1. Введение
Известно, что в электрических явлениях, сопутствующих термодинамически необратимым фазовым переходам в облаке, происходит сильнейшая электризация поверхности как реагентов, так и образующихся частиц. Между тем есть основания считать, что их роль значительна [1]. В работах [2], [3] анализируется увеличение электрической активности в конвективных облаках после проведения воздействий льдообразующим кристаллизующим реагентом AgI. Анализ свидетельствует об увеличении электрической активности в облаках после проведения активных воздействий на основе частоты молниевых разрядов, которая рассчитывалась по радиолокационным характеристикам исследуемых облаков.
В настоящее время совершенствуются реагенты и технические средства для активных воздействий (АВ) [4], [5], [6], [7]. Отмечено, что при проведении АВ на облачные системы, наличие в атмосфере электрического поля и заряда на частицах реагента может влиять на удельный выход льдообразующих ядер. В данной статье представлен анализ результатов, полученных лабораторным путем.
2. Методы и принципы исследования
Для изучения влияния электрического поля на льдообразующие свойства пиротехнического состава АД-1 и его льдообразующие свойства был создан комплекс аппаратуры. В данный комплекс входит большая облачная камера, устройство для возгонки реагента, пластины плоского конденсатора, высоковольтный выпрямитель, электронные весы Adventurer, аппаратура для регистрации ледяных кристаллов, в состав которой входит оптический микроскоп Motic. Пластины конденсатора, состоящие из меди, расположены на вертикальных стойках, закрепленных на изолированной поверхности. Расстояние между пластинами 0,04 м. Лабораторные исследования проводились при относительной влажности 100% и в диапазоне температур от –3 до –14 °С, уровень влажности и температуры в облачной камере контролировался с помощью термогигрометра ТКА-ПКМ 24.
Предварительно на электронных весах взвешивается определенное количество реагента. Он закладывается на пластинку слюды над спиралью устройства для возгонки реагента. На пластины конденсатора с высоковольтного выпрямителя подается напряжение, после чего на контакты нихромовой спирали устройства для возгонки реагента подается напряжение. Спираль раскаляется и диспергирует реагент. Процесс возгонки записывается на видео. После возгонки отключается электрическое поле, воздух в камере перемешивается вентилятором. Облачная камера охлаждается до заданной температуры, из устройства для создания искусственной облачной среды запускается пар. После создания искусственного облака в камеру вносится шприцем объемом 400 мл проба аэрозоля из камеры возгонки. Воздух в камере перемешивается. С появлением кристаллов открывают подложки. После осаждения кристаллов подложки накрывают, извлекают из камеры и изучают под оптическим микроскопом.
Выход активных частиц A на единицу массы переведенного в аэрозоль вещества (г-1) после запуска реагента определяется по формуле:
[LATEX_FORMULA]A=nVS / svm,[/LATEX_FORMULA]
где:
n — число ледяных кристаллов в поле зрения микроскопа;
— объем аэрозольной камеры, см3;
S
— площадь пола облачной камеры, см2;
s
— площадь поля зрения микроскопа, см2;
v
— объем пробы аэрозоля, см3;
m
— масса переведенного в аэрозоль вещества, г.
В качестве верхнего предела может рассматриваться теоретический выход активных частиц для наиболее активного льдообразующего вещества — йодистого серебра — при наименьшей температуре измерения минус 25 °С, равный 1019 г-1.
3. Основные результаты
Эксперименты были проведены в камере возгонки при напряженности электрического поля 300 В/см, а также без поля. Результаты экспериментов приведены в таблицах 1–2 и на рисунке 1.
