ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:

СПОСОБ ПРОИЗЗОДСТВА ОЗОНА ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОЗОНОВОГО СЛОЯ ЗЕМЛИ.

Использование:   В экологии, в космических средствах регуляции процессов в биосфере.

Сущность изобретения:   Путем облучения воздуха на освещенной Солнцем стороне атмосферы лазерным излучением, частота которого резонансна частоте электронно-колебательного перехода молекулярного кислорода из основного состояния в метастабильное, в атмосфере стимулируют нелинейные фотохимические процессы, приводящие к более эффективному использованию солнечной радиации для образования озона При этом лазерные системы, установленные на борту космического летательного аппарата действуя на освещенный Солнцем воздух, приводят молекулярный кислород в возбужденное метастабильное состояние Возбужденный кислород под действием солнечных лучей диссоциирует на атомарный. Атомарный кислород присоединяясь к невозбужденному, формирует молекулы озона 3 ил.

      Изобретение относится к экологии и касается производства озона, преимущественно для решения проблемы восстановления защитного озонового слоя в стратосфере Земли.
      Наиболее близким техническим решением из числа известных является способ производства озона, включающий воздействие на воздух оптическим (ультрафиолетовым) излучением (с длиной волны А- 193 нм) .
      В этом способе образование озона происходит вследствие протекания следующих процессов:
        1) поглощения излучения с λ- 193 нм (оно попадает в континуум Шумана-Рунге 175.4 нм < λ < 200 нм) молекулярным кислородом, которое приводит к его фотодиссоциации
           О₂+hν_уф →0(³P)+0(¹D)
           O₂+O+M → O₃+M
        2) присоединения атомов O(³P) и О(¹ D) к О₂ в трехчастичнои реакции рекомбинации, которое приводит к образованию озона
           О₂ + О + М → О₃ + М,
      где М - любая третья частица.
      Следует отметить, что в атмосфере Земли образование озона происходит под влиянием солнечной радиации по аналогичной схеме с учетом того, что под воздействием ультрафиолетовой части спектра солнечной радиации молекулярный кислород О₂(³∑^-_g) диссоциирует на атомарный при поглощении излучения не только в континууме Шумана-Рунге (175,4 нм < λ < 200 нм). но и в континууме Герцберга (200 нм < λ < 242.4 нм) с образованием двух атомов О(³Р).
      Недостатком указанного способа является его низкая энергетическая эффективность. Выход озона при использовании этого способа составляет примерно 30 г/кВт- ч. Этот способ не позволяет осуществить производство озона в значительных масштабах и не пригоден для искусственного восстановления озонового слоя в атмосфере в связи с очень большими энергетическими затратами. Так, например, для наработки 15*10⁶ озона в год (считается, что именно такое количество озона безвозорзтно исчезает в настоящее время из озонового слоя Земли в результате антропогенного воздействия) потребуется 5*10¹³ кВт/ч электрической энергии в год. Такие энергетические затраты находятся за пределами возможностей современной цивилизации. Кроме того, мощное ультрафиолетовое излучение разрушает (вследствие фотодиссоциации) озон. Н₂О и другие малые составляющие атмосферы, что может привести к вредным экологическим последствиям.
      Задачей изобретения является достижение технического результата, состоящего в увеличении эффективности процесса наработки озона в стратосфере и снижении отрицательных экологических последствий этого процесса.
      Это достигается тем, что в способе производства озона, преимущественно для восстановления озонового слоя Земли, включающем воздействие на воздух оптическим излучением, воздух на освещенной Солнцем стороне атмосферы на высоте 25-50 км от поверхности Земли облучают лазерным излучением с частотой (ν₁), резонансной частоте электронно-колебательного перехода молекулярного кислорода из основного электронного состояния О₂(³∑^-_g , V') в метастабильное состояние О₂(α¹∆ _g , V") или О₂(b^{1  3} ∑⁺_g) . V"). где V' и V" - колебательные квантовые числа основного и возбужденного электронного состояний О₂. и с интенсивностью (Iν;). определяемой из соотношения

                                    hν₁ eхр( k_νL)
                I_пр > I_ν > ———————
                                    τ_Rσ_mnH(x,a)


      где h - постоянная Планка:
            L - длина трассы, по которой распространяется лазерный пучок в атмосфере от его источника до дальней границы области воздействия пучка на воздух:
            k_ν - средний по трассе коэффициент поглощения излучения с частотой ν₁;
            σ_mn - сечение поглощения на переходе
   m(e',V') → n(e",V"),    где    e'=³∑^-_g      e"=α¹∆ _g     или   b¹ ∑⁺_g
            τ_R - время релаксации при распаде возбужденного состояния e"
            H(x,a) - функция Фойпа, где $$$;

            x=2∆ν√21n/b _g;  a=b_c√21n/b_g  →  ∆ν=ν₁-ν_min
      ν_mn- частота центра линии поглощения;
      b_с и b_g - столкновительная и допплеровская ширина спектральной линии поглощения на полувысоте этой линии;
      I_пр - минимальное значение интенсивности лазерного излучения, при которой происходит пробой воздуха вдоль трассы.

