Сокращённый вариант статьи автора «Possible method of destruction of cyclone by microwave electromagnetic radiation», опубликованный в открытом доступе в британском журнале «Journal of Engineering and Manufacturing Technology» (JEMT, апрель 2018).

Сущность проблемы

Циклоны (рис. 1), периодически зарождающиеся в тропической зоне Земли, обладают громадной энергией. Действие циклона приводит к многочисленным человеческим жертвам и огромным разрушениям.

Так, например, циклон «Катрина», действовавший в Североатлантическом бассейне в 2005 г., причинил США экономический ущерб в размере более 100 млрд. долларов [1]. Все попытки обуздать или хотя бы уменьшить разрушительную силу циклона пока не увенчались успехом.

Сделаем попытку предложить для решения данной глобальной задачи способ разрушения циклона на начальном этапе его зарождения с помощью мощного СВЧ электромагнитного излучения.

Три фазы развития циклона

1-я фаза связана с зарождением циклона, представляющего собой атмосферное образование с пониженным давлением воздуха в центре и с закрученными в спираль воздушными потоками, со скоростью ветра более 17 м/с [2, 3].

Возникает такой циклонический вихрь над тропической акваторией океана на широте между 5⁰ и 20⁰. Прогретый воздух, насыщенный влагой, поднимаясь с поверхности океана на большую высоту, охлаждается, вследствие чего водяные пары конденсируются и выделяют тепло, питающее энергией зарождающийся циклон.

В нижней части циклона может происходить перемещение воздуха к центру оси. Но основная масса воздуха зародившегося циклонического образования, под воздействием земной силы Кориолиса, связанной с вращением Земли, начинает вращаться вокруг квазивертикальной оси против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой – в южном.

2-я фаза включает постепенное развитие циклона – вращающегося столба воздуха со скоростью до 40–50 м/с, высотой от 2 до 20 км и радиусом до 150 км. Процесс развития циклона завершается при установлении состояния динамического равновесия между тепловой энергией испарения, питающей циклон, и охлаждением океана в силу перемешивания его вод.

3-я фаза связана с разрушением циклона, когда суммарная энергия всех потерь (охлаждение за счёт океана, трение о земную поверхность, преодоление препятствий) начинает превосходить тепловую энергию, питающую вихревое воздушное образование.

Определим энергию циклона как вращающегося столба воздуха (рис. 2), плотность которого с высотой уменьшается по закону:

где h – текущая высота циклона в км.

Тогда кинетическая энергия вращающегося столба воздуха будет:

где R – радиус циклона, км; H – высота циклона, км; V (м/с) – скорость ветра на периферии циклона; r(h) – плотность воздуха, определяемая согласно уравнению (1).

Приняв для зарождающегося циклона V = 13 м/с, H = 1 км и R = 1 км, получим согласно (2) оценку его энергии: W @ 1,5 10¹¹ Дж.

Для сформировавшегося циклона примем: V = 27 м/с, H = 10км и R = 150 км. В этом случае получим: W = 10¹⁷ Дж.

Для сравнения укажем, что энергия, выделяемая при взрыве водородной бомбы в 20 Мт, составляет 10¹⁷ Дж, что вполне сравнимо с энергией сформировавшегося циклона.

С позиций физики циклон есть своеобразная тепловая машина, в которой тепло, отобранное от океана, преобразуется в кинетическую энергию вращающегося воздушного вихря.

Такое преобразование возможно благодаря уменьшению температуры воздуха с высотой, т.е. отрицательному значению производной dT/dh < 0, и вращению Земли.

С позиции теории колебаний циклон – вращающийся столб воздуха вокруг вертикальной оси – можно трактовать, как объёмный автоколебательный процесс, проходящий три фазы развития, стремящийся к предельному циклу – состоянию равновесия между энергией, питающей циклон (тепловая энергия испарения), и суммарной энергией всех потерь.

Компьютерно-мнемоническая модель тропического циклона

Составим мнемоническую модель тропического циклона, рассматриваемого в качестве автоколебательной системы объёмного типа. Такая модель только внешне, условно описывает происходящие в нём процессы.

В соответствии с принятыми в гидроаэродинамике допущениями составленные уравнения отражают динамический процесс для каждой из частиц исследуемой среды в плоскости x–y.

