Технологије уношења реагенса у облак

Засијавање облака, као основни вид антропогене модификације времена, представља сложен технички проблем, који је рјешен израдом разних врста и типова генератора за земаљско и авионско засијавање, израдом ракета и артиљеријских граната пуњених реагенсом, као и других пиротехничких средстава такође пуњених реагенсом.

Ова технологија користи се прије свега у превентиви спречавања падања града, али има и могућност за примјену у стимулацији падавина и спречавању јаких олуја. Ракете су дизајниране за испуштање нуклеидног материјала (реагенса) дуж путање облака. Посада за лансирање добија појединости о потребној елевацији и угловима азимута од оператора радара, или нишањење може бити аутоматизовано тако се лансеру телеметријом шаљу инструкције о циљању и испаљивању. Највећа предност система са ракетама јесте његова способност да досегне било који регион са ћелијама града у веома кратком времену. Ракете стижу до зоне засијавања за неколико секунди, док ће цијела путања бити засијана реагенсом за мање од једне минуте.

То дозвољава скоро тренутни одговор на пријетњу од града, као и могућност испаљивања вишеструких ракета како би се количина реагенса истовремено и континуирано испоручивала у растуће ћелије или у језгру ћелија. Такође, рад овог система је могућ 24 сата дневно, у свим временским условима. Најважнији недостаци и мане ове технологије су ограничења при испаљивању због контроле ваздушног саобраћаја, а у неким случајевима и због близине насељеног подручја (забрањена зона). Забрањене зоне су неопходне зато што се дешавало да само-уништавајући механизам понекад закаже, тако да се мора обратити пажња да се ракета лансира у смјеру у којем неће бити угрожени људи или имовина. Услов за успјешност је и тај да мора постојати довољан број лансирних мјеста како би се покрило подручје засијавања. Сваки полигон за гађање мора имати најмање један радар и неколико лансирних мјеста, као и мјесто за смјештање ракета. Ваља напоменути да је у сваком од ових пројеката базираним на ракетама неопходан већи број људи, како за радаром, тако и на лансирним мјестима, кад год се предвиђа олуја, понекад и 24 сата дневно. Овдје треба на крају додати да су велики напредак постигли истраживачи у бившем СССР-у на конструкцији ракета и артиљеријских граната за засијавање облака у циљу спречавања падања града. Они су из економских разлога у многим уређајима уместо АгЈ користили олово јодид ПбЈ2.

Ова технологија се користи код превентиве спрјечавања падања града, стимулације падавина и спречавања јаких олуја. За ефективно засијавање код примјена из ваздуха могу се користити ице нуцлеус генератори који се налазе испод крила или на крајевима крила, спремишта са мамцима постављена на дну авионског трупа, мамци који се не испуштају, него горе у мјесту, а смјештени су у спремиште на крилу авиона, као и суви лед који се из посебних спремника избацује из авиона. Када се распршује на растућу базу облака (са генератора на крајевима крила или мамцима који горе у мјесту), материјал за засијавање се мора довести у узлазне струје новонастајућих облака на рубовима потпуно развијених олуја, као и облака који се развијају независно од развијених олуја, а код којих постоји вјероватноћа да ће се сами развити у градоносну олују, или које треба засијати ради стимулације падавина. Авион обично мора бити у стању да лети у подручју узлазних струја подоблака и при том да распршује реагенс директно у узлазну струју облака. Док је циљање у овој примјени релативно поуздано, због идентификације притицаја, потребно је одређено вријеме (од 10 од 20 минута) да се аеросол којим се засијава, пребаци у супер-охлађене дијелове облака. Када се базе (подножја) облака налазе на мањим висинама (вишим температурама), пренос реагенса до супер-охлађених дијелова облака захтјева више времена, тако да засијавање обавезно треба започети довољно рано. Засијавање узлазних струја потпуно развијених олуја треба избјегавати, зато што брзина тих струја често прелази 20 м/с, па било какав лед који може резултирати, нема никакве шансе да нарасте до величине падавина прије него се пренесе на врх облака. Додатно, тако јаке узлазне струје могу, а често и производе велики град, што је велика опасност и за авион и за посаду. Током директног засијавања растућих супер-охлађених дијелова облака авионом (приближно на нивоу 10°Ц), са мамцима за избацивање или сувим ледом, у обзир се морају узети брзине вертикалних вјетрова (узлазних и силазних) од 10 м/с или више. Јаке турбуленције нису необичне, посебно у зони између силазних струја на границама врхова облака и унутрашњих узлазних струја. Када се користе мамци за избацивање или суви лед, реагенси за засијавање се могу избацити за вријеме летења кроз облак, или могу бити испуштени на врх облака са горње стране. У само неколико секунди могуће је избацити велику количину материјала за засијавање. Ефекти оваквог начина испоруке су готово тренутни, ако је зона засијавања супер-охлађена, а засијавање развијајућих облака је потврђено визуалном идентификацијом. Мамци за избацивање који изгарају 20 гр нуклеант-а у приближно 35 секунди се најчешће користе за засијавање са врха (близу нивоа од –10 °Ц). Мањи торњеви (врхови, ) са слабим узлазним струјама и супер-охлађеном водом у течном стању захтјевају само један мамац (бакљу). Додатни мамац (бакља) се избацује сваких неколико стотина метара у шире или брзо растуће торњеве (врхове, ), или сваких 4 до 5 секунди, ако се лети брзином од 67 до 100 м/с. Овакво мјерило засијавања заснива се на посматрању мијешања турбуленција у активним растућим Цумулус-има, које је показало да преклапање смјесе за засијавање у времену од 250 секунди (4 минута) и генерисање довољног броја ледених кристала, могу исцрпсти сву воду у течном стању из узлазне струје од 10 м/с. Сврха овог начина засијавања јесте започињање формирања леда прије него се он природно сам створи, како би се направиле значајно веће концентрације леда, као што су засијани развијени торњеви (турретс). Из тог разлога, поступак се мора провести на врховима облака који су у фази развоја а који су и супер-охлађени и без леда. Једном када лед почне да се развија, он се брзо размножава унутар врха облака, тако да је третирање врхова који садрже значајне количине (природног) леда непотребно, па представља губитак драгоцјеног времена и ресурса. Већи торањ је обично ближи томе да сам природно развије лед, а циљ је дати сваком торњу што је могуће већу почетну предност. Засијавање би се требало понављати сваке 3 – 4 минуте како би се правилно засијао нови облак у фази развоја, све док се при летењу кроз облак наилази на супер-охлађену воду у течном стању и узлазне струје.

