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◉ Einleitung und Ziele:
Mehrere Faktoren beeinflussen die Regenbildung in Wolken. Von der Wolkenklassifizierung bis hin zu den Umwelteinflüssen, die den Niederschlag beeinflussen, können all diese Faktoren dazu beitragen, dass eine Wolkenmasse Regen produziert oder nicht (steril) ist. Wolken werden in drei Hauptschichten eingeteilt: die oberste, die mittlere und die unterste Schicht. In jeder dieser drei Schichten befinden sich spezifische Wolkenarten. Die Wolkenhöhe kann innerhalb dieser drei Schichten stark variieren, da die Lage verschiedener Wolkenformationen direkt mit ihrer Höhe zusammenhängt. Neben der Höhe als wichtigem Faktor für den Wolkenniederschlag können auch andere Faktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und atmosphärische Stabilität am Ort der Wolkenbildung die Wasserkondensation und den Niederschlag an diesem Ort beeinflussen. Auch die Regenbildungsfähigkeit von Wolkenmassen hängt von ihrem Typ ab. Das bedeutet, dass die Volumendichte der suspendierten Wasserpartikel in Abhängigkeit von der Höhe in einer bestimmten Wolkenmasse als zusätzlicher Faktor für die Möglichkeit oder Unmöglichkeit von Kondensation und Niederschlag betrachtet werden kann.
Die Höhe einer Wolkenmasse hängt von mehreren Faktoren ab. Dazu gehören: die Geschwindigkeit des Temperaturabfalls und die Höhe, in der eine aufsteigende Luftmasse den Taupunkt erreicht; die Feuchtigkeitsmenge in der trockenen oder feuchten Luftmasse, die den Sättigungs- und Kondensationspunkt erreicht; der Mechanismus des erzwungenen Aufstiegs und der Konvergenz der Luftmasse aufgrund von Hebungseffekten; konvektive Instabilität und Erwärmung der Oberfläche; das Ausmaß der Hebungskondensation und die Höhe, in der eine aufsteigende Luftmasse die Sättigungsgrenze erreicht; das Niveau der freien Konvektion (LFC), das Gleichgewichtsniveau (EL) und die Art der Wolkenkondensationskerne auf mikrophysikalischer Ebene (Anzahl und Größe der Tröpfchen); und schließlich die großräumige Tiefenkonvektion der Masse, wie z. B. hohe Wolkenobergrenzen in tropischen Regionen und flache Wolkenobergrenzen in kalten Polarregionen. Daraus lässt sich schließen, dass die Höhe einer Wolkenmasse von null über dem Boden (Nebelbildung) bis zu mehreren Kilometern variieren kann. Darüber hinaus können die Obergrenzen von Wolkenmassen bei tiefer Konvektion zwischen einigen Kilometern und mehr als 20 Kilometern variieren, wobei die Wolke je nach Höhe das Potenzial zur Kondensation und zum Niederschlag haben kann oder auch nicht.
Obwohl der durchschnittliche jährliche Niederschlag auf der Erde auf etwa einen Meter geschätzt wird, führen Unterschiede in Breitengrad, Windarten, Veränderungen und Verschiebungen der magnetischen Umlaufbahnen sowie andere Umweltfaktoren dazu, dass die Niederschläge auf der Erde ungleichmäßig verteilt sind. Gebiete mit hohen Niederschlägen weisen Merkmale wie die Nähe zu Ozeanen und Seen als ständige Feuchtigkeitsquelle, niedrige und warme Breitengrade für die Verdunstung von Wasser in Äquatornähe, die Topographie des Gebiets, die das Aufsteigen warmer Luftmassen, beispielsweise durch Gebirgszüge entlang der Küsten, begünstigt, und regelmäßige feuchte Winde (Passatwinde), die von den subtropischen Hochdruckgebieten über dem Ozean zu den tropischen Tiefdruckgebieten über Land wehen, auf. Im Gegensatz dazu weisen Gebiete mit geringen oder keinen Niederschlägen nicht die genannten geographischen, topographischen und ozeanischen Merkmale auf, die ihr lokales Klima beeinflussen, oder weisen aufgrund von Faktoren wie Regenschatten durch Gebirge und Hochdruckgebiete überhaupt keine Niederschläge auf.
