1. Парадокс пустыни.
Находясь на морском побережье пустыни невольно задаешься вопросом: почему с мая по октябрь, когда температура воздуха превышает +40°С, а вода разогревается до +35°С, в небе совсем нет облаков? Куда девается та влага, что испаряется с поверхности залива? Утром можно увидеть на земле лишь следы от капель воды вдоль домов. Это утренний ветер с моря пригнал влажный воздух, который оставил влагу на остывших за ночь шиферных крышах.
Причина отсутствия облаков при обилии «исходного материала» (морской атмосферной влаги) кроется в специфической структуре атмосферы прибрежной пустыни, порождаемой ее нагретой солнцем поверхностью. Не вдаваясь в тонкости, можно считать, что над разогретой поверхностью пустыни в атмосфере формируются задерживающие слои («температурные инверсии»), препятствующие подъему на высоту облакообразования влажного морского воздуха.
Кстати, с ноября по март облака над морем и побережьем холодных пустынных территорий не редкость, бывают и дожди. Такой вот разрыв кругооборота воды в природе в летнее время. Похожая картина характерна для прибрежных пустынь.
Пустыня как геообъект есть двумерная природная аномалия, тонкая и плоская – уже на высоте 5 км от жары нет и следа, за бортом мороз; под землей в пещерах тоже вполне сносно, а между этими «холодами» – зной, безводье и горячий песок (глина, камень). Тем не менее, эта природная аномалия устойчива и успешно расширяется на горе местному населению, этакий «стригущий лишай» планеты.
Занимают пустыни уже более одной пятой части всей земной суши (см.рис.1).
Рис.1. Пустыни планеты Земля
2. Надо ли что-то менять?
Более 1 миллиарда человек живут на территории пустынь. Для многих пустыня – родина, лучшее место на Земле.
Восток – дело тонкое: раньше предки мирились с пустыней и как-то выживали. Сегодня многие на востоке хотят жить как в Европе. Но что делать, если уже нет воды в арыке; куда податься бедному крестьянину пустыни, как прокормить свою многочисленную семью на безводной горячей земле? Нет воды – нет и еды. Простые люди бегут. Кто-то бежит в Европу, кто-то в армию или в наемники идет убивать/умирать за чьи-то деньги для своей семьи. Многие острые проблемы человечества разрешатся, если восстановить кругооборот воды в зоне пустыни и зазеленить ее, дать людям возможность своим трудом прокормить свою семью на той земле, где они появились на свет.
Жизнь на поверхности земли защищена зеленым листом. Лист своей тенью не дает солнцу отобрать у земли основу жизни – пресную воду. Листья защищают и кормят животных. Лист, в отличие от песка и глины пустыни, потребляет и расходует солнечную энергию на прирост биомассы, а не на подогрев атмосферы, что принципиально важно. Земля без листьев беззащитна перед солнцем: сначала сохнут болота, мелеют и исчезают реки, затем выветривается чернозем, оголяются слои глины, песка и осадочных пород. Возникает пустыня, которая сама себя и защищает и воспроизводит.
Многие пустыни испещрены сухими руслами рек, в прибрежных горных пустынях сохранились выходы рек к морю, остались рисунки на скалах. Когда-то там люди ловили рыбу и охотились на оленей и птиц.
В Книге Бытия сказано:
«Я дал вам всякую траву, сеющую семя, какая есть на всей земле, и всякое дерево, у которого плод древесный, сеющий семя; вам сие будет в пищу. А всем зверям земным, и всем птицам небесным, и всякому пресмыкающемуся по земле, в котором душа живая, дал Я всю зелень травную в пищу; и стало так. И увидел Бог все, что Он создал, и вот, хорошо весьма. И был вечер, и было утро: день шестой».
В зоне пустынь сейчас нет многого из того, что было дано в День шестой. Следует ли людям, наполнившим землю и обладающим ею, восстановить то, что было хорошо и вернуть данную изначально инфраструктуру жизни? Вопрос риторический.
3. Весна вместо лета.
Попробуем вернуть дожди и зелень в пустыни на основе применения промышленных атомно-энергетических технологий.