Модерна ГПС технологија сателитске навигације је релативно јефтин начин праћења положаја летјелице и земаљских возила на терену. Са одговарајућом радио-везом, позиција летјелице се може послати земаљском радару и аутоматски уцртати на екран радара. То пружа други важан извор докуметације код операција засијавања облака авионом. Могуће је тачно аутоматски забиљежити када и гдје је поступак обављен, па то приказати заједно са радарским или другим сликама. Из праћења лета авиона и из вербалних извјештаја преко радио-везе (односно, визуалних извјештаја пилота), засијавање може бити знатно поузданије, посебно када се реагенс за засијавање испушта директно у торањ облака. Летјелице које се користе за засијавање директним циљањем морају бити опремљене инструментима потребним за летење, укључујући и модификације направљене како би се смјестила опрема, а ова сертификација за собом повлачи одређена ограничења и забране. Генерално, приватне компаније које обављају пројекте противградне заштите и стимулације падавина користе авионе са два турбо-мотора. У обзир се мора узети брзина и брзина пењања, као и то да летјелице морају бити у стању да се брзо приближе облацима у фази развијања. Авиони са два мотора су бољи због разлога перформанси и сигурности. Недостаци свих система са летјелицама су ти да се истовремено само један авион може користити за засијавање врхова облака у развоју (приближно на –10°Ц нивоу), а други за засијавање базе облака. Летјелице такође имају ограничено вријеме лета, па тако могу постојати кашњења у координирању промјена код засијавања или када авион мора путовати између олуја. Зато засијавање можда не може бити континуирано, а неке ћелије се можда не могу третирати између узастопних засијавања облака пролетањем или уласком у облак. Материјалу за засијавање који се испусти на бази облака, потребно је неколико минута да достигне довољну висину за распршивање и нуклеацију. Даље, операције могу бити ограничене услијед мрака или лоших временских услова, када је видљивост ограничена, или када вишеструке ћелије спречавају сигуран лет унутар жељених, новонастајућих подручја олује.