Удельный выход кристаллов при наличии электрического поля
| Расстояние между пластинами, м | Температура в камере °С | Масса реагента, г | Напряжение, кВ | реаг |
| 0,04 | 14,0 | 0,01 | 9,0 | 2,4 |
| 0,04 | 13,5 | 0,01 | 5,0 | 2,3 |
| 0,04 | 13,0 | 0,01 | 5,0 | 2,6 |
| 0,04 | 12,5 | 0,01 | 5,0 | 2,3 |
| 0,04 | 12,0 | 0,01 | 2,5 | 2,6 |
| 0,04 | 11,5 | 0,01 | 5,0 | 2,9 |
| 0,04 | 11,0 | 0,01 | 5,0 | 2,2 |
| 0,04 | 10,5 | 0,01 | 9,0 | 2,1 |
| 0,04 | 10,0 | 0,01 | 5,0 | 2,3 |
Удельный выход кристаллов при отсутствии электрического поля
| Температура в камере °С | Масса реагента, г | реаг |
| 14,0 | 0,01 | 4,1 |
| 13,5 | 0,01 | 4,0 |
| 13,0 | 0,01 | 3,0 |
| 12,5 | 0,01 | 2,8 |
| 12,0 | 0,01 | 3,6 |
| 11,5 | 0,01 | 3,8 |
| 11,0 | 0,01 | 3,0 |
| 10,5 | 0,01 | 2,0 |
| 10,0 | 0,01 | 2,1 |
Зависимость удельного выхода кристаллов от температуры при наличии (300 В/см) и отсутствии электрического поля при возгонке реагента
Из представленного графика видно, что в экспериментах без электрического поля максимальный выход льдообразующих частиц обеспечивается в интервале температур от минус 11 до минус 12°С с дальнейшим убыванием и резким скачком при минус 14°С. В экспериментах при наличии электрического поля удельный выход кристаллов не имеет ярко выраженных максимумов. Из приведенных выше материалов следует, что наличие электрического поля приводит к ослаблению льдообразующих свойств опытного материала.
При возгонке реагента в электрическом поле, создаваемом однополярным выпрямителем, отклонение потока реагента происходило преимущественно на заземленную пластину (рисунок 2).
Отклонение потока частиц реагента при возгонке с помощью однополярного выпрямителя
При возгонке реагента в электрическом поле, создаваемом двухполярным выпрямителем, отклонение потока реагента происходило преимущественно на положительную пластину (рисунок 3). Это говорит о том, что большая часть частиц заряжается отрицательно, хотя в потоке присутствуют положительно заряженные и нейтральные частицы.
Отклонение потока частиц реагента при возгонке в электрическом поле
Изучение подложек с выпавшими кристаллами показало, что в присутствии электрического поля наблюдается значительно меньшее количество кристаллов, чем в присутствии электрического поля.
3.1. Результаты исследований льдообразующих свойств пиротехнического состава АД-1 при наличии электрического поля
Полученные результаты лабораторных экспериментов по определению удельного выхода кристаллов при наличии электрического поля представлены в таблице 3.
Значение удельного выхода кристаллов при наличии электрического поля
| Напряженность, В/см | Температура в камере, °С | Масса реагента, г | Среднее количество кристаллов в кадре | -1 |
| 300 | -8,0 | 0,21 | 106 | 0,63 |
| 297 | -9,0 | 0,21 | 35 | 0,21 |
| 290 | -8,0 | 0,21 | 169 | 1,00 |
| 293 | -7,4 | 0,21 | 255 | 1,50 |
| 270 | -11,2 | 0,18 | 19 | 0,13 |
| 270 | -10,5 | 0,21 | 1009 | 6,00 |
| 233 | -9,9 | 0,20 | 603 | 3,80 |
| 233 | -9,9 | 0,21 | 173 | 1,03 |
| 233 | -7,7 | 0,21 | 1112 | 6,60 |
| 233 | -7,3 | 0,21 | 58 | 0,35 |
| 233 | -6,5 | 0,21 | 178 | 1,60 |
| 233 | -5,2 | 0,19 | 71 | 0,46 |
| 100 | -7,8 | 0,21 | 493 | 2,90 |
| 90 | -8,6 | 0,21 | 876 | 5,20 |
| 90 | -7,7 | 0,21 | 544 | 3,20 |
На рисунке 4 представлена зависимость удельного выхода кристаллов от напряженности электрического поля. Можно заметить, что с увеличением напряженности электрического поля удельный выход кристаллов имеет тенденцию к уменьшению, причем достаточно быстрыми темпами.
