Demonstrasjon av en eksternt pilotert atmosfærisk måle- og ladeutgivelsesplattform for geoengineering






Online publisering: 7. januar 2021Utskriftspublikasjon: 1. januar 2021DOI: https://doi.org/10.1175/JTECH-D-20-0092.1Side (r): 63 – 75Artikkelhistorie

© Få tillatelser

Åpen tilgang

Abstrakt

Elektrisk ladning er alltid til stede i den nedre atmosfæren. Hvis dråper eller aerosoler blir ladet, endres deres oppførsel, noe som påvirker kollisjon, fordampning og deponering. Kunstig ladning er en uutforsket potensiell -teknikk for å modifisere tåker, skyer og nedbør. Sentralt i å evaluere disse prosessene eksperimentelt i atmosfæren er det å etablere en effektiv metode for lading. Et lite ladetilførende fjernstyrt fly er spesielt utviklet for dette, som er elektrisk drevet. Den har kontrollerbare bipolare ladeutsendere (nominell utslippsstrøm ± 5 μA) under hver vinge, med optisk sky og meteorologiske sensorer integrert i flyrammen. Meteorologiske og dråpemålinger er påvist til 2 km høyde sammenlignet med en radiosonde, inkludert i skyen, og vellykket ladeutslipp høyt bekreftet ved bruk av programmerte flystier over en oppovervendt overflateelektrisk feltfabrikk. Denne teknologiske tilnærmingen er lett skalerbar for å gi ikke-forurensende flåter av ladningsfrigjørende fly, identifisere og målrette dråperegioner med sine egne sensorer. Utover geoengineering, landbruksmessige og biologiske aerosolapplikasjoner, krever sikker ionisk fremdrift av fremtidige elektriske fly også detaljert undersøkelse av ladeeffekter på naturlige atmosfæriske dråpesystemer.

Betegner innhold som umiddelbart er tilgjengelig ved publisering som åpen tilgang.

© 2021 American Meteorological Society. For informasjon om gjenbruk av dette innholdet og generell copyrightinformasjon, se AMS Copyright Policy (www.ametsoc.org/PUBSReuseLicenses).Tilsvarende forfatter: R. Giles Harrison, r.g.harrison@reading.ac.uk

nøkkelord: Atmosfærisk elektrisitet; 

Sky dråper; 

Atmosfære observasjoner in situ; 

Værmodifisering

1. introduksjon

Elektrisitet i atmosfæren har lenge vært ment å påvirke skyer av vanndråper. For eksempel uttalte Luke Howard (1772 – 1864), hvis sky nomenklatursystem fremdeles er mye brukt, at i nimbus (regn) skyer, vanndråper “ er ved en endring i deres elektriske tilstand som er laget for å samle seg, og gå ned i dråper regn ” (Howard 1843). Denne påstanden oppsto sannsynligvis fra den da fasjonable interessen for elektrostatikk snarere enn observasjoner, men Lord Rayleigh rapporterte senere direkte eksperimenter der “ i stedet for å rebound etter kollisjon, som de ikke-elektrifiserte vanndråpene generelt eller alltid gjør, samles de elektrifiserte dråpene ” (Strutt 1879). Nyere eksperimentelt og teoretisk arbeid (f.eks. Oppsummert i Pruppacher og Klett 1998) har bekreftet at ladningen faktisk påvirker droplet-kollisjoner og koalesens, og empiriske funn indikerer at regional ioniseringsfrigjøring er assosiert med nedbørsendringer (Harrison et al. 2020). Svært ladede dråper er også kjent for å gå i oppløsning under intense elektriske krefter (Rayleigh 1882; Duft et al. 2003). Her demonstrerer vi en ny muliggjørende for å modifisere dråpeelektrostatikk som en potensiell geoengineering-teknikk, gjennom å frigjøre ladning fra en fjernstyrt plattform som er i stand til å komme inn i skyer eller aerosolregioner. Vi beskriver et fjernstyrt fly [også kjent som et ubemannet flysystem (UAS)] hvor ioner av begge polaritet kan frigjøres på en regulert måte, gir også en måleevne ombord som de lokale dråpe-, termodynamiske og elektriske forholdene kan overvåkes med.

En stor fordel med frigjøring av ladninger som en mulig geoengineering-tilnærming ved bruk av luftbårne er at store mengder modifiserende stoff ikke er nødvendig å bæres høyt. Det er følgelig godt egnet til mulighetene til små fjernstyrte fly (RPA), utstyrt med ladeutsendere og overvåkningsinstrumentering, som oppsummert i Fig. 1. Teknologien som er utviklet er beskrevet her. Avsnitt 2 vurderer kravene til et ionfrigjøringssystem som genererte ioner til slutt blir festet til vanndråper og lader dem. Avsnitt 3 beskriver ladningsutslipp og meteorologisk sensingsteknologi utviklet og avsnitt 4 integreringen av denne teknologien med et fly. Å ta tak i de praktiske vanskene med å fly utover visuell siktlinje inn i skyer er et ytterligere viktig aspekt for å oppnå god driftsvarighet (titalls minutter) i betydelig høyde (til flere kilometer). Avsnitt 5 beskriver forsøk på systemet i spesielt arrangert luftrom og seksjon 6 evaluerer ladeutslippet.