Ова технологија се користи код антропогене модификације времена у процесима превентивне заштите од града и стимулације падавина. Испаравања АгЈ аеросоли могу се извести генератором који изгара течност састављену од ацетона, АгЈ и других састојака. У генераторима обично испарава АгЈ у пламену, који може бити непрекидан или инициран експлозивом. При томе се мора водити рачуна да не дође до разлагања АгЈ на метално сребро и пару јода Ј2 са накнадном реакцијом у којој се образује јодид водоника ХЈ. Најчешће су распрострањени ацетонски и пиротехнички генератори. Ацетонски агрегат је сачинио Вонегут. Уколико се АгЈ не раствара у ацетону, у њега се ставља „носач” или растварајући реагенс. Најчешће се користе носачи као на примјер: натријум јодид (НаЈ), калијум јодид (КЈ) или амонијак јодид (НХ4Ј). Раствор ацетона се убризгава у пламен и сагорјева било без додатка било са пропаном или гасолином да би испарио АгЈ и носач. У неким случајевима ацетонски генератори не развијају довољну топлоту за потпуно испарење АгЈ. Тада је у свакој честици садржан поред АгЈ и остатак смјеше, односно појединачна капљица раствора. Показало се да су такви раствори погодни за продукцију честица које су активне као језгра кристализације на температурама блиским 0˚С. Међутим, главни недостатак овог метода је што даје релативно мали број честица. Други тип генератора користи течно гориво у којем се АгЈ лако раствара. Ови генератори нису добили ширу примјену због токсичности (нпр. охлађени суви амонијак). Први генератори на чврсто гориво били су засновани на сагорјевању кокосових таблета претходно натопљених раствором АгЈ. Трећи тип генератора заснован је на увођењу фитиља натопљеног са АгЈ у пламен пропана. Испаравање АгЈ је контролисано сатним механизмом. Пиротехнички генератори у почетку су били направљени за коришћење са авиона, гдје су запаљиви раствори представљали одређену опасност. Први генератори су представљали једноставно експлозивна средства која су се користила као прасак, са додатком извјесне количине АгЈ стандардној смјеси.

Од 1959. године отпочели су разраду и испитивања пиротехничких средстава, намјењених специјално за засијавање облака. Неки од разрађених средстава избацивани су са авиона, док се у другима палио и сагорјевао реагенс у уређајима на самом авиону. За добро пиротехничко средство постављају се многи захтјеви. Оно треба да сагорјева равномјерно и да не доведе до изненадне експлозије. Ти пиротехнички уређаји који сагорјевају непосредно у себи реагенс, треба да имају довољну постојаност. Пиротехника која врши избацивање реагенса треба да у потпуности сагори како не би никакви остаци пали на земљу. У пиротехничким генераторима једињења која садрже АгЈ пакују се заједно са другим једињењима у реагенсну везујућу материју, обично нитро целулозно гориво са пластификатором. Од стотинак врста смјеса које су досад испробаване, најширу примјену су нашле смјесе које се кориосте у саставу свјетлећих ракета ЛЊ-83 и ЕЊ-20. У саставу ових ракета налази се 78% АгЈО3, 12% Ал, 4% Мг и 6% везујуће материје. Обично ефективност пиротехничког састава оцјењује се бројем језгара на 1 грам АгЈ. У многим случајевима број честица заметака, које су се формирале у генераторима, премашује број честица реагенса који доспјева у окружујући ваздух. Честице заметци коагулирају у процесу брауновог кретања, стога у коначном резултату добијају се честице које се састоје из цјелог низа кристала. Рентгенска анализа је показала да генератор образује агрегатну честицу са пречником 0,15 до 1 , која се састоји из одвојених кристала, чији је размјер у просјеку 80 нм. Однос линеарних размјера показује да такве честице садрже од 10 до 1000 кристала. Број честица које се образују помоћу генератора контролише се у основи обимом ваздуха који из њега излази у област која се засијава, гдје се из паре реагенса образују честице. Такође, број честица зависи од брзине хлађења ваздуха који истиче из генератора. Промјена количине АгЈ која се користи у генератору, утиче на средњу размјеру честица, а не и на њихову количину. Ове опште поставке важе како за пиротехничке, тако и за генераторе на течно гориво. Најчешћи метод је кориштење ових генератора у фиксном положају на површини земље, при чему су они формирани у мрежу. Оваква техника испоруке има дуже вријеме потребно за реаговање, а често користи веће количине реагенса за засијавање. Зависи од локалних преносних струја које преносе реагенсе у растуће облаке. 
Један од приступа овој технологији јесте смјештање земаљских генератора на удаљеност успоредиву са дијаметром мањих конвективних ћелија, са међусобним размаком од 8 км. Тиме се осигурава да ће било која олуја у развоју имати могућност прихватања аеросол-а са најмање једног земаљског генератора. Неопходно је израдити модел распршивања реагенса за засијавање како би се могао одредити број и смјештај генератора потребних за испоруку довољне количине вјештачких језгара на висину Цумулус-ног облака. Генератори се обично оставе да избацују аеросол за вријеме док се унутар њиховог подручја дјеловања крећу облаци погодни за дјеловање. Унутар тог временског периода потроши се значајна количина реагенаса за засијавања, обично много више него што би се користило да се облаци директно засијавају. Мрежа која се користи у јужној Француској, у сврху противградне превентиве сачињена је од 467 генератора постављених на преко 40,000 км2.