Рассмотрим климатическую ситуацию: летом над морем лето, а над пустыней (по какой-то причине) – весна. Весенними ночами в пустыне просто холодно. Никаких инверсий в атмосфере нет и в помине, а рядом с прохладной пустыней парит разогретое за день летнее море с атмосферой, перенасыщенной влагой (пресной!). Тогда ночью не будет препятствий для формирования и проникновения на «холодную» пустыню обычной дождевой облачности. Ночная гроза с ливнем вероятна, а облака и дождь – гарантированы. Как бы не потоп. А много воды в пустыне не бывает: что-то уйдет в песок и напоит растения, наполнит колодцы, озера или стечет обратно в море, что-то соберут люди. И такие вот дождики будут идти с весны до зимы, пока работает эффект «холодной» пустыни. Этакий «ночной» кругооборот воды в природе.
Дело за малым – превратить лето над пустыней в весну. Лет на 30, чтобы выросли деревья, кусты и травы, образовались озера, реки и болота.
Весна хороша сама по себе везде, даже в пустыне.
4. Заоблачные облака.
Сделать весну в летнее время в прибрежной пустыне можно, например, снизив (на 20-30%) уровень солнечной радиации над ее территорией с помощью создания над пустыней маловодной техногенной высотной облачности необходимой площади и плотности. На рис.2 (а, б) схематически показан этот принцип подавления барьера из горячих слоев воздуха с последующим проникновением на прибрежную территорию с моря природных маловысотных форм дождевой облачности.
Рис.2а
Рис.2б
В жаркое время года (рис.2а) воздушные потоки с моря блокируются восходящими («инверсионными») потоками горячего воздуха от поверхности. ТВО (рис.2б) снижает тепловой поток от солнца, поверхность «холодной пустыни» теряет способность к генерации мощных восходящих потоков. В отношении температуры воздуха суша и море поменяются местами.
Возникает циркуляция атмосферы, способствующая беспрепятственному распространению на континент морских воздушных масс.
Вечером и ночью эффект «холодной пустыни» будет усиливаться, над морем будет формироваться обычная дождевая облачность. Поддерживать поверхность пустыни в «охлажденном» состоянии следует на протяжении всего жаркого периода года.
Для практической реализации этого принципа необходимы три вещи:
- собственно техногенная высотная облачность (ТВО), маловодная, относительно долгоживущая,
- средство для перемещения ТВО в заданном направлении и
- средство для заброса необходимых для создания ТВО объемов влагосодержащего воздуха на заданную высоту.
Начнем со второго «средства». Это, конечно, ветер, только не приземный, направление и скорость которого могут меняться практически непредсказуемо, а высотный («самолетный», от 6 до 17км), близкий к геострофическому по свойствам и стабильный по направлению. Вне экваториальных широт и полюсов это высотный ветер верхней тропосферы западных направлений, скорость его варьируется в широких пределах от нескольких метров в секунду до 30-40м/с. Таким образом, средство для перемещения ТВО в предсказуемом направлении имеется практически всегда и везде, а конкретная территория пустыни, над которой поплывут техногенные облака, будет определяться выбором места расположения источника этой облачности.
Рис.3.
Рис.4. Облака перистые плотные (Ci sp).
Рис.5. Облака перисто-слоистые (Cs).Облака - универсальное природное средство для регулирования в широких пределах уровня падающей на землю солнечной радиации. Какую облачность лучше использовать? Известно, что высотные облака, порожденные деятельностью вулканов, существенно влияют на климат Земли. Для наших целей подойдут облака верхнего яруса, доминирующие на высоте свыше 6км. Прообразом этих облаков являются следы, иногда образующиеся за самолетами, летящими на большой высоте (Cirrocumulus tractus) (см. рис.3).
Перистые облака (Cirrus)—самые высокие из всех видов облаков. Они образуются в атмосфере на высоте 6—15 км, где в течение всего года температура воздуха порядка -20...-60°С., и состоят эти облака целиком из ледяных кристаллов. Подходящими для наших целей представляются следующие разновидности перистых облаков: перистые плотные (Cirrus spissatus, Ci sp), перисто-слоистые(Cirrostratus, Cs), перисто-кучевые(Сirrocumulus) и некоторые другие (см. рис.4, 5).