Fig. 1.
Fig. 1.

For en så utbredt og grunnleggende innflytelse som elektrostatikk på dråpeatferd er det mange andre tilknyttede applikasjoner, inkludert i biologi, som dråpelading er anerkjent for å forbedre insekt- og løvdeponering (Gaunt et al. 2003; Inculet et al. 1981). Å undersøke effekten av ladningen på effektiviteten av prøvetaking av luftbåren aerosol gir en ytterligere anvendelse. Utover aerosolfysikk, biologiske systemer og geoengineering, ytterligere motivasjon gis av behovet for å utforske atmosfæriske av fremtidig elektrisk fremdrift av fly ved ionemisjon og konseptet med å bruke ionemisjon for å nøytralisere ladningen på fly for å forhindre utløsningen av lynet (Xu et al. 2018; Ieta og Chirita 2019). De netto elektrostatiske effektene i naturlige aerosolsystemer, og deres innflytelse på detaljerte mikrofysiske dråpeprosesser som fører til regn, kan undersøkes med de nye eksperimentelle egenskapene som er beskrevet.

2. Hensyn til frigjøring av lader

Lading av vanndråper kan oppnås ved frigjøring av luftioner i dråpeområdet (f.eks., Gunn 1954). Ladningen endrer oppførselen til dråpene, spesielt den som er opptatt av kollisjon med dråpe – dråpe. Dette blir nå diskutert videre, sammen med estimater av avgiften som kreves og genereres.

en. Egenskaper for belastede dråper

Når en ladet vanndråpe nærmer seg en annen vanndråpe, ladet eller uladet, induserer den en ladning i den andre dråpen, noe som induserer en ytterligere ladning i den opprinnelige dråpen, og gjentar på ubestemt tid. Ladede, kolliderende vanndråper opplever derfor et uendelig system med elektrostatiske bildeladninger mellom dem, med tilhørende elektriske krefter (Thomson 1853; Russell 1922; Davis 1964). Formelt sett er nettdråpen – dråpekraften alltid attraktiv ved små separasjoner uavhengig av dråper ‘ relative polariteter, med mindre de nøyaktige forholdene mellom ladningene deres vil gjøre dem til en ekvipotensiell ved kontakt (Lekner 2012; Banerjee og Levy 2015). Med naturlig variabilitet er det lite sannsynlig at denne unike ekvipotensielle tilstanden vil oppstå, og derfor kan to kolliderende ladede skydråper generelt anses å være mer sannsynlig å samle seg enn to nøytrale dråper. Derfor, hvis skydråper kan lades kunstig, kan den elektriske påvirkningen på koalesens på sin side fremskynde generasjonen av regn (Harrison et al. 2015). En annen søknad om av kunstig ladning kan oppstå fra det praktiske behovet for å fjerne dråpe- eller aerosolladning, for eksempel ved frigjøring av radioaktiv aerosol, som kan bli tilstrekkelig høyt ladet til å fortrinnsvis vaskes til overflaten av vanndråper (Tripathi og Harrison 2001).

Frigjøring av koronaioner i tåker og skyer har blitt tenkt tidligere og vurdert for mulige hydrologiske og elektriske fordeler. Etter å ha observert en tåke nær et høyspent tårn, sa oppfinneren og elektroingeniøren, Nikola Tesla (1856 – 1943), “ Jeg er positiv … at vi kan trekke ubegrensede mengder vann til vanning ” (Cheney 2001). Det mest kjente kunstige ladningsfrigjøringsarbeidet er sannsynligvis det fra Vonnegut og Moore, der koronaioner ble frigjort fra horisontale ledninger nær overflaten 14 km lange (Vonnegut et al. 1962a,b). Med dette apparatet ble det påvist at ladningen som ble frigitt, modifiserte den første elektrifiseringen av små kumulusskyer. Senere arbeid (Phelps og Vonnegut 1970) estimerte ladningen som trengs for å påvirke dråpeveksten.

b. Krav til frigjøring av gebyr

Innføring av ladning i en aerosol eller sky kan oppnås gjennom overflate- eller luftbåren frigjøring av luftioner. Overflateutslippssystemer krever omfattende installasjoner, og er avhengig av naturlige oppdateringer og inneslutningsprosesser for å la de genererte ionene nå og komme inn i aerosoler eller skyer. Siden betydelige mengder ioner kan genereres relativt enkelt, kan det hende at ineffektiviteten til den vertikale transportprosessen ikke betyr noe for å la noen ekstra ioner til slutt nå og komme inn i skyer, gjennom å følge naturlige oppdateringsruter. Ulempen er at selv med store mengder ladegenerering på overflaten, vil vurdering av eventuelle påfølgende effekter bli komplisert av den brede romlige spredningen av ioner som sannsynligvis vil oppstå.Å bruke fly for å gi målrettet ladningsfrigjøring kontrollert fra overflaten gir et lovende alternativ, slik at skyregioner kan være lokalisert der små dråper, som er de som mest sannsynlig vil bli påvirket elektrisk, er rikere. I tillegg, fordi lading lett kan genereres elektrisk, er det ingen betydelige krav til nyttelast, og derfor er små fly spesielt egnet.Selv om det er nødvendig med mer detaljert arbeid på lokale skalaer for å fullstendig evaluere ladningen som kreves for å påvirke naturlige aerosoler og skyer, kan noen avgrensende estimater gjøres. De regionale skalaene og nedbøren endres rapportert av 

