|
Всем правительствам и заинтересованным лицам предлагается технология, потенциально
пригодная для генерации озона в стратосфере, позволяющая закрыть "озоновые дыры" и
полностью защитить все живое на Земле, в первую очередь людей, от излишнего излучения
в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне.
Группа под руководством академика РАН Александра Викторовича Гуревича провела обширный
цикл лабораторных экспериментов в условиях, аналогичных стратосферным, а также теоретических
исследований, и разработала основы технологии создания искусственной ионизованной области
(ИИО) в стратосфере с помощью сверхвысокочастотного (СВЧ) разряда наносекундной длительности.
Показано, что производительность такого озонатора в стратосфере соответствует показателям
лучших озонаторов, используемых на Земле. Установлено, что при низких давлениях и
температурах Т - 200-220К, характерных для условий стратосферы, интенсивная генерация
озона при СВЧ-пробое группами коротких наносекундных импульсов практически не сопровождается
ростом концентрации оксидов азота, играющих важную роль в каталитических реакциях разрушения
озона. Экспериментально доказана также возможность эффективной генерации озона в допробойных
электрических полях. Показано, что благодаря длительному времени жизни, ветрам и турбулентной
диффузии озон, генерируемый в локальной области на высоте 18-20км, может распространяться на
значительные расстояния и создавать искусственное дополнительное озонирование в стратосфере.
Озон относится к малым нейтральным составляющим земной атмосферы. Несмотря на то, что на
соответствующей высоте его максимальная концентрация примерно на 5 порядков меньше концентрации
молекул воздуха, он защищает все живое на Земле от губительного действия УФ излучения Солнца.
Озон распределен по высоте весьма неравномерно. На высотах 18-30км существует явно выраженный
максимум. Область высот вблизи максимума, где сосредоточена основная масса озона, называется
озоновым слоем. Распределение озона в стратосфере формируется в результате химических
процессов и под влиянием целого ряда факторов: УФ-излучения Солнца, крупномасштабной
циркуляции воздуха в атмосфере, турбулентной диффузии, распределения температуры воздуха
в стратосфере. Воздействие перечисленных факторов различно на разных широтах, что ведет
к зависимости параметров озонового слоя от широты. Поглощение УФ-излучения Солнца озоном
зависит от длины волны и при увеличении концентрации озона в слое возрастает экспоненциально.
Поэтому даже незначительное уменьшение общего содержания озона может приводить к сильному
изменению интенсивности УФ-излучения, достигающего поверхности Земли. Это и есть та
чрезвычайно важная особенность, которая служит причиной повышенного внимания, уделяемого
анализу состояния озонового слоя учеными и мировой общественностью.
Наблюдения за озоновым слоем показывают, что концентрация озона в слое меняется не
только с широтой, но также от сезона к сезону и от года к году. Весной 1985г. над Антарктидой
было обнаружено значительное понижение концентрации озона, получившее условное название
"озоновой дыры". Дальнейшие наблюдения в стратосфере Антарктиды выявили весьма сложную
динамику поведения "озоновой дыры". В начальный период наблюдения (1985-1987гг.) ее площадь
непрерывно возрастала и длительность ее существования увеличивалась, что вызывало
определенное беспокойство. В дальнейшем, однако, характер ее изменения стал гораздо менее
определенным, полной ясности в динамике поведения "озоновой дыры" над Антарктидой нет
и по сей день.
Считается, в частности, что заметный вклад в уменьшение концентрации озона вносит
антропогенное воздействие. Такое воздействие может возрастать, и это вызывает естественное
опасение за судьбу озонового слоя. Впервые его высказали в начале 70-х годов Г.Джонсон и
П.Крутцен, обратившие внимание на выбросы оксидов азота при полетах стратосферной авиации.
В дальнейшем кроме азотного были указаны еще хлорный (связанный с распадом фреонов) и
водородный каталитические циклы, также приводящие к уничтожению озона. Это побудило
мировое сообщество принять ряд мер по ограничению производства веществ, оказывающих
негативное воздействие на состояние озонового слоя.
В 1985г. была принята Венская конвенция по защите озонового слоя, а в 1987г. -
Монреальский протокол, согласно которому страны, его подписавшие, обязываются резко
сократить выпуск долгоживущих фреонов и других разрушающих озон веществ.
Однако ответ на вопрос о необходимости и достаточности этих действий остается и сегодня
неясным. Дело в том, что наблюдение за состоянием озонового слоя с точки зрения
антропогенного воздействия не имеет существенной предсказательной силы вследствие возможности
многолетнего существования в атмосфере малых примесей каталитических веществ и плохого
контроля за их попаданием в атмосферу. Теоретическое же описание влияния малых примесей
на озоновый слой весьма затруднительно – для этой цели необходимо рассматривать одновременно
несколько сот уравнений, описывающих цепь химических реакций. При этом отнюдь не для всех
реакций коэффициенты достаточно хорошо известны. Если добавить к этому влияние
ультрафиолетового излучения Солнца, атмосферных ветров, турбулентности, а также
стратосферных облаков, в которых протекают сложные гетерогенные реакции с участием
азотных и хлорных соединений, то становится ясным, что чисто теоретические расчеты не
могут служить источником сколько-нибудь надежных предсказаний поведения озонового слоя.