In den meisten trockenen Regionen der Welt und zu bestimmten Jahreszeiten bilden sich jedoch große Mengen an bodennahen Wolken, die keinen Regen bringen. Diese bestehen aus Stratocumulus, Stratus, Nebel (Bodenwolken) und Cumulus hominis. Bodennahe Wolkenansammlungen erstrecken sich von der Erdoberfläche bis in eine Höhe von etwa 2 km. Obwohl alle Wolken aus sehr kleinen, schwebenden Wassertröpfchen bestehen, fehlt diesen bodennahen Wolkenansammlungen je nach Umweltbedingungen in manchen Teilen der Welt die nötige Dichte, um die leichten und kleinen Wassertröpfchen um die schwebenden Partikel anzusammeln und dadurch schwer zu werden und zu Boden zu fallen. In diesem Fall ist der Himmel wochenlang vollständig von Wolken bedeckt (leichte und kleine schwebende Wassertröpfchen), doch ohne dass ein einziger Tropfen Regen fällt, ziehen diese Wolken mit dem Wind oder durch Luftströmungen weiter. Genau dies war der Ausgangspunkt meiner Idee: "Das Entweichen von Wolken verhindern!"
Um das Entweichen von Wolkenmassen zu verhindern, testete ich verschiedene Methoden und wiederholte präzise Computersimulationen. Die besten Ergebnisse erzielten wir schließlich in Simulationstests mit dem "Wolkenmassen-Wasserpartikel-Absaugsystem" in unterschiedlichen Höhen. Dieses System bietet eine maximale Effizienz von 100 % in zwei Höhenlagen: zum einen am Fuße von Gebirgen, dem Zentrum der Wolkenbildung und -ansammlung, und zum anderen unterhalb von 2 km über dem Boden, wo sich tiefliegende Wolken befinden. Da die meisten trockenen und niederschlagsarmen Gebiete der Welt gebirgig sind, eignen sich Gebirge hervorragend zum Einfangen und "Abfangen" von Wolken. In den Höhenlagen der Berge sinken Luftdruck und Temperatur. Die aufsteigende warme und leichte Luft (warmer Wasserdampf) kondensiert dort schnell und bildet winzige Wasserpartikel (Wolken und weißen Nebel). Im Abschnitt "Technische Beschreibung" dieses Artikels habe ich detailliert beschrieben, wie Wolken sowohl am Fuße von Gebirgen als auch in 2 km Höhe eingefangen und abgefangen werden können.
◉ Technische Beschreibung der Erfindung:
Sowohl bei der "Nullbasisniveau"- als auch bei der "2-km-Basisniveau"-Methode habe ich das "neue Wasserdampf-Absaugsystem" zur Wolkenerfassung eingesetzt. Aufgrund der geringen Betriebs- und Implementierungskosten der "Nullbasisniveau"-Methode werde ich diese jedoch zunächst detailliert erläutern. Bei dieser Methode wird eine große Menge Wasser aus großen Massen nicht-regenproduzierender Wolken gewonnen, die sich in großer Höhe beim Auftreffen auf Gebirge bilden. Zu den Wolken, die sich über Gebirgen bilden, gehören Stratus- und Linsenwolken. Manche Wolken entstehen, wenn Luft auf Gebirge oder andere hohe Erhebungen trifft. In solchen Fällen steigt die warme, feuchte Luft auf und kühlt ab. Die kältere Luft kann nicht mehr die gesamte Wasserdampfmenge aufnehmen, die sie im warmen Zustand aufnehmen konnte. Der überschüssige Wasserdampf kondensiert daher zu winzigen, leichten Wassertröpfchen und bildet Wolkenmassen in der Mitte der Gebirge. Allerdings bringen diese riesigen und weitverbreiteten Luftmassen nicht immer Regen mit sich, und in ariden und semiariden Klimazonen verschwinden sie, ohne Niederschlag zu bringen, während sie sich weiterbewegen, nach einer Zeitspanne von einigen Stunden bis zu mehreren Tagen, abhängig von den Klimaveränderungen.