Harrison et al. (2020) var assosiert med en omtrentlig dobling av den naturlige ionekonsentrasjonen. Over landoverflater er den typiske volumetriske ionproduksjonshastigheten 

q0, er omtrent 10

7 ion par m

− 3 s

− 1 (

Chalmers 1967). Dette reduseres med høyden, før det øker fra kosmisk stråleionisering over ca. 3 km. Hvis klar luft vurderes (dvs. neglisjering av ionfjerning til aerosol eller dråper), betyr stabilitet ionetallkonsentrasjon 

n0 er gitt av

n0=√q0α,(1)hvor 

α er ionion-rekombinasjonshastigheten (1,6 × 10

− 12 m

3 s

− 1). For 

q0 = 10

7 m

− 3 s

− 1, dette gir 

n0 = 2500 × 10

6 m

− 3 (

Harrison og Carslaw 2003).For en luftiongenerator som opererer med koronautslipp, er den tilhørende unipolare ionproduksjonshastigheten, som forsømmer rekombinasjon, direkte proporsjonal med strømmen som strømmer til emitterspissen. Hvis korona-strømmen er 

jegc, produksjonshastigheten for corona 

Rc vil være

Rc=jegce,(2)hvor 

e er grunnladningen (1,6 × 10

− 19 C). Hvis flyet er i nivåflyging med en hastighet 

υ, og luftioner slippes ut i en sylindrisk bjelke av tverrsnittsareal 

S, øyeblikkelig antall unipolare ioner (

nc) generert per enhetsvolum på grunn av korona er

nc=RcSυ=jegcSυe.(3)Strømmen som kreves for å generere en øyeblikkelig koronionkonsentrasjon som er en multiplum 

f av stabilitetsbakgrunn ionekonsentrasjon 

n0 (dvs., 

f = 

nc/

n0), er det derfor

jegc=fSυe√q0α.(4)For et lite fly (1 m vingespenn) som flyr kl 

υ = 30 m s

− 1, sender ut en ionplume i et område definert av vingespennet (dvs., 

S = 1 moh

2), 

jegc finnes fra Eq. 

(4) for 

f = 1 som ~ 10

− 8 EN. Hvis den utsendte ionplumen, som observerende røykrøykutslipp fra små fly antyder, sprer seg vertikalt med en størrelsesorden mer, 

S ~ 100 moh

2 og den tilknyttede 

jegc kreves er ~ 10

− 6 EN. Utslippsstrømmer på minst 10

− 6 A (dvs. 1 

μA) er realiserbare, derav 

f ≫ 1 fra et praktisk utslippssystem oppnås lett. Det totale skyvolumet som ioner slippes inn i, bestemmes av flyveien og varigheten.

Et alternativt perspektiv ble gitt av Phelps og Vonnegut (1970), som estimerte at for å øke koalesensenseffektiviteten til dråper til nær 100%, ville det være behov for en motsatt ladet dråpe som har en størrelsesorden mer ladning enn de omkringliggende dråpene. Takahashi (1973) viste at gjennomsnittlig ladning på en dråpe i en varm sky var omtrent 1 × 10− 17 C (~ 60 |e|) For forbedret koalescens, en ladning på 1 × 10− 16 C ville være nødvendig på halvparten av skydråpene. Forutsatt en skydråpskonsentrasjon på 100 cm− 3 dette vil kreve en avgiftsleveringsgrad på 10 nC m− 3. Med den typiske RPA-lufthastigheten antatt υ = 30 m s− 1, vil et avgiftsleveringssystem derfor måtte gi 0,3 μEn m− 2 som ligner det som er estimert ovenfor.Å frigjøre unipolar ladning vil også påvirke flyets elektriske potensial sammenlignet med det lokale miljøpotensialet, ettersom flyet vil utvikle en motsatt ladning som er like stor som den frigjorte ladningen. Ladningshastigheten til flyet kan estimeres som

dVdt=jegcC,(5)hvor 

DV/

dt er endringshastigheten for potensialet til flyet og 

C er flyets kapasitans. Hvis flyet anses som en isolert sfærisk kondensator med radius 1 m, 

C ~ 100 pF, og den tilhørende 

DV/

dt for 

jegc = 10 nA vil være 90 V s

− 1. Dette vil sannsynligvis overvurdere ladningshastigheten, ettersom tap av ladning fra flyet blir forsømt. Dette kan oppstå ved kollisjon eller tiltrekning av atmosfærisk romladning, noe som vil virke for å redusere ladehastigheten.