Зависимость удельного выхода кристаллов от напряженности электрического поля
Зависимость удельного выхода льдообразующих ядер от напряженности электрического поля описывается уравнением:
A=-0,1E+47,5,
где A — удельный выход льдообразующих ядер, г-1;
E
— напряженность электрического поля, В/см.
Как видно из уравнения, с увеличением напряженности электрического поля удельный выход кристаллов уменьшается. Известно, что электрический эффект, возникающий при кристаллизации, существенно зависит от химического состава облачной воды. В реальных условиях в облачной воде обычно растворены кислоты, щелочи, соли. В зависимости от их содержания эффект электризации кристаллизующихся капель может либо усиливаться, либо ослабляться.
Аналогичным образом были проведены эксперименты при отсутствии электрического поля.
Значение удельного выхода кристаллов при отсутствии электрического поля
| Температура в камере, °С | реагента, г | Среднее количество кристаллов в кадре | -1 |
| -10,6 | 0,21 | 1115 | 6,6 |
| -10,6 | 0,21 | 585 | 3,5 |
| -10,5 | 0,21 | 1016 | 6,0 |
| -9,9 | 0,21 | 617 | 3,7 |
| -9,9 | 0,21 | 686 | 4,1 |
| -9,7 | 0,21 | 436 | 2,6 |
| -9,7 | 0,21 | 2087 | 12,0 |
| -9,5 | 0,21 | 263 | 1,6 |
| -9,4 | 0,21 | 909 | 5,4 |
| -9,3 | 0,21 | 432 | 2,6 |
| -8,6 | 0,21 | 286 | 1,7 |
| -8,5 | 0,21 | 338 | 2,0 |
| -8,2 | 0,21 | 1348 | 8,0 |
| -7,9 | 0,21 | 1134 | 6,8 |
Анализ результатов, приведенных в таблицах 3–4 показывает, что удельный выход льдообразующих ядер при напряженности электрического поля 100 В/см при температурах минус 6–7оС уменьшается в 1,5 раза. При повышении напряженности электрического поля от 233 до 270 В/см при температуре минус 7–8 оС удельный выход льдообразующих ядер уменьшается в два раза. При повышении напряженности электрического поля от 270 до 300 В/см при температуре минус 8–9 оС удельный выход льдообразующих ядер уменьшается в три раза. Из вышесказанного следует, что при возгонке опытного материала под влиянием электрического поля удельный выход льдообразующих частиц уменьшается даже при понижении температуры.
4. Заключение
Разработана аппаратура и методика для исследования влияния электрического поля на льдообразующую эффективность пиротехнического состава АД-1. На основе анализа полученных результатов выявлено, что с увеличением напряженности электрического поля удельный выход кристаллов уменьшается, что, по-видимому, связано с влиянием электрического поля на конденсационные и коагуляционные процессы. Получена зависимость удельного выхода льдообразующих частиц опытного материала от напряженности электрического поля при разных температурах.
При АВ на градовые процессы реагент вносится в облачный слой между уровнями изотерм минус 6 ÷ 10 °С, наличие же электрического поля на этом уровне может привести к ослаблению льдообразующих свойств, вносимого реагента и, соответственно, к определенному снижению концентрации льдообразующих частиц. Таким образом, анализ и учет влияния различных параметров облака на эффективность кристаллизующих реагентов будет способствовать разработке более эффективных пиротехнических составов, также повлияет на правильную дозировку вносимого реагента и общий расход для достижения максимального эффекта в зависимости от поставленных целей проекта.