

, (4)

где с - плотность жидкости, кг/м³; R - удельная газовая постоянная, Дж/(кг•К); М - молекулярная масса вещества, которое конденсируется, моль/кг.

Продифференцировав (4) по d и выполнив соответствующие преобразования, получим, что

. (5)

Совместный анализ соотношений (4) и (5) свидетельствует об увеличении скорости процесса нуклеации и роста капли при наличии в воздухе ионов и ионных кластеров, а также о возможности протекания таких процессов при существенно меньшей влажности воздуха.

Для проверки данного факта поставлен эксперимент по осаждению водяного пара под действием электромагнитного СВЧ излучения с использованием установки, детально описанной в [11]. Принцип её действия основан на регистрации роста капель воды на различных центрах каплеобразования. Разряжение создавалось в стеклянной колбе Бунзена с помощью вакуумного насоса, после чего колба с пересыщенным паром помещалась в СВЧ камеру, где подвергалась воздействию СВЧ излучения (рис. 1).

Для определения перенасыщения паров воды, возникающего по мере уменьшения давления в колбе, использовалось предположение о адиабатичности процесса расширения. При этом степень пересыщения определялась в соответствии с приближённым выражением:

, (6)

где Р₁, Р₂ - начальное и конечное давление, соответственно, Па; V₁, V₂ - начальный и конечный объем газа, м³; К - показатель адиабаты.

Согласно (6) и результатам [12] для обеспечения адиабатности процесса скорость снижения давления должна составлять не менее 2,7 кПа/с. Используемый в эксперименте вакуумный насос по своей производительности отвечал указанным требованиям.

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

Процесс каплеобразования в колбе регистрировался путем пропускания через её объём луча гелий-неонового лазера. На рис. 2 приведены результаты регистрации интенсивности рассеянного света от времени воздействия СВЧ излучения на содержимое колбы. При этом отмечается увеличение интенсивности рассеянного света по мере роста дисперсных частиц в объёме колбы. Пиковое значение интенсивности достигается при максимальной концентрации капель в объёме метастабильного пара (рис. 2, точка 3).

Рисунок 2. Кривая рассеяния светового излучения при E ? 0,5 кВ•м^-1

Процесс увеличения интенсивности рассеянного света при этом характеризуется наличием двух характерных локальных экстремумов (точки 1 и 2 на рис. 2). Природа первого объясняется протеканием процесса конденсации пересыщенного пара на частичках пыли в объёме колбы [12], а второго - интенсификацией процесса нуклеации на ионах и ионных кластерах.

Особый интерес для приложений представляет исследование зависимости динамики нуклеации на ионах от напряженности электромагнитного СВЧ излучения. В ходе эксперимента контролировались два параметра - интенсивность рассеянного света в максимуме (точка 3 на рис. 2) и время полного осаждения пара (точка 4 на рис. 2). Путём усреднения результатов по 4 измерениям для каждого значения напряжённости СВЧ излучения получены зависимости интенсивности рассеянного света I (кр. 1) и времени осаждения пара ф (кр. 2) в процесс нуклеации водяного пара на аэроионах от напряженности СВЧ излучения, которые представлены на рис. 3. Регистрация изменения концентрации аэроионов приборным методом не проводилась по причине технической сложности забора проб из колбы с разряжением. Однако, основываясь на принципе работы камеры Вильсона, относительная концентрация ионов контролировалась по интенсивности рассеянного света

Рисунок 3. Зависимость интенсивности рассеянного света I (кр. 1) и времени осаждения пара ф (кр. 2) от напряженности СВЧ излучения

Результаты экспериментов показали, что при напряжённости 0,01 кВ/м интенсивность рассеянного света и время осаждения пара расходятся с данными фонового режима (отсутствие СВЧ излучения) в пределах статистической погрешности эксперимента. Анализируя полученную зависимость времени осаждения водяного пара (кр. 2 на рис. 3) необходимо отметить, что резкое снижение времени осаждения наблюдается при значениях напряженности СВЧ излучения Е ? 0,05 кВ/м. Это позволят сделать вывод о том, что использование для искусственного осадкообразования СВЧ излучателей, обеспечивающих меньшую напряжённость в заданной области тропосферы, находящейся над предполагаемой зоной горения, для тушение ландшафтных пожаров, оказывается малоэффективным.

В работе впервые исследован процесс нуклеации пересыщенного водяного пара под действием СВЧ излучения. Определена нижняя граница значений напряжённости СВЧ излучения, при которой возможен активный процесс каплеобразования. Экспериментально установлена принципиальная возможность интенсификации начальной стадии облакообразования путем воздействия электромагнитного СВЧ излучения, что позволяет при определённых условиях использовать этот способ для искусственной стимуляции осадков в области тропосферы для тушения ландшафтных пожаров.

Литература

каплеобразование нуклеация облачный водяной

1 Гинзбург А.С. Влияние естественных и антропогенных аэрозолей на глобальный и региональный климат / А.С. Гинзбург, Д.П. Губанова, В.М. Минашкин // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). - 2008. - т.LII, №5 - С. 112-119.

2 Израэль Ю.А. Метеорология и гидрология / Ю.А. Израэль // 2005. - №10. - С. 5-9.

3 Мейсон Б.Дж. Физика облаков / Б.Дж. Мейсон // Л.: Гидрометеоиздат, 1961. - 541 с.

4 Методические указания. Проведение работ по искусственному увеличению атмосферных осадков самолётными методами РД 52.11.637-2002.

5 Ивлев Л.С. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей / Л.С. Ивлев // Л., Изд. ЛГУ, 1982. - 366 с.

6 Гуревич А.В. Искусственная ионизированная область как источник озона в стратосфере / А.В. Гуревич, А.Г. Литвак, А.Л. Вихарев и др. // Успехи физических наук, 2000. - Т. 170, №11. - С. 1181-1202.

7 Wilson C T R Philos. Trans. R. Soc., 1897. - A 189 (11). 165 р.

8. Куни Ф.М. Проблемы теоретической физики / Ф.М. Куни // Л.: Изд-во ЛГУ, 1988. - 192 с.

9 Слезов В.В. Диффузионный распад твердых растворов / В.В. Слезов, В.В. Сагалович // УФН, 1987. - Вып. 151. С. 67-104.

10 Куни Ф.М. К теории зародышеобразования на заряженных ядрах. 2. Термодинамические параметры равновесного зародыша / Ф.М. Куни, А.К. Щекин, А.И. Русанов // Коллоидный журн, 1982. - Т.44. n. 6. - С. 1062-1068.

11 Кустов М.В. Установка для моделирования процессов конденсации в атмосферных аквааэрозолях / М.В. Кустов, В.Д. Калугин // Проблеми надзвичайних ситуацій. - Х.: НУЦЗУ, 2012. - Вып. 16. - С. 54-57.

12 Крымский Г.Ф. Конденсация пара в присутствии ионизирующих воздействий/ Г.Ф. Крымский, В.В. Колосов, А.П. Ростов и др. // Оптика атмосферы и океана. - 2010. - №9. - С. 826-829.

Размещено на Allbest.ru