Begrensningene i frigjøring av unipolar ladning underforstått av Eq. (5) er viktig, som om ladeutslippet fortsetter på ubestemt tid, vil det elektriske feltet på overflaten av flyet til slutt bli farlig stort, noe som fører til systemfeil gjennom elektrostatisk utladningsskade, og mulig tap av flyet. (Når det gjelder ion-thrustere for romfartøy, er nøytralisatorer spesielt inkludert for å unngå dette; f.eks., Kent et al. 2005.) Denne risikoen kan reduseres med tilnærmet balansert utslipp av positiv og negativ ladning, da flyladingen vil være mindre rask, bestemt av forskjellen i utslippsstrømmene som sannsynligvis vil være mindre enn deres absolutte størrelse. En utladningsvekker, mye brukt på tradisjonelle fly, gir en annen mulighet. En konsekvens av bipolar utslipp er imidlertid at tapet av koronioner ved rekombinasjon vil bli økt.

Et kontrollerbart RPA-ladningsutslippssystem utviklet er nå beskrevet (avsnitt 3) kunne gi opptil ± 5 μA av corona-strøm, etterfulgt av betraktninger knyttet til dens integrering i flyet (avsnitt 4). Flytester som evaluerer de meteorologiske og elektriske aspektene er beskrevet i avsnitt 5.

3. Utsendere av flyladning

Ladingsemitterne avgir koronaioner fra en karbonfiberbørste, hevet til høyspenning. To separate unipolare utsendere brukes, kontrollerbare for å frigjøre positiv og negativ ladning uavhengig. Disse ble designet for å ha en fysisk form (130 mm × 40 mm × 40 mm) og masse (100 g) egnet for små fly, og å operere fra en 12 V strømforsyning. Hver emitters strøm varierer med valgt driftsspenning, som er fjernstyrbar gjennom flytelemetrien (Fig. 2). Strømmene som leveres til utsendingstipsene kan overvåkes, noe som gjør at de positive og negative strømningene kan balanseres, for å minimere flyets ladefare. Fordi den nåværende målingen må oppnås ved utslippsdelen (høyspenning) av corona emitter-kretsen, et isolert system er nødvendig for å gi målingen med sikre spenninger for flyets datatelemetri. Kommunikasjon mellom flysystemet og utsendere er derfor nødvendig i to retninger, fra flyet til senderen for å stille inn høyspenningsoperasjonsspenningen (som også bekreftes av et signal i motsatt retning), og fra utsenderen til flyet for å rapportere koronastrømmen. Denne informasjonen blir registrert av flydatasystemet.

Fig. 2.
Fig. 2.

I hver ladeutsender etterspørres driftsspenningen av flyets datalogger, over en USB – UART seriell kobling, og den resulterende utgangsstrømmen overvåkes. Innenfor hver sender fungerer en mikrokontroller som hovedkontroll og kommunikasjonsforbindelse mellom flyet og enheten, og gir kontroll over høyspentmodulen og overvåking av utgangsspenningen, mens en annen intern UART-seriell kobling kommuniserer over en optisk isolator med den gjeldende sensingsdelen.

Ionproduksjonen bestemmes av strømmen som strømmer fra høyspentmodulen gjennom utløpsbørsten inn i omgivelsene. Denne strømmen overvåkes ved å måle spenningsfallet over en seriemotstand mellom modulutgangen og utsendende spiss. Siden den nåværende sensingkretsen er forhøyet til potensialet i høyspenningsutgangen til modulen, returneres målingene gjennom en optisk kobling (f.eks., Harrison 2002; Aplin et al. 2008), med forsyningen galvanisk isolert fra lavspenningsseksjonen på brettet. En kjede med tre transformatorer (type PT6) med sine sekundærer i serie brukes til å gi en total isolasjon på 9 kV ved bruk av en firkantet bølgesoscillator-stasjon, som vist i Harrison (1997).

De faktiske utgangsstrømmene fra ladeutsendere ble karakterisert ved bruk av den eksperimentelle ordningen som er oppsummert i Fig. 3. For dette ble den utsendende spissen (en karbonfiberutladningsbørste) montert på en PTFE-stand-off, i en stor jordet diecast-boks. Utladningsbørsten ble rettet mot en messingdetektorplate koblet til en transresistensomformer (ved bruk av en 1 MΩ tilbakemeldingsmotstand) krets, å måle korona-ionstrømmen som strømmer til messingplaten ved det lokale bakkepotensialet. Detektorplaten ble montert sentralt i boksen for å tillate symmetrisk drift av de to senderne på hver side av platen. Gjennom dette arrangementet ble balansering av utgangsstrømmene fra begge utsendere oppnådd ved uavhengig å justere deres driftsspenning med høy spenning (HT), inntil de motsatte strømningene var tilstrekkelig like til at ingen netto platestrøm ble målt.

Fig. 3.
Fig. 3.