Manchmal entstehen Wolken durch aufsteigende Luft in Gebirgsregionen, da die Berge wärmer sind als die Umgebungsluft und diese aufsteigt. Wie bereits erwähnt, findet die Wolkenbildung in diesen Höhenlagen statt. Zu den Wolkenarten, die sich dabei bilden, gehören Cumulonimbus-, Mammatus- und Cumuluswolken. Trotz der Wolkenbildung in oder in der Nähe von Bergen bringen diese Wolkenmassen, wie bereits erwähnt, nicht immer Regen und lösen sich meist aus drei Hauptgründen wieder auf: steigende Temperatur, Vermischung mit trockenerer Luft und Absinken der Luft innerhalb der Masse. Beispielsweise bilden sich in meiner Gegend, nahe dem 2347 Meter hohen Berg Genua im Süden Irans, nördlich der tropischen Stadt Bandar Abbas, entlang der Bergflanke des Genua in Höhen von 1000 Metern und darüber immer wieder riesige Wolkenmassen. Meistens fällt dort jedoch kein Niederschlag, und die Wolken lösen sich nach einer Weile wieder auf.
Der Grund für den Verlust der Wolkenmasse und deren Auflösung am "Mount Geno" liegt in der zusätzlichen Wärme- und Feuchtigkeitszufuhr aus südlichen Regionen. Beim Absinken erwärmt sich die Luft adiabatisch, was zur Verdunstung und Erosion der Wolkenmasse führt. Erosion tritt typischerweise auf, wenn dynamische Absorptionsmechanismen über einem Wolkenfeld aktiviert und verstärkt werden. Zu diesen dynamischen Absorptionsmechanismen zählen Kaltluftadvektion (CAA) in Bodennähe und negative Vorticity-Advektion (NVA) bzw. Oberflächendivergenz und Abwärtsströmung. Adiabatisch bedeutet, dass kein Austausch von Masse, Feuchtigkeit oder Impuls zwischen einer auf- oder absteigenden Luftmasse und ihrer Umgebung stattfindet. Wie ich jedoch in meinen Studien gelernt habe, ist die adiabatische Theorie kein starres Klimagesetz oder unveränderliches Prinzip und funktioniert nicht immer präzise. Vermischt sich eine Luftmasse mit trockenerer, feuchterer, wärmerer oder kälterer Luft, verändern sich die thermodynamischen Eigenschaften der neuen Masse.
Andererseits werden Luftbewegungen in Bodennähe und an Berghängen durch Reibung beeinflusst, was zu Luftvermischung und Turbulenzen führt. Diese turbulenten Prozesse schwächen den adiabatischen Prozess allmählich ab. Daher vermischt sich ein Luftpaket in Bodennähe schneller mit seiner Umgebung, und diese Wärmeflüsse an der Oberfläche sowie die anschließende Verdunstung beeinflussen den adiabatischen Prozess. Vereinfacht gesagt: Wenn eine Luftmasse der Erdoberfläche ausgesetzt ist, kann sie leichter Feuchtigkeit und Wärme aufnehmen oder abgeben. Dadurch sinkt die Beständigkeit des Wasserdampf-Kondensationskoeffizienten, und Wolken lösen sich in solchen Gebieten schneller auf. Wichtig ist, dass die winzigen Wasserpartikel in der Wolke (die Moleküle in der Wolke) nicht verschwinden, selbst wenn sich die Wolke allmählich auflöst. Vielmehr kondensieren diese winzigen Wassertröpfchen durch Wechselwirkung mit Umweltfaktoren zu Wasserdampf und verlagern sich mit horizontalen oder vertikalen Bewegungen der atmosphärischen Strömung. So bilden sie an einem anderen Ort oder in höheren Lagen erneut eine sichtbare Wolkenmasse.