Из тога се јасно може закључити да развијање мрежа земаљских генератора није једноставно распоређивање неколико десетина генератора и слично. Земаљски генератори могу се ручно укључивати и искључивати, сваки од стране именованог појединца, или се то може обављати аутоматски, са централне контролне станице. У оба случаја неопходно је сервисно одржавање, како би се обновиле залихе ако је то потребно, и да би се сваки генератор одржао у радном стању. Количина избацивања аеросол-а код земаљских генератора обично варира од 15 до 40 грама АгЈ-а по сату. Ако узмемо у обзир да најмање један фрагмент мреже генератора мора испуштати материјал за засијавање кад год постоји ризик од олуја, неопходно је да пројекат може да рачуна на прецизну прогнозу времена. То је нарочито важно када мрежа генератора није аутоматска, јер ту увијек постоји неминовно кашњење настало због укључивања генератора, морају се упозорити појединци одговорни за сваки уређај, који затим морају отићи до локације са генератором да би га покренули. Код аутоматских мрежа, међутим, генератори могу бити активирани или деактивирани унутар неколико минута. Градоносне олује не наносе штету само у брдовитим или планинским подручјима. Сјеверноамеричке равнице редовно бивају погођене снажним градоносним олујама. Према томе, може бити пожељно распоредити земаљске генераторе на релативно равним теренима, при чему је могуће ослонити се на то да ће преношење топлине (конвективност) мијешати реагенс за засијавање са влажним граничним слојем из којег се настајућа олуја храни. Међутим, иако је документовано да се овакво мијешање и подизање материјала може догодити, земаљски генератори су ограничени у својим могућностима да засијавају олују која настаје из претходне конвективне активности, зато што за стварање и распршивање земаљских вјештачких језгри, нема довољно времена. Постоје околности када претјерано ниске базе облака, мрак, или стање метеоролошких инструмената чине распршивање реагенса испод базе облака несигурним за авион. У таквим случајевима, мрежа земаљских генератора има предност.Честице аеросола које производе генераторска пиротехничка средства су високоефикасни аеросоли. Пиротехничка средства изгарају са финим димом, а имају постојано вријеме изгарања од 37 секунди. Формирање кристала леда одвија се веома брзо, заједно са брзим процесом замрзавања кондензације. Високопроизводни и брзореактивни реагенси су важни за противградну заштиту, из разлога што је вријеме које је на располагању за успјешну интервенцију на процес раста града, често мање од 10 минута.

ИЗВОРИ:

1. C. Donald Ahrens, Meteorology today: an introduction to weather, climate, and the environment, Thomson Learning Academic Resource Center, Belmont, 2007.
2. L.G.Kačurin,Fizičeskie osnovi vozdeйstviя na atmosfernыe processы, Gidrometeoizdat, leningrad,1978.
3. World meteorlogical organization, Rumen D.Bojkov,G.Brant Foote, Meeting of the experts on hail suppression, Nalchik,27. september-2.october 2003. WMO, Nalchik, 2003.
4. Др Млађен Ћурић, Зоран Бабић, Рајко Поповић, Стимулација падавина Републике Српске, односно БиХ, пројектна студија, ЈОДП ПГЗ РС, Београд, август 2004.
5. Нада Павловић дипл.мет., Преглед пројеката вештачког утицаја на време у току 1977.године, Гласник Противградне заштите, бр.12,Стр 7-12., РХМЗ СР Србије, Београд,1979.
6. www. meteoradar.hit.bg/pbv_bme.html: Antihail rocket and hail suppression methodology used in Bulgaria
7. www. en.wikipedia.org/wiki/Cloud_seeding History/
8. www. geofizika-journal.gfz.hr/Vol_08/Karacostas2.pdf: Theodore S. Karacostas:The Greek National Hail Suppression Program (NHSP)
9. www.highbeam.com/doc/ Dessens, Jean : A physical evaluation of a hail suppression project with silver iodide ground burners in Southwestern France
10. Makitov & Krauss, Technology for delivery of seeding material, Meeting of experts on hail suppression, Nalchik 2003.