Figur 4a viser strømmen målt med deteksjonsplaten da driftsspenningen til koronautsendere var variert. Utgangsterskelen for koronautslipp er også relatert til den nøyaktige emittertipsformen, men ble funnet å være rundt 1200 V for den negative emitteren og 2300 V for den positive emitteren. Den absolutte strømmen målt av detektorplaten var avhengig av geometrien, ettersom avstanden mellom utslippsvekken og platen endret effektiviteten av ionfangst og den tilhørende detektorplatstrømmen. Figur 4bviser driften av den innebygde isolerte koronastrømmålingskretsen når koronastrømmen var variert, ved å endre HT-spenningen. Det lineære forholdet som er funnet mellom koronastrømmen og HT-spenningen, viser at utslippsstrømmen ved å justere HT-spenningen kan endres under flyging.

Fig. 4.
Fig. 4.

4. Integrasjon av luftfartsvitenskap

RPA-plattformen valgt for dette arbeidet er det kommersielt tilgjengelige Skywalker X8 fastvingede flyet. Bruk av en standardplattform muliggjør mulig oppskalering til en flåte av fly. X8 er i stand til langdistanseoperasjoner som kreves for å fly inn i skyer, inkludert en evne til å klatre til høyder på 3 km. Det er en flygende vingedesign laget av utvidet polyolefinskum, med en enkelt sammenleggbar propell i en skyvekonfigurasjon. Den har et vingespenn på 2,1 m og maksimal startmasse på 5 kg, med kapasitet til å frakte vitenskapelig utstyr i en liten nyttelast foran på flyet. Konfigurasjonen “ pusher ” gjør det mulig å lokalisere vitenskapsinstrumenteringen langt fra propellene og støygenererende komponenter, noe som reduserer elektrisk forstyrrelse på målingene. I bruk blir RPA fløyet autonomt ved hjelp av en Pixhawk 2.1 Cube autopilot med Arduplane-programvare (V3.9.6), drevet av en Cobra 3520 550 Kv-motor med Aeronaut 13 tommer (33 cm) × 8 drivmidler og en FrSky Neuron 60 elektronisk hastighetskontroller. UHF-kontrollkoblinger er laget på 868 MHz. Separate 3000 og 4000 mA h LiPo-batterier brukes til å drive henholdsvis systemene og fremdriftsmotoren.

Plasseringene av de forskjellige vitenskapssensorene som er installert på flyet, vises i Fig. 5. Siden RPA er designet for å fly innenfor og prøve skyegenskaper, har den blitt instrumentert med temperatur (RSPRO 2,4 mm diameter perletermistor) og RH-sensorer (Honeywell HIH-4000), og en optisk skysensor (OCS) (Harrison og Nicoll 2014) plassert foran på flyet, peker nedover for å minimere vanninntrenging og for å gi skjerming mot solstråling. Sensorer for tetthet av atmosfærisk rom [med begge lineære (Nicoll 2013) og logaritmisk (Harrison et al. 2017) svar] er også plassert foran på hver vinge for å overvåke lademiljøet rundt flyet. Data fra alle vitenskapssensorene logges på 1 Hz gjennom et spesiallaget dataloggingkort basert på en TinyDuino (en ATMEGA328-basert enhet) som hovedprosessor, som har egen GPS og datalagring.

Fig. 5.
Fig. 5.

Monteringsposisjoner for koronautsendere er også vist i Fig. 5, på undersiden av vingene, omtrent 20 cm fra drivkraften, vendt bakover. Den positive corona-emitteren ligger på venstre fløy, den negative emitteren på høyre ving. Denne posisjoneringen sikrer at koronionene slippes ut i den turbulente strømmen bak flyet, og hjelper til med å spre ionene og sikre at de ikke kommer tilbake til flyet, som vil endre ladningen. Koronautsendere kan byttes uavhengig for å gi positiv, negativ eller bipolar ionemisjon ved bruk av optisk isolerte brytere aktivert av piloten gjennom fjernkontrollen (RC).

5. Flytester av flyinstrumentering

Det ble foretatt separate serier med flyprøver for å evaluere flyets utholdenhet og nyttelast, meteorologiske målinger og ladeutslipp. Kalibreringsinformasjon om sensorene er gitt i vedleggene.

en. Flyaspekter

For å undersøke flyegenskapene til den omfattende instrumenterte Skywalker-flyrammen, ble det gjennomført testflyvninger på Pallas Atmosphere-Ecosystem Supersite, i sub-arktiske Finland under Pallas Cloud Experiment ( PaCE 2019 ) ( breddegrad 68.01 ° N, lengdegrad 24.14 ° E ) i løpet av september 2019. Dette nettstedet hadde et utpekt midlertidig farlig område ( EFD527 ), som tillater flyvninger til et tak på 2 km over gjennomsnittlig havnivå ( MSL ). Tabell 1 oppsummerer alle RPA-flyvninger som er gjennomført, inkludert detaljer om de elleve flyvningene som ble gjennomført på Pallas. Den lengste utholdenhetsflyveien er vist i Fig. 6.

Tabell 1.

Sammendrag av instrumenterte flyreiser gjennomført.

Tabell 1.Vis tabell

Fig. 6.
Fig. 6.