Водность (ηcs) их весьма мала – всего около 0.01 г/м3, т.е. ηcs=10т/км3, что принципиально важно для наших предложений. Измеримых осадков эти облака не дают. Прозрачность такой облачности зависит от ее толщины и водности. Показатель ослабления может обеспечивать снижение уровня солнечной радиации на 10% и более. Время существования перистых облаков может составлять десятки часов.
Перисто-слоистые облака (Cirrostratus) не имеют четких очертаний и представляют собой равномерно застилающую все небо туманную пелену, сквозь которую видны диски Солнца и Луны.
Переходим к главной теме – сколько морского воздуха нужно доставлять на высоту Эвереста и каковы энергозатраты?
5. Какое количество морского воздуха необходимо забрасывать на высоту Эвереста?
Оценим количество морского воздуха, которое нужно «задувать» на высоту 6÷15км за одни сутки (условное время жизни техногенного облака), т.е. найдем производительность источника ТВО. Неспешно двигаясь со скоростью, например,v=5м/с (18км/час), наша облачность за одни сутки распространится на расстояние L=24*18=432 км. При толщине облачности 0.5км и ширине 100 км объем ее составит V=432*0.5*100=22 тыс.км3.
Содержащаяся в ней вода (при водности перистого облака ηcs=0.01г/м3 =10т/км3) будет весить немало:
M= ηcs*V=220 тыс.т.
Если использовать в качестве «исходного сырья» воздух акватории тропических морей (с влагосодержанием ηw=30 г/м3 =30 тыс.т/км3), то производительность Q нашего источника ТВО (по воздуху) должна быть не менее:
Q= M/ ηw= 220000 (т/сутки) / 30000 (т/ км3) = 7.3 км3/сутки = 0.3 км3/час = 83 тыс.м3/сек.
Для скорости высотного ветра v=15 м/с производительность Q должна быть не менее 250 тыс. м3/сек. Площадь облачности составит 120 тыс. км2 .
6. Каковы энергозатраты?
Исходя из значения Qm=200тыс.м3/сек.оценим мощность N, необходимую для достижения воздушной струи высот 6км и более. Пусть начальный диаметр воздушной струи D0= 60м, 80м и 100м. Соответственно Qm начальная скорость струи v0=71м/с, 40м/с и 25м/с – это скорость воздуха в аэродинамической дозвуковой трубе. Вертикальные струи воздуха таких выходных параметров, согласно оценке по известной формуле Пристли, могут достигать в нестратифицированной атмосфере высот более 10 км (см.график). На графике величина w– максимальная скорость в потоке воздуха на расстоянии zот сопла.
График (( ln w(z) ))Мощность, необходимая для обеспечения выходных параметров таких струй, может быть рассчитана по формуле N~(π/8)*ρ*D02*v03 , где ρ - плотность воздуха. Видно, что мощность составит 70 и более мегаватт, вполне реальные мегаватты даже для плавучих АЭУ.
7. Очень полезная модель.
Теперь о самом техническом средстве для заброса «исходного сырья» на рабочую высоту 6÷17км. Назовем это техническое средство «LAND-COOLER» - «охладитель земель», далее просто COOLER.
COOLER (рис.6) предназначен для использования неограниченных запасов пресной воды в виде пара в атмосфере над акваториями ближайших к пустыням морей.
Рис.6 Виртуальная модель COOLERa с 8 инжекторамиCOOLER должен удовлетворять следующим основным требованиям:
- Поставлять в небеса только продукт природного взаимодействия моря и солнца;
- Работать длительно (9-12 месяцев) и бесперебойно;
- Быть энергонезависимым;
- Не зависеть от направления и силы приземных ветров;
- Иметь морское (островное) базирование;
- Обладать надежной защитой от цунами и других водных стрессов;
- Вырабатывать (дополнительно к пункту 1) пресноводный конденсат;
- Быть подконтрольным международному сообществу.