In verschiedenen Teilen der Welt, insbesondere im Nahen Osten, wie beispielsweise im südlichen Iran, stehen nationale Entwicklungsprogramme und die Verteilung der Wasserressourcen auf Provinzebene seit Jahren vor großen Herausforderungen bei der Trinkwasserversorgung. Grund dafür sind der globale Klimawandel und die veränderten Wetterbedingungen sowie das natürliche Problem großer Wolkenmassen, die keinen Regen produzieren. Um dieses Problem zu lösen, habe ich ein System zur direkten Absaugung feiner Wasserpartikel (Schwebewassermoleküle) und leichten, warmen Wasserdampfs aus Wolkenmassen entwickelt. Wie bereits erwähnt, ist die erste und kostengünstigste Methode die Anwendung des Nullbasisniveau-Verfahrens mit einem Absaugsystem zur Sammlung feiner Schwebewasserpartikel und Wasserdampf in mittleren bis hohen Gebirgslagen. Hierfür müssen Stationen mit Kondensatbecken (für das aus Nebel und Wolken gewonnene Wasser) in Gipfelnähe oder in mittleren Höhenlagen errichtet werden, wo Nebel und Wolken am häufigsten auftreten.
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Wie im Video am Ende dieses Artikels zu sehen ist, besteht diese Station aus: einem großen Kondensatbecken, dem zum Anfahren benötigten Kraftwerk, einer leistungsstarken Luftansaugturbine, einem kurzen Ansaugschlauch für feine Wassertröpfchen, einem Heizgerät zum Erhitzen der feinen Wassertröpfchen, einer Pumpe zum Ansaugen der Wassertropfen in das Becken und einer Druckpumpe zur Wasserverteilung an die Wohngebiete. Bei der ersten Methode, dem "Nullpunkt", befindet sich die gesamte Wasserkondensationsanlage am Boden. Hierbei wird der Standort der Station anhand der Höhe und Dichte von Nebel und Wolken im mittleren Bereich oder auf dem Gipfel des Berges gewählt. Je höher der Berg, desto stärker ist die Wolkenbildung aufgrund des Aufsteigens an der Bergwand. Der heiße Wasserdampf wird beim Auftreffen auf die kühlere Umgebung dichter und bildet kleine, schwebende Wassertröpfchen und Wolkenmassen. Dieses Naturphänomen tritt in fast allen Gebirgszügen in verschiedenen Regionen auf, und alles, was wir tun müssen, ist, winzige Wassertröpfchen aus Nebel und Wolken zu sammeln, die aufgrund mangelnder Dichte nicht in der Lage sind, Regen und größere Wassertröpfchen zu produzieren.
Sobald Nebel und Wolken den Einsatzbereich der Stationsausrüstung erreichen, wird die leistungsstarke Luftansaugturbine aktiviert und die Wasserdampfansaugung beginnt. Wasserdampf, bestehend aus feinen, leichten, in der Luft schwebenden, warmen Wassertröpfchen, wird in das Ansaugrohr der Turbine gesaugt. Beim Eintritt in den Siebfilter, der die winzigen Wasserdampftröpfchen auffängt, verbinden sich diese zu größeren Kondensationstropfen. Gleichzeitig saugt die Pumpe die Wassertropfen aus dem Filterrohr in den Wasserspeicher. Die kleinen und großen Wassertropfen verdichten sich und fließen in der zweiten Saugstufe durch die Druckpumpe als dünne Wasserstrahlen durch die Verengung des Pumpenrohrs in den Speicher. Das aus Nebel und Wolken gewonnene Wasser besitzt exakt dieselben Eigenschaften und dieselbe Konzentration wie Regenwasser. Der Unterschied besteht darin, dass die Wassertropfenbildung bei dieser Methode langsamer und allmählicher erfolgt als bei plötzlichem, flächendeckendem Regen. Allerdings kann die gewonnene Wassermenge wesentlich größer sein als bei intermittierenden Regenfällen, da bei dieser Methode fast die gesamte Wolkenwasserdampfmasse am Berg vollständig in Wasserkondensation umgewandelt wird.
