Способ определения траектории частиц в атмосфере

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ ЧАСТИЦ В АТМОСФЕРЕ, при котором шар-зонд перемещают по вертикали, отличающийся тем, что, с целью увеличения времени в точности отслеживания траектории движения облака частиц примеси за счет удержания шара-зонда в верхней части облака вблизи его центра масс, предварительно определяют зону с максимальной величиной отрицательного вертикального градиента концентрации примесей, а перемещение шара-зонда осуществляют путем его периодического опускания и поднимания в зоне с максимальной величиной отрицательного вертикального градиента концентрации примеси.

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано, в частности, для определения траектории движения аварийного выброса загрязняющих веществ в атмосфере.
Известен способ отслеживания траектории движения области с заданной плотностью в атмосфере с помощью тетронов [1] Недостаток способа в его низкой точности при отслеживании облака частиц, так как плотность последнего может меняться, например, при перемещениях облака по вертикали, что из-за сдвига ветра ведет к отклонению траекторий облака и тетрона. Кроме того, при наличии на пути движения тетрона возвышенностей из-за пересечения им циклонов возможны случаи, когда область с заданной плотностью окажется на уровне земли, в результате чего произойдет удар тетрона о землю и его разрушение. Этот недостаток является особенно существенным, так как наибольший интерес для практики представляет отслеживание облаков примеси, образующихся, как правило, на небольших ( 100 м) высотах.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ определения траектории частиц в атмосфере [2] с помощью шара-зонда, снабженного системой для автоматического регулирования подъемной силы. Система управляется датчиком вертикальной скорости потока таким образом, чтобы устранить возникающие по каким-либо причинам относительные движения шара-зонда и окружающей его среды. При этом шар-зонд отслеживает траекторию движения частиц воздуха, а также увлекаемой им (пассивной) примеси.
Недостатком способа является то, что траектории отдельных частиц примеси в силу турбулентного характера их переноса не являются достаточно репрезентативными для всего облака примеси. Частицы воздуха, а вместе с ними и шар-зонд, могут оказаться на краях облака вдали от его центра масс, что в условиях пространственной неоднородности поля ветра ведет к заниженной точности определения траектории основной массы частиц. Однако основным недостатком прототипа является высокая вероятность удара шара-зонда о землю уже на сравнительно небольших расстояниях от источника примеси в тех случаях, когда траектория отслеживаемых частиц приближается к земной поверхности. Расстояние, на котором вероятность касания шаром-зондом земли равна 1/2 оценивается для типичных метеоусловий как 10h [1] где h начальная высота шара-зонда, что явно недостаточно для отслеживания облаков примеси от наземных источников на мезомасштабные ( 100 км) расстояния. Кроме того, способ не позволяет отслеживать траектории частиц непассивной примеси (легкий газ, крупнодисперсный аэрозоль и т. д.), движущихся относительно окружающей их среды.
Целью изобретения является увеличение времени и дальность отслеживания частиц примеси и повышение точности определения их средней траектории за счет автоматического удерживания шара-зонда в верхней части облака примеси вблизи его центра масс, а также расширение области применения на случай непассивной примеси.
Поставленная цель достигается тем, что в способе определения траектории частиц в атмосфере с помощью шара-зонда способного перемещаться по вертикали по заданной программе в отличие от прототипа предварительно определяют зону с максимальной величиной отрицательного вертикального градиента концентрации примесей, а перемещение шара-зонда осуществляют путем его периодического опускания и поднимания в зоне с максимальной величиной отрицательного градиента концентрации примеси.
Периодические перемещения шара-зонда по вертикали (сканирование) поперек зоны с примесью являются необходимым условием, так как при отсутствии их становится неясной причина возможного изменения контролируемого с помощью аппаратуры зонда параметра примеси: либо облако сместилось вверх, либо оно сместилось вниз, либо равномерно диффундировало и, как следствие, возникает неопределенность в управляющей шаром-зондом команде.
Команду на изменение направления перемещения шара-зонда нельзя давать ни на основании абсолютной величины контролируемого параметра в силу ее большой изменчивости для различных облаков примеси и ее эволюции во времени, ни на основании относительных значений параметра, так как это не позволяет локализовать область сканирования внутри облака. Теоретически возможно использовать сканирование облака от заданной минимальной высоты в атмосфере до высоты, на которой значение контролируемого параметра станет ниже порогового. Однако такое сканирование ведет не только к неоправданным экономическим затратам и усложнению реализации способа, но, самое главное, к большим погрешностям определения траектории центра масс облака и в конечном счете потери его из-за чрезмерно большой амплитуды сканирования в неоднородном поле ветра. Таким образом, при управлении сканированием надо ориентироваться на характерные особенности высотного профиля, контролируемого параметра. Однако в качестве такой особенности нельзя использовать максимум параметра в основном из-за того, что этот максимум уже на расстоянии порядка 10 h оказывается вблизи поверхности земли и становится неизбежным удар зонда о землю.