Рис.7 Инжектор – пустотелое железобетонное сооруженое цилиндрической формы высотой 400м и более, диаметром ~ 40-100м, содержащие электровентиляторные установки и трубные конструкции для подогрева и заброса увлажненного воздуха на расчетную высоту ~ 10кмОснову COOLERа составят инжекторы (рис.7) – пустотелые железобетонные сооружения цилиндрической формы высотой 400м и более, диаметром ~ 40-100м, содержащие электровентиляторные установки и трубные конструкции для подогрева и заброса увлажненного воздуха на расчетную высоту ~ 10км. На рис.6 показан вариант COOLERа с 8 инжекторами.
В качестве источников энергии для COOLERа могут использоваться (в зависимости от площади затеняемых территорий) АЭС общей мощностью 200÷1000 МВт. Собственно, COOLER представляет собой атомную энергетическую установку, работающую на свои градирни-инжекторы.Тепловая мощность, уходившая в градирни, здесь используется для подогрева забрасываемого воздуха с целью повышения плавучести воздушной струи.
Установки типа COOLER предоставляют возможность эффективного использования как плавучих, так и стационарных АЭУ малой и средней мощности. В условиях конкуренции на рынке строительства АЭС отечественному атомному машиностроению будет что противопоставить экспансии южнокорейских и др. производителей мощных атомных энергоблоков.
Высота инжекторов COOLERа (~400м) должна обеспечивать независимость работы станции от приземных ветров.
COOLER будет работать также в режиме промышленной конденсации атмосферной влаги моря, приэтом специальные вентиляторы подают морской воздух не в инжекторы, а на охлаждение в специальные охладители-конденсаторы, охлаждающей средой для которых является морская вода. Образующийся пресноводный конденсат (до 2т/сек) может накапливаться в резервуарах станциии транспортироваться на побережье.
8. Почему именно атомные энергоустановки?
Электроприводу инжекторов COOLERа в принципе все равно, откуда поступает электроэнергия. Главное, чтобы она поступала бесперебойно и нужной мощности. COOLERы не должны критически зависеть от конъюнктуры энергорынка, экономических и политических коллизий, т.к. их бездействие в жаркое время года может свести на нет усилия по реанимации пустыни. Изредка заправляемые топливом, они должны работать годы и десятилетия без длительных капремонтов и замен основного оборудования. Таким жестким условиям соответствуют только атомно-энергетические установки.Электростанция на газе/нефти не подойдет, т.к. продукты его сгорания испортят качество «исходного сырья» - морской атмосферной влаги; требует развитой инфраструктуры; органическое топливо может недопустимо подорожать и т.п.
Компактные модульные атомные энергоблоки по 100-200МВт в количестве 2-5шт. идеально подойдут в качестве источников энергии для COOLERов, гарантированно и бесперебойно обеспечат энергией станцию морского базирования на много лет. Находиться энергоблоки должны на территории станций либо на ближайшем берегу. Конструкции атомных энергоблоков должны быть устойчивы к цунами и прочим морским стрессам.
Человечество пока еще не в силах создавать дождевые облака, способные напоить пустыню, но технической возможностью восстановить кругооборот воды в зоне прибрежных пустынь и помочь обычным дождевым облакам добежать до высохших рек и озер на континенте, оно уже обладает.
9. Мечтать не вредно.
Борьба с пустынями будет длительным сражением с невидимым врагом. Победит, конечно, человек, вооруженный атомными технологиями. Начинать следует с молодых пустынь, где еще сохранилась водная инфраструктура: стоки рек, следы озер, колодцы, оазисы. Тогда осадки (и затраты) не уйдут в песок, да и природе будет легче адаптироваться к новым условиям. Важно также наличие национального и международного согласия по вопросу о дополнительных водных осадках на территории их стран.
Решению о строительстве атомных станций «LAND-COOLER»будут предшествовать предпроектные изыскания с использованием авиации, анализмноголетних метеоданных, в ходе которых определится роза высотных воздушных течений, оптимальные параметры техногенной высотной облачности и площадка для строительства.
Далее – доставка плавучих или монтаж компактных атомно-энергетических установок, строительство инжекторов COOLER, наращивание мощности и количества инжекторов.