Bei der zweiten Methode, der sogenannten "2-Kilometer-Basisebene", befindet sich der Großteil der schweren Hauptausrüstung der Station am Boden, während die leichtere Ausrüstung zur Sammlung feiner Wassertröpfchen mithilfe mehrerer großer Heliumballons in den Wolken schwebt. Die Ausrüstung dieser Methode umfasst ein großes Kondensatbecken, das Umspannwerk zur Stromversorgung der Station, eine leistungsstarke Turbine zur Luftansaugung, eine Pumpe zum Ansaugen der Wassertröpfchen in das Becken und eine Druckpumpe zur Wasserverteilung an die Wohngebiete. Die Ausrüstung in der Luft besteht außerdem aus einem langen Schlauch zum Absaugen feiner Wassertröpfchen, einem Heizgerät zum Erhitzen der feinen Wassertröpfchen und zwei großen, mit Helium gefüllten Ballons, die die Ausrüstung in die niedrigen Wolkenschichten transportieren. Je nach Wolkenhöhe können auch drei Ballons eingesetzt werden. Bei dieser Methode ist der wichtigste Teil der Station die Luftausrüstung, die sich im Bereich der höchsten Wolkendichte befinden muss, um möglichst viele Wasserpartikel aufzusaugen. Diese werden dann durch den mit dem in der Luft schwebenden Ballon verbundenen Saugschlauch geleitet, in die am Boden befindliche Pumpe und anschließend in den Stationsteich befördert.
Der Saugschlauch besteht aus sehr leichtem Carbon-Kunststoff, um das Gewicht des Ballons zu minimieren und ihm einen Aufstieg auf eine maximale Höhe von 2000 Metern zu ermöglichen. Obwohl sich die meisten Wolken in höheren Lagen unter 1000 Metern und sogar unter 500 Metern über dem Boden befinden, habe ich das System – unter Berücksichtigung der variablen Wolkenbildungshöhe in verschiedenen Gebieten – so konzipiert, dass sich die Aufstiegshöhe und die Position der Ballons je nach Wolkenhöhe durch Erhöhen oder Verringern der Ballonanzahl steuern lassen. Am Ende des Saugschlauchs, wo er mit den Ballons verbunden ist, befindet sich ein trichterförmiger Einlass, der die feinen Wasserpartikel in der Wolke ansaugt. Dieser Trichter ist mit vier Heizelementen ausgestattet, die die Wasserpartikel erhitzen, sodass sie sich am Eingang des Trichters schnell und leicht zu größeren, schwereren Wassertropfen verbinden. Diese Tropfen haften an einem sehr dünnen und leichten Drahtgewebe an der Innenwand des Saugschlauchs und werden dann durch die Saugkraft der Stationsturbine als dünne Wasserstrahlen nach unten gezogen.
Wie im Video am Ende dieses Artikels zu sehen ist, wird durch den Saugmechanismus an der Trichteröffnung eine große Menge Wolkenmasse spiralförmig in den mit dem Ballon verbundenen Schlauch gesaugt. Der an der Trichteröffnung und dem Heizelement entstehende Wirbel bewirkt, dass die Wasserdampfpartikel in einem dichteren Volumen miteinander kollidieren und sich aufgrund der hohen Temperatur an der Trichteröffnung schnell zu großen Wassertropfen verfestigen. Der Saugdruck der Turbine zieht diese kleinen Tropfen nach unten. Beim Auftreffen auf die Innenwand des Saugschlauchs setzen sie sich am Drahtgitter ab, haften aufgrund ihrer Fließfähigkeit daran und bilden größere Tropfen. Diese größeren Tropfen rollen aufgrund ihres höheren Gewichts, der Schwerkraft und des Saugdrucks der Turbine am Drahtgitter entlang und werden zum Schlauchende (wo sich die Auslasspumpe im Teich befindet) gesaugt. Am Ende des Schlauchs fließen diese sehr großen Wassertropfen in schmale, gleichmäßige Wasserstrahlen in den Pool oder Speicherteich. Ich habe außerdem zwei Auslassrohre an beiden Seiten des Teichs entworfen und installiert, um das aus der Nebelmasse gewonnene Wasser in Wohngebiete zu leiten.