На рисунке представлены конструктивные средства реализации предлагаемого способа;


Схема электронных термов молекулярного кислорода;
    
Распределение энергии в спектре излучения фотосферы Солнца

      Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
      Источник лазерного излучения 1, движущийся вместе с космической станцией по орбите 2 вокруг Земли, облучает слой атмосферы 3 таким образом, чтобы минимальная высота лазерного луча 4 от поверхности Земли 5 составляла 25 км. При этом лазерный луч направляют на освещенную Солнцем сторону по касательной к земной поверхности.
      Частота излучения, посылаемого источником, резонансна частоте электронно-колебательного перехода из основного электронного состояния молекулярного кислорода О₂(³∑^-_g , V') в возбужденное метастабильное состояние О₂(α¹∆ _g , V") либо в состояние О₂(b¹  ∑⁺_g . V"). Эти переходы m(e',V') → n(e",V"), где е' - отвечает состоянию ³∑^-_g, а е" - α¹∆ _g или b¹ ∑⁺_g . a V и V" - соответственно колебательные квантовые числа в состояниях е' и е" - показаны на энергетической диаграмме электронных термов прямыми стрелками (энергия кванта hν₁₁ и hν₁₂ соответственно).
      B зависимости от величины V' и V" возбуждение молекулярного кислорода из состояния О₂(³∑^-_g) в состояние О₂(α¹∆ _g) может происходить при воздействии излучения в достаточно широком спектральном диапазоне. Так, например, возбуждение О₂ в состояние α¹∆ _g происходит при поглощении излучения лазера на Nd-УАГ с длиной волны λ₁ = 1065 нм и при поглощении излучения кислородно-йодного лазера с λ₁ = 1300 нм. Возбуждение О₂ в состояние b¹ ∑⁺_g возможно при поглощении излучения с λ₂ = 762 нм. генерируемого лазерами на молекулах интергалогенов - СII. FI BrI, Вr2. Следует отметить, что лазерное излучение оказывает исключительно селективное воздействие, т.е. частоту излучения можно подобрать таким образом, чтобы возбуждалось только состояние n(е", V") молекулы О₂, и никакие другие молекулы, в том числе и молекулы малых компонентов стратосферы (О₂. Н₂О и др.) не возбуждались и не фотодис-социировали. Для определенности рассмотрим случай, когда частота воздействующего излучения резонанс на частоте перехода

                                   hν_л1
          О₂(³∑^-_g , V')   →   (α¹∆ _g,V")

      При прохождении лазерного пучка через толщу стратосферы плотность мощности пучка уменьшается в соответствии с законом Ламберта-Берра:
            I = I_νexp(-k_ν;L)

      где I_ν - интенсивность генерируемого лазером излучения,
      L - длина трассы, по которой распространяется лазерный пучок в стратосфере от его источника до дальней границы области воздействия пучка на воздух; k_ν - средний по трасеру коэффициент поглощения излучения:
                  _L
           k_ν=∫k_ν (ξ) dξ / L
                  ⁰
      где k_ν (ξ) - локальный коэффициент поглощения в сечения трассы с координатой Z = (ξ) . Для обеспечения эффективного возбуждения состояния О₂(α¹∆ _g) по всей длине трассы необходимо, чтобы скорость индуцированных воздействующим излучением переходов была больше скорости распада данного возбужденного состояния. Это достигается на длине всей трассы при выполнении условия

                           hν₁ eхр( k_νL)
                I_ν > ———————
                           τ_Rσ_mnH(x,a)

      Отметим, что τ_R - совокупное время релаксации состояния е"; оно характеризует интегральное уменьшение заселенности состояния е" вследствие химических реакций фотодиссоциации, столкновительной дезактивации и спонтанных переходов (заселенность N_e" при этом меняется по закону N_e" = N_e"^o  e^-t/τR , где N_e"^o - заселенность состояния е" после воздействия лазерного излучения).
      С другой стороны, интенсивность воздействующего излучения не должна превышать значения, при котором происходит электрический пробой воздуха.
      Таким образом, в результате взаимодействия лазерного излучения с молекулярным кислородом значительная часть его молекул в зоне действия, лазерного луча будет находиться в возбужденном состоянии. Скорость фотодиссоциации из этого состояния существенно выше, чем из основного электронного состояния. Обусловлено это тем,что фотодиссоциация
          О₂(α¹∆ _g)+hν_солн → O(³P)+O(³P)
происходит под воздействием солнечного излучения с длиной полны λ = 300 (полоса Слэнжера), интенсивность которого в спектре солнечного излучения в несколько десятков раз выше, чем интенсивность излучения с λ = 250 им, которое приводит к фотодиссоциации невозбужденного кислорода О₂(³∑^-_g) в полосе Герцберга (распределение энергии в спектре излучения Фотосферы Солнца см. рисунок).
      Поскольку поглощение лазерного излучения приводит к значительному увеличению концентрации возбужденных молекул О₂(α¹∆ _g) , ясно, что скорость образования атомарного кислорода O(³P) и их концентрация при этом резко увеличатся по сравнению со случаем обычной фотодиссоциации невозбужденного 0₂ при поглощении солнечного излучения в полосе Герцберга, как это имеет место в невозмущенной атмосфере. Дополнительно наработанный таким образом кислород, рекомбинируя с молекулярным кислородом. образует озон
          O(³P)+0₂+M → 0₃+M
      Отметим, что эта реакция идет весьма эффективно, поскольку на высоте Н ≥ 25 км количество О₂ в 10⁹ раз больше, чем озона. Обручение слоя стратосферы лазерным излучением желательно производить на высотах Н ≥ 25 км, поскольку максимум в распределении концентрации озона в атмосфере Земли приходится на Н = 22-24 км, поглощение озоном солнечного излучения с λ = 300 нм на высотах Н ≥ 25 км слабо изменяет функцию пропускания атмосферы и, кроме того, позволяет эффективнее смешать химическое равновесие в сторону образования озона в результате наработки дополнительного количества атомов O(³P).