Для ликвидации одной прибрежной пустыни может потребоваться работа нескольких станций COOLER, расположенных вдоль побережья. Работа должна вестись параллельно с массированным наземным озеленением пустынных территорий.
Краткосрочной (3-5лет.) перспективой работы атомных станций «LAND-COOLER» станет снижение среднегодовых температур, сокращение засушливого периода, снижение дефицита пресной воды, расширение площади сельскохозяйственных угодий за счет пустыни.
Долговременной (5 – 30 лет.) перспективой работы атомных станций «LAND-COOLER» будет восстановление кругооборота воды и ликвидация (озеленение) пустыни на континенте, а также возрождение лесов, естественных водоемов, распространение комфортного климата на территории бывшей пустыни.
10. Перспективные пустыни.
К перспективным для применения атомных COOLERов относятся в первую очередь омываемые с запада морями пустынные территории Австралии, Ирана, Индии, пустыни Северной и Южной Америк, Южной Африки, прибрежные зоны пустыни Сахара, а также пустыни стран Ближнего востока и Аравийского полуострова. Территории стран, омываемые морями, например, с востока, также могут быть включены в перечень перспективных для корректировки климата с использованием станций «LAND-COOLER» при наличии в их атмосфере стабильных высотных воздушных течений восточного направления. Площадь охлаждаемых территорий зависит от количества построенных станций и может составить 300 тыс.км2 и более, что сопоставимо с площадью Большой пустыни Виктория (Австралия), пустынями Руб-эль-Хали, Большой Нефуд (Саудовская Аравия) и др.
COOLERы могут использоваться не только для восстановления кругооборота водына территории прибрежных пустынь, но и в качестве средства корректировки нежелательных климатических изменений на благополучных территориях Европы и Северной Америки, нуждающихся в стабилизации климата, снижении максимальных летних (и среднегодовых) температур, в борьбе с антициклонами и т.п. Влияние станций COOLER может ощущаться на расстоянии до 1000 км от берега.
Атомные COOLERы полностью управляемы, могут оперативно менять структуру техногенной высотной облачности, а также свой режим работы вплоть до остановки генерации облачности, не прекращая работу в качестве производителя и поставщика конденсата морской атмосферной влаги.
11. Издержки производства.
Локальное воздействие на природу с целью улучшения климата - именно так следует оценивать восстановление кругооборота воды в зоне прибрежных пустынь с помощью станций типа «LAND-COOLER». Реанимация территорий пустынь, наряду с обеспечением работой и ростом благосостояния населения на ожившей земле, сопряжена со сменой векового жизненного уклада народов, приспособившихся к жизни в экстремально трудных условиях пустыни, заменой жилищ, сменой биосферы и другими неудобствами. Также вблизи может быть довольно шумно – этакие иерихонские трубы в океане.
Вообще-то можно придумать много причин, чтобы ничего не делать с пустынями, а только убегать, приспосабливаться и терпеть, страдать и причинять страдания другим.
12. Манифест атомного COOLERа.
Опресненная морская вода из крана никогда не заменит людям обычного дождя, реки. Тотальная экономия пресной воды, капельный полив, кондиционеры, «силиконовые долины» и альтернативная энергетика пустынь – это не выход, это всего лишь отдаление момента бегства человека с проблемной территории. Пустыню нужно не использовать во благо, а лечить. Лечить облаками и дождями, пока не зазеленеет.
Что ждет Землю в будущем – глобальное потепление или глобальное похолодание - науке неизвестно. Доподлинно известно лишь, что пустыни наступают, отнимая у людей воду, еду и свободу. Перегрев, обезвоживание суши и лесные пожары стали реальной проблемой для населения европейских странах.
Мы должны помочь природе охладить землю, восстановить кругооборот воды, вернуть реки и зелень травную на территории прибрежных пустынь, дать миллиарду людей возможность комфортно жить и трудиться на своей земле.
Необходимое средство для охлаждения земель – атомный COOLER. Молодые инженеры, менеджеры – за работу, ведь проект «COOLER» - это круто. Круче не бывает!
Авторы
Рогожкин Владимир Владимирович (к.ф-м.н.), Мишин Евгений Борисович (ОАО “Атомэнергопроект”, Москва)