Maksimal høyde nådd i denne flyvningen var 2000 m MSL i en flyvarighet på 20 min 45 s. Dette besto av en 11 min stigning i en 10 ° vinkel til 2000 m, etterfulgt av en 9 min glid til landing. Den viktigste batteribruken skjedde under stigningen, og krevde en gjennomsnittlig strøm på 16 A sammenlignet med 0,2 A under nedstigningen. Over hele flyturen var den totale ladningen trukket fra fremdriftsbatteriet 3850 mA h, av 4000 mA h nominelt tilgjengelig.

b. Meteorologiske sensorer

De meteorologiske målingene som ble gjort av X8 RPA under flyging, ble sammenlignet med meteorologiske målinger i nærheten som ble gjort ved hjelp av en ballongbåret instrumentpakke, ved bruk av en RS41-radiosonde forsterket med ytterligere vitenskapssensorer.

Ballongens nyttelast besto av en standard Vaisala RS41 radiosonde med en OCS (Harrison og Nicoll 2014) og ladesensor (Nicoll 2013) festet, av identisk design som de på flyet. Tilleggssensorene ble plassert i et 3D-trykt kabinett. Dette kabinettet hadde festespiker som ble trykt for å gripe inn i RS41 ‘ s polystyrenskall, og sikret tilleggssensorene godt med et strammet kabelbind. Data fra sensorene ble videresendt gjennom RS41 ‘ s telemetri-system ved bruk av ozonføler (OIF411) -porten, etter Harrison et al. (2012). Sensordataene ble sammenflettet med RS41 ‘ s datastrøm og registrert av bakkestasjonen. De ekstra datapakkene ble synkronisert med standard meteorologiske data etter oppstigningen. RS41 bar standard temperatur- og fuktighetssensorer, med en sitert nøyaktighet på henholdsvis ± 0,01 ° C og ± 0,1% (Vaisala 2018).

En intens observasjonsperiode ble gjennomført på Pallas-stedet 27. september 2019 for å sammenligne ballong- og flysystemene. For dette ble det foretatt en fullstendig instrumentert RPA-flyvning inn i en tynn stratiform sky, etterfulgt av en RS41 spesiell sensorballongoppskyting for å gi referansedata. Radiosonde- og flydataene som er oppnådd blir nå sammenlignet.

Figur 7a og 7b vis standard termodynamiske meteorologiske mengder fra RS41-radiosonden i svart, og X8-flyet i rødt. Fra temperaturen og RH-dataene er et skylag 100 m tykt på omtrent 1700 m tydelig. Skytoppen er avdekket med en 5 ° C inversjon på 1800 moh. Figur 7a demonstrerer en − 2 ° C kald skjevhet av temperatursensoren på X8 sammenlignet med RS41 temperatursensor, som kan korrigeres i fremtidige flyreiser. RH-sensoren X8 ‘ sporet RS41-sensoren nøye, bortsett fra i sky-toppregionen på 1800 m der den haltet RS41, og tok lengre tid å tilpasse seg skyfunksjonene. Ettersom radiosonden og X8 hver møtte skylaget i forskjellige hastigheter, fortrengt i tid, kan ikke forsinkelsestidene deres identifiseres unikt. Responstiden til RS41 ‘ s fuktighetssensor er gitt av produsenten (Vaisala 2018) som mindre enn 0,3 s ved 20 ° C og mindre enn 10 s ved − 40 ° C.

Fig. 7.
Fig. 7.

Figur 7c viser ladetettheten fra den portvingemonterte ladesensoren, plottet ved siden av ladetettheten som er utledet fra ladesensordataene fra radiosonden. Ladningen ble beregnet etter Nicoll og Harrison (2016). I skyen på 1700 m oppdaget den vingmonterte ladesensoren en maksimal positiv ladetetthet på omtrent 50 pC m− 3; radiosonden oppdaget en lignende maksimal positiv ladetetthet på 60 pC m− 3. Slike omfattende lagskyer viser ofte lading assosiert med øvre og nedre skygrenser (Nicoll og Harrison 2016). De to sporene viser lignende ladeprofiler fra to forskjellige måleplattformer som møtte det samme skymiljøet. Den større variabiliteten som fremgår av X8-profilene kan skyldes ytterligere elektrisk støy fra flysystemene, eller naturlig genererte laterale ladningsvariasjoner.

Til slutt blir antall konsentrasjoner av skydråpe avledet fra OCS på de to måleplattformene sammenlignet i Fig. 7d. Både OCS på radiosonden og X8-flyet registrerte toppdråpskonsentrasjoner på 150 cm− 3 innenfor skylaget. (Beregningsmetoden for dråpekonsentrasjonen fra rå sensorutgangen er beskrevet i vedlegg B.)