Сущность изобретения:  

СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ОЗОНА ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОЗОНОВОГО СЛОЯ ЗЕМЛИ, включающий воздействие на воздух оптическим излучением, отличающийся тем, что воздух, на освещенной Солнцем стороне атмосферы на высоте 25 - 50 км от поверхности Земли облучают Лазерным излучением с частотой резонансной частоте электронно-колебательного перехода молекулярного кислорода из основного электронного состояния О₂(³∑^-_g , V') в метастабильное состояние О₂(α¹∆ _g , V") или О₂(b¹ ∑⁺_g . V"). где V и V" - колебательные квантовые
      В итоге положительный эффект в предлагаемом способе производства озона в стратосфере достигается за счет того, что облучение лазерным излучением относительно малой мощности воздуха приводит к более эффективному использованию энергии солнечного излучения для смещения динамического равновесия в сторону более интенсивного образования озона.
      При Н > 50 км эффективность предлагаемого способа существенно снижается вследствие того, что из-за уменьшения плотности молекул О₂ снижается скорость рекомбинации в реакции (2), а следовательно, и скорость образования озона при одновременном увеличении скорости фотодиссоцизции О₃. Поэтому высотный диапазон воздействия целесообразно ограничить высотами Н = 25-50 км.
      Расчеты показывают, что производительность предлагаемого способа может достигать 3,68 кг/кВт*ч. что значительно больше, чем в прототипе. Кроме того, предлагаемый способ не приводит к вредным экологическим последствиям. Этот способ является наиболее экологически чистым, поскольку использует в качестве основного механизма производства озона в стратосфере фотохимические процессы, имеющие место в атмосфере Земли под воздействием солнечной радиации.
      Технико-экономический эффект изобретения состоит в том, что на основе предлагаемого способа могут быть реализованы космические генераторы озона, способные производить озон в больших количествах, ликвидировать образующийся дефицит озона и поддерживать его концентрацию в атмосфере на безопасном уровне.
      Числа основного и возбужденного электронных состояний 0₂. и с интенсивностью |I_ν | определяемой из соотношения

                                   hν₁ eхр( k_νL)
                I_пр > I_ν > ———————
                                   τ_Rσ_mnH(x,a)

      где h - постоянная Планка:
      L - длина трассы,по которой распространяется лазерный пучок в атмосфере от его источника до дальней границы области воздействия пучка на воздух:
      k_ν - средний по трассе коэффициент поглощения излучения с частотой ν1
      σ_mn - сечение поглощения на переходе  m(e' ,V') → n(e" ,V"). где е' - отвечает состоянию ³∑^-_g, а е" - α¹∆ _g или b¹ ∑⁺_g .
      τ_R - время релаксации при распаде возбужденного состояния е":
      H(x,a) - функция Фойгта. где

            x=2∆ν√21n/b _g;  a=b_c√21n/b_g  →  ∆ν=ν₁-ν_min
      ν_mn- частота центра линии поглощения;
      b_с и b_g - столкновительная и допплеровская ширина спектральной линии поглощения на полувысоте этой линии;
      I_пр - минимальное значение интенсивности лазерного излучения, при которой происходит пробой воздуха вдоль трассы.

КОСМИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА КОМПЛЕКСА "ОЗОН"

      1  -  РН "Энергия" с грузовым контейнером и блоком довыведения на опорную орбиту спутников—озонаторов.
      2  -  Орбитальная станция обслуживания системы, спутников—озонаторов:
      -  контроль развертывания спутников;
      -  проверка функционирования систем;
      -  работы по технологии с солнечными концентраторами;
      -  ремонт спутников;
      -  демонтаж спутников.
      3  -  Спутники-озонаторы.
      4  -  Транспортная система Земля—ОС—Земля:
      -  доставка и смена экипажей ОС
      -  доставка расходуемых средств для экипажа, станции, причального буксира и обслуживания спутников;
      -  возврат демонтированных спутников а также грузовых контейнеров и блоков довыведения (Первый этап — "Буран", в дальнейшем — ВКС).