Согласно изобретению сканирование облака шаром-зондом производят поперек зоны с максимальным отрицательным (т.е. с ростом высоты параметр уменьшается) градиентом контролируемого параметра примеси. Эта зона (а вместе с ней и шар-зонд) всегда находится в верхней части облака, что предотвращает столкновение зонда с землей и увеличивает время его отслеживания. Кроме того, при обычной в среднем полугауссовой форме распределения концентрации частиц с высотой на расстояниях превышающих 10 h, центр масс частиц облака находится практически в указанной зоне. В силу этого различия в траектории движения шара-зонда и центра масс облака невелики.
При идеально гладком высоком профиле контролируемого параметра примеси амплитуда сканирований определялась бы лишь инерционностью аппаратуры зонда, сигнализирующей о прохождении максимума отрицательного градиента. Однако в действительности профиль контролируемого параметра является флуктуирующим. Поэтому при принудительном перемещении шара-зонда согласно предлагаемому способу проводится усреднение контролируемого параметра и направление перемещения зонда не изменяется до тех пор, пока надежность регистрации момента пересечения зондом контролируемой зоны не превысит заданное значение. При этом амплитуда сканирования оказывается существенно меньшей размеров всего облака и может быть еще более снижена путем оптимизации операции усреднения или сглаживания сигнала с помощью, например, гауссовых кривых, учитывающих результаты предыдущих сканирований.
Приведем конкретный пример реализации способа. Допустим, произошел аварийный выброс в атмосферу радиоактивной примеси и требуется отследить траекторию движения облака примеси. Для этого используем шар-зонд, снабженный системой принудительного изменения его подъемной силы, например, источником тепла в виде газовой горелки, которая при необходимости подъема шара включается, а для его опускания выключается. Шар-зонд снабжен также барометром и датчиком концентрации примеси, которую в рассматриваемом примеpе проще проконтролировать, изменяя мощность -излучения. Выходы датчика и барометра соединены с вычислительной схемой, которая усредняет сигнал датчика, по показаниям барометра определяет изменение высоты, вычисляет градиент мощности -излучения, выделяя при этом с заданной надежностью его максимальное отрицательное значение. После прохождения максимума указанного градиента схема дает команду на изменение режима работы горелки.
Описанный шар-зонд запускают в облако примеси. По мере подъема зонд пересекает нижнюю часть облака, в которой наблюдается рост с высотой мощности -излучения, т. е. его градиент положителен. В этом случае шар-зонд будет продолжать подъем, так как вычислительная схема реагирует только на отрицательный градиент. Зонд поднимается до тех пор, пока градиент мощности -излучения станет отрицательным и достигнет максимальной величины. Таким образом определяется зона с максимальной величиной отрицательного вертикального градиента концентрации примеси. При дальнейшем подъеме градиент уменьшается и, когда схема зафиксирует уменьшение отрицательного градиента с заданной надежностью, то она выдает команду на прекращение работы горелки. Начинается охлаждение шара-зонда и его подъем сменяется спуском. При спуске шар-зонд снова попадает в зону максимального отрицательного градиента мощности -излучения и после прохождения этой зоны, схема выдает команду на включение горелки. Зонд начинает подниматься. Цикл повторяется. При таком сканировании шар-зонд все время удерживается в верхней части облака вблизи его центра тяжести.
Указанный характер движения шара-зонда, кроме повышения точности отслеживания центра тяжести облака, предотвращает столкновение зонда с землей, когда облако проходит вблизи нее и за счет этого увеличиваются дальность и длительность отслеживания примеси с помощью шара-зонда, при этом не существенно наличие относительных движений частиц примеси и окружающих их частиц воздуха.
Использование: при наблюдении за аварийным выбросом загрязняющих веществ в атмосферу. Сущность изобретения: в облако примеси запускают шар зонд, снабженный датчиком концентрации примеси и схемой определения градиента концентрации, управляемой системой перемещения шара зонда по вертикали. Перемещения шара зонда по вертикали производят путем периодического чередования движений шара зонда вверх вниз (сканирования), причем команду на изменение этого перемещения дают после прохождения зоны с максимальной величиной отрицательного вертикального градиента концентрации примеси.