Oppsummert kan den instrumenterte X8-flyrammen gi termodynamiske, elektriske og optiske målinger i skyen, opptil 2000 m over overflaten.

c. Ladeutslippsaspekter

Ytterligere forsøk ble utført for å teste driften av koronautsendere under flyging og kvantifisere den utsendte ladningen under lavt nivå som flyr over et elektrisk feltinstrument. Positivt ladningsutslipp fra flyet ville resultere i en positiv forstyrrelse av elektrisk felt under og en negativ feltforstyrrelse for negativ ladningsutslipp. Flyreiser ble utført på University of Bristol’s Fenswood Farm, Long Ashton, Storbritannia (51.423 ° N, 2.671 ° W). Området er et stort flatt jordbruksbeite uten hindringer. To flyvninger ble gjennomført 29. november 2019, under vakre værforhold med klar himmel og ingen nevneverdig lokal ladegenerering fra meteorologiske prosesser. (Detaljer om disse videre flyvningene er også gitt i Tabell 1.) Påvisning av flyets ladningsutslipp ble gjort ved hjelp av et Chubb JCI131 elektrisk feltfabrikk (EFM), for å måle det vertikale elektriske feltet ved overflaten. EFM ble montert på en 3 m høy vertikal mast, separat kalibrert for å korrigere for forvrengning av elektrisk felt på grunn av tilstedeværelsen av den jordede masten. Måleområdet for EFM var ± 2 kV m− 1 med en oppløsning på 0,1 V m− 1, og verdier logget på 1 Hz.

For å oppdage ladeutslipp fra flyet, var det nødvendig med et stabilt og pålitelig mønster av koronautslipp, som ble oppnådd gjennom å utføre flyoperasjoner automatisk for å opprettholde konsistente flyveier. Hvert oppdrag ble delt inn i tre separate operasjonelle stadier. Opprinnelig ble en rektangulær flyvei utført i 50 m høyde brukt for å sikre at flyet fungerte riktig. Dette ble fulgt av nivåflyoperasjoner over EFM. Endelig ble det laget et sirkulært, ubegrenset loitermønster over EFM. Gjennomsnittlig loiterhastighet på flyet var 19 m s− 1 og den totale flytiden var 17 min.

Figur 8a viser detaljer om flyveien, demonstrerer benene for flyoperasjon og det ubestemte sirkulære loitermønsteret. De sirkulære loiterne ble ført 15 og 20 m over bakkenivå, med en radius på 50 m. Hver loiter var planlagt å plassere kanten av den flygende sirkelen over EFM.

Fig. 8.
Fig. 8.

Figur 9 viser det elektriske overflaten E tidsserie under X8 ‘ s andre flytur. Markører viser når enten corona emitter ble slått av og på. Hver gang en emitter ble aktivert på flyet, en forbigående endring i E ble oppdaget under. For positiv korona, E økt og for negative koronahendelser E redusert. Da begge utsendere ble aktivert, skjedde det imidlertid en ubetydelig endring i E, som indikerer at de motsatte polaritetene virker for å kansellere poengladningen, slik EFM oppfatter.

Fig. 9.
Fig. 9.

Det tetteste ladningsområdet som sendes ut av flyet, kan anses kvantitativt å være representert med en tilsvarende punktladning over EFM. For en poengladning 

Q, det elektriske feltet 

E indusert av punktladningen på avstand 

r er gitt av

E=Q4πε0r2,( 6 )hvor 

ε0 er permittiviteten til ledig plass og 

r blir høyden på flyet over EFM. Ved å bruke en jevnende spline (med en enhetsutjevningsparameter for en stykkevis kubisk spline-interpolasjon), for å forringe den elektriske felttidsserien for bare å beholde de forbigående endringene (som vist i 

Fig. 10), kan den utsendte ladningen fra flyet beregnes fra Eq. 

(6). Ved å bruke denne metodikken, er gjennomsnittet av de utledede punktladningene for de fem positive og fem negative transientene observert i 

Fig. 10 ble funnet å være 0,43 

μC når den positive emitteren ble aktivert, og − 0,35 

μC da den negative emitteren ble aktivert. Forskjellen i liten størrelse vil sannsynligvis være assosiert med de forskjellige størrelsene på driftsstrømmer fra de to utsendere ( beregnet til å være 5,3 og − 2,8 

μA for henholdsvis positive og negative utsendere ). Den oppdagede ladningen var tydeligvis mye mindre ( 90% ) enn den øyeblikkelige ladningen som ble avgitt. For en emitterstrøm på ~ 5 

μA, en avgift på ~ 5 

μC forventes å bli observert når RPA passerte direkte over det elektriske feltfabrikken. Disse målingene, kombinert med funnene i 

Fig. 3 og 

4, indikere at det meste av den frigjorte ioniske ladningen raskt spres i atmosfæren, for å bli fjernet gjennom ionebrekombinasjon eller feste til grenselags aerosol (

Harrison og Carslaw 2003). Ladningen som fjernes til dråper i en skysituasjon kan forventes å være lik, med blandingsprosessene assosiert med den turbulente luften bak flyet som virker for å spre de frigjorte luftionene.

Fig. 10.
Fig. 10.

d. Sammendrag

Samlet evalueringene som er gjennomført i seksjoner 5a–c vise at målene som er nevnt i åpningsparagrafen er blitt adressert, og spesifikt at det instrumenterte flyet er i stand til

  1. bære vitenskapelig nyttelast til skyhøyder, med en utholdenhet på 10 minutter,
  2. gi termodynamisk meteorologisk profilinformasjon,
  3. lokalisere skyregioner gjennom kombinasjonen av en hurtig tidsrespons relativ fuktighetssensor og en optisk skysensor ved å bruke tilbakespredt lys fra vanndråpene, og
  4. levere ladning på en kontrollerbar og overvåket måte, av enten eller begge polariteter.