Два примера решения составленных уравнений по компьютерной программе приведены на рис. 3 и 4. Первый из них (рис. 3) отражает состояние системы в установившемся режиме, второй (рис. 4) – затухание (разрушение) процесса при вводе в систему некоторых потерь (пока неясной физической природы).

Возможный метод разрушения циклона.

Итак, согласно мнемонической модели в циклон – автоколебательную систему объёмного вида – следует «впрыснуть» дополнительную энергию, и тем самым нарушить установившийся в ней баланс между тепловой энергией, питающей циклон, и кинетической энергией вращающегося столба воздуха.

Предложим такой способ: распылим внутри циклона – в столбе зарождающегося вихревого образования (рис. 2) – мелкие кусочки графита с тонкими отрезками проволоки (антеннами, рис. 5). Направим на такой столб воздуха электромагнитное излучение, благодаря которому температура частицы графита существенно возрастет.

В результате баланс энергий в рассматриваемой системе изменится, что предположительно приведёт возрастающий автоколебательный процесс к срыву.

Лабораторный эксперимент

С целью проверки идеи о дистанционном нагреве графитовых частиц путём их электромагнитного облучения был поставлен следующий лабораторный эксперимент.

На расстоянии 5 см от рупорной антенны с магнетроном (частота 2,45 ГГц, мощность 800 Вт) были размещены графические тонкие стержни и керамические шарики, на которые были прикреплены тонкие проволоки длиной l = λ/4 = 3 см – четвертьволновые антенные вибраторы (рис. 5).

Основной результат эксперимента: графитовый стержень при массе в 0,7 г нагревается до температуры 100°С за 50 с. Для этого требуется мощность СВЧ сигнала величиной в 1 Вт и расход энергии в 50Дж. Аналогичный результат был получен при замене графита керамическими шариками с такими же теплофизическими свойствами.

О промышленной установке разрушения циклона

После обнаружения зарождающегося циклона с помощью спутниковой системы наблюдения за состоянием океана в соответствующий район направляется группа кораблей с оборудованными на них мощными СВЧ генераторами и параболическими антеннами.

Основой СВЧ-генераторов являются магнетроны или прямопролётные клистроны. Графитовые или керамические шарики с мини-антеннами сбрасывается в зарождающийся циклон с помощью беспилотных летательных аппаратов.

Приведём основные результаты энергетического расчёта по облучению столба зарождающегося циклона СВЧ электромагнитным облучением (рис. 5): расстояние между СВЧ генератором, установленным на корабле, и циклоном – 10 км, частота сигнала – 2,45 ГГц, мощность –100 кВт, диаметр зеркала параболической антенны D = 7,3 м, плотность мощности сигнала в столбе циклона с графитовыми или керамическими шариками – 4,2 Вт/м², количество вброшенных в циклон графитовых или керамических шариков – 1 миллион с общей массой в 1 тонну, время облучения – 10 часов, суммарная величина СВЧ энергии, впрыскиваемой в циклон, – 10⁹ Дж.

В результате разогрева частиц графита или кремния до температуры в 100⁰С начнётся процесс быстрого испарения влаги во вращающемся столбе воздуха, что и приведёт к разрушению циклона. Облучать циклон можно одновременно с помощью нескольких СВЧ генераторов.

Для более точного определения параметров системы (мощности облучения и количества сбрасываемого графитового или керамического материала) следует предварительно провести обширный эксперимент в специально оборудованном бассейне с морской водой.

Заключение. Рассмотрен физический принцип, который может быть положен в основу возможного метода разрушения циклона на стадии его зарождения – путём нагрева частиц графита или керамики с помощью СВЧ электромагнитного облучения. Определены основные параметры системы, реализующей данный принцип.

Ещё раз подчеркнём, что сначала следует провести обширный эксперимент в специально оборудованном бассейне для фиксирования процесса разрушения столба воздуха, искусственно созданного с помощью мощного вентилятора, и более точного определения параметров предлагаемой системы.

Литература

1. Интернет. Статья «Циклон Катрина»
2. Погосян Х.П. Циклоны. – Л.: Гидрометеоиздат, 1976.
3. O.M.Philips. The dynamics of the upon ocean. – London: Combridge University Press, 1977.
4. Каганов В.И. Колебания и волны в природе и технике. – М.: Горячая линия - Телеком, 2007.

В.И. Каганов, доктор технических наук, профессор МИРЭА