Am Ende dieses Artikels möchte ich darauf hinweisen, dass die gängige Methode der Wolkenimpfung zur Regenbildung aus verschiedenen Gründen ineffektiv und ineffizient ist und sogar zum gegenteiligen Effekt führt, indem sie regenlose Wolkenmassen erzeugt. Bei der Wolkenimpfung wird versucht, Regen in Wolken durch die Zugabe von Silberiodid- oder Trockeneispartikeln zu erzeugen. Besitzt die Wolkenmasse jedoch die notwendige Dichte für die natürliche Regenbildung, führt die Zugabe von zu viel Silberiodid zu einer großen Anzahl von Eiskristallen und sehr kalten Tröpfchen. Anstatt zu Regen- oder Schneetropfen zu werden, zerfällt der Wasserdampf in unzählige kleine, sehr leichte Schwebstoffe, die nicht genügend Gewicht besitzen, um als Regen oder Schnee auszufallen. In den meisten Fällen führt die Wolkenimpfung in bewölkten Gebieten zu einer Verringerung oder zum vollständigen Ausbleiben von Niederschlägen, was als einer der wichtigsten Faktoren der "Wolkensterilisation" gilt.
Die starke Abhängigkeit der Wirksamkeit der Wolkenimpfung von den spezifischen klimatischen Bedingungen hinsichtlich Luftfeuchtigkeit und geografischer Struktur in den jeweiligen Regionen macht diese Methode in Ländern wie dem Iran völlig wirkungslos und ineffizient. Denn 90 % der iranischen Provinzen weisen nicht die erforderliche Luftfeuchtigkeit auf, um Chemikalien erfolgreich zu absorbieren und zu binden. Die Erfolgswahrscheinlichkeit der Wolkenimpfung im Iran liegt daher bei unter 10 %. Im Gegensatz dazu besitzen über 90 % der iranischen Regionen das Potenzial für die Anwendung des "Wasserpartikel-Saugsystems", da dort ausreichend natürliche Wolkenkondensationskerne (CCN) vorhanden sind. Diese Kondensationskerne sind winzige Schwebstoffe, an denen Wasserdampf haften und zu Wasser kondensieren kann. Zu diesen Partikeln gehören Staub, suspendierte Meersalze und verschiedene natürliche Schadstoffe, die in weiten Teilen des Irans reichlich vorhanden sind. Wir müssen sie nur noch sammeln und speichern, indem wir die von mir entwickelte Idee in Form der Erfindung des "Wasserpartikel-Saugsystems" anwenden, damit die Sorge um anhaltende Dürren aufgrund mangelnden Regens in niederschlagsarmen Gebieten auf allen Kontinenten der Welt endgültig gelöst werden kann.
Wie andere Erfindungen birgt auch diese das Potenzial für Weiterentwicklung und Optimierung. Der Einsatz des "Wasserpartikel-Saugsystems" kann wesentlich dazu beitragen, das Problem der Wasserknappheit oder begrenzten Wasserspeicherung in verschiedenen niederschlagsarmen oder -freien Gebieten weltweit zu lösen.
◉ Animationskünstler dieses Videos: Ali Pourahmad
◉ Musikkomponist dieses Videos: Ali Pourahmad
◉ Sprecher: Ali Pourahmad
◉ Sprache: Englisch
◉ Untertitel: Keine
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