Videre gjør den kommersielle flyrammen som brukes og standardinnretningene og komponentene som brukes i konstruksjonen av instrumenteringen, produksjonen av flere fly lett oppnåelig, å øke volumet av sky som kan samples eller kontinuerlig samhandles med.

6. konklusjoner

Den instrumenterte RPA-plattformen som er beskrevet her genererer en ny evne til undersøkelser av sky og aerosol, og for å vurdere effekter på deres elektriske oppførsel etter ladningsfrigjøring. Det ga vellykket termodynamiske, optiske og elektriske egenskaper til skyer i høyder opp til 2 km, slik at de fleste grenselagskyer kunne nås og studeres, samt tåker, tåker, og aerosolplommer. Den nye kombinasjonen av et kontrollerbart bipolært ladningsleveringssystem med integrerte optiske sensorer gjør det mulig å identifisere skyet regioner og målrette eksternt eller autonomt. Fremtidig bruk av elektriske fly ved ionisk fremdrift, eller nøytralisering av høyt ladede partikkelskyer som utgjør elektrostatiske farer, illustrerer ytterligere miljøapplikasjoner som kan dra nytte av målrettet ladefrigjøringsevne.

Utgivelse av atmosfærisk ladning har etablert biologiske og landbruksmessige applikasjoner og kan til slutt ha en ny bruk i geoengineering gjennom å gi lading av skydråper. Dette arbeidet viser at ladelevering i store atmosfæriske volumer effektivt kan oppnås med små elektrisk drevne fly. Ettersom ladningen bare sendes ut fra et enkelt punkt, er det behov for ytterligere arbeid for å etablere det aktive området som ladningen er fordelt over. For å oppnå et større effektivt utgivelsesområde, kan noen alternative tilnærminger vurderes. Å montere et sett med utsendere på en større flyramme gir en mulighet; en annen, med større volumdekning, ville være gjennom implementering av et fly “ sverm,” med flere fly som følger det samme flymønsteret og samtidig slipper ladningen over en rekke høyder.

Å undersøke geoengineering-applikasjoner, uansett hvilken samfunnsverdi de har, er en stadig mer presserende prioritering som direkte tas opp av denne teknologien. For denne nye applikasjonen gir elektrisk drevne robotfly tilpasningsdyktige leveringsplattformer uten forbrenningsprodukter, og ladningen som frigjøres selv etterlater ingen miljøskadelige rester.

erkjennelser

Dette materialet er basert på arbeid støttet av National Center of Meteorology, Abu Dhabi, UAE, under UAE Research Program for Rain Enhancement Science (UAEREP). KAN anerkjenner et uavhengig forskningsstipend finansiert av Natural Environment Research Council (NERC) (NE / L011514 / 1 og NE / L011514 / 2). Stefan Chindeas engasjement ble støttet av NERC Grant NE / N012070 / 1. Sam Hyams, James Male og Freddie Sherratt ga verdifulle bidrag til å bygge og fly flyet. Den meteorologiske sensorkarakteriseringen ble utført av NERC SCENARIO sommerstudenter Heather Jones og Charlie Bell. Testflyvninger i Finland ble foretatt under Aerosol, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure (ACTRIS) -prosjektet i Pallas koordinert av det finske meteorologiske instituttet, et samfinansiert institutt for UAEREP.(ACTRIS-2 mottok finansiering fra EUs forsknings- og innovasjonsprogram Horizon 2020 under Grant Agreement 654109; ACTRIS PPP støttes av EU-kommisjonen under rammeprogrammet Horizon 2020 – Research and Innovation, H2020-INFRADEV-2016-2017, Grant Agreement: 739530.) University of Bristol ga tilgang til Fenswood Farm for flytester.

Erklæring om datatilgjengelighet

Data fra instrumenttestene er tilgjengelige fra den tilsvarende forfatteren.

VEDLEGG A

Meteorologisk sensorkalibrering

Denne delen diskuterer den meteorologiske sensorpakken som er ført på flyet, og den tilhørende kalibreringen. Sensorene besto av en perletermistor og en integrert relativ fuktighetssensor ( Honeywell HIH4000 ).RSPRO 10 kΩ perletermistor (type RS 151 – 237, 2,4 mm diameter) ble koblet til en 10 kΩ presisjonsmotstand for å danne en halv bro, dvs., en potensiell skillelinje fra en regulert forsyning, noe som gir en spenningseffekt 

VTHS. Termistoren ble kalibrert mot et standard platinaresistenstermometer (PRT), 

TPRT over et temperaturområde fra − 20 ° til 40 ° C i et miljøkammer. Gjennom dette ble termistorbroen funnet å ha en første ordens lineær respons av

TPRT=20.397VTHS−25,960,(A1)for 

TPRT i Celsius