Не случайно, в частности, не оправдались ни предсказания Джонстона и Крутцена о значительном
понижении к концу 80-х годов концентрации озонового слоя, ни вытекающие из наблюдений
Фармана предсказания о катастрофических последствиях роста антарктической "озоновой дыры".
В этих условиях всем заинтересованным в сколько-нибудь долгосрочном существовании жизни на
Земле стоит также способствовать проведению необходимого мониторинга озонового слоя, а
также проведению экспериментов, которые бы позволили значительно увеличить понимание
процессов, происходящих в стратосфере, а также обосновать возможность противостоять
негативным процессам, если будет зафиксировано их развитие.
Экспериментальное исследование предлагается проводить с использованием искусственной
ионизованной области (ИИО), создаваемой в стратосфере с помощью импульсного СВЧ-пробоя
в пересекающихся пучках мощных электромагнитных волн, посылаемых наземными источниками.
Использование коротких наносекундных СВЧ-импульсов и низкая температура газа в стратосфере
определяют отсутствие в таком случае негативных экологических эффектов.
Схема предположительного осуществления натурного эксперимента приведена на рис. 1.
С помощью наземных антенн в атмосферу посылаются два пучка мощных электромагнитных волн
на частотах 10-40ГГц. В области их пересечения на высотах Н = 20-30км, где электрическое
поле особенно велико, возникает газовый разряд, т.е. образуется ИИО, которая так же,
как и разряд в озонаторе, будет эффективным источником озона. В ИИО электроны плазмы
получают энергию от электрического поля и производят диссоциацию молекул кислорода, а
затем атомы кислорода конвертируют в озон.
|
Рис.1
Схема создания искусственной ионизованной области (ИИО)
|
В приведенной на рис.1 схеме для ионизации воздуха за наносекундные промежутки времени
необходимы высокие напряженности электрического поля в пучках. Оценки показывают, что
в трехсантиметровом диапазоне длин волн для создания ИИО на высоте 30км с помощью антенн
диаметром 100м, расположенных на расстоянии 30км одна от другой, импульсная мощность
в волновых пучках должна превышать значение р = 4x109 Вт при длительности
импульса t = 50нс. Этот уровень мощности уже достигнут на современных СВЧ-генераторах
в лабораторных экспериментах. Таким образом, создание атмосферного СВЧ-разряда
оказывается вполне возможным при современном состоянии развития техники. Создание
ИИО на высотах порядка нескольких десятков километров пересекающиеся пучки более
целесообразны, чем одиночный пучок электромагнитных волн. В пересекающихся пучках
могут быть в принципе достигнуты гораздо большие значения концентрации электронов и
обеспечена возможность контролируемого изменения положения ИИО в пространстве. ИИО можно
как создавать в заданном месте, так и легко перемещать.
|
Рис.2
Схема пробоя в пересекающихся пучках (а) и область пересечения пучков (б).
Цифрами 1 и 2 отмечены импульсы, излучаемые передатчиками
|
На рис.2а представлена общая
схема пробоя в пересекающихся пучках, а на рис.26 — область пересечения пучков, где
жирные линии соответствуют пучностям, возникающим вследствие интерференции когерентных полей.
Схема одной из экспериментальных установок приведена на рис.3.
|
Рис.3
Схема экспериментальной установки:
1 - генератор, 2 - СВЧ-излучение, 3 - сферическое зеркало,
4 - водородная лампа, 5 - диафрагмы, 6 - многоканальный анализатор
спектра OVA-284, 7 - охлаждаемая жидким азотом колба
|
Излучение от СВЧ-генератора
в виде гауссова волнового пучка направлялось на сферическое металлическое зеркало диаметром
24см с радиусом кривизны R = 30см. Зеркало формировало волновой пучок, который
фокусировался в центр сферической кварцевой колбы объемом порядка 900см3.
Стенки колбы могли охлаждаться жидким азотом. Температура газа устанавливалась равной
температуре стенок и изменялась в диапазоне Т = 200-300К. Разряд зажигался в фокусе
зеркала и представлял собой набор плазмоидов, расположенных в пучностях стоячей волны,
образованной падающей и отраженной от зеркала электромагнитными волнами.
Естественные возможности распространения озона в озоновом слое, а также возможность
перемещать область генерации озона на большие расстояния позволяют расположить генераторы
мощных электромагнитных волн – СВЧ-комплексы в достаточно удаленных областях с тем,
чтобы их работа не создавала отрицательных экологических последствий на поверхности
Земли. Средняя мощность одного описанного СВЧ-комплекса будет составлять до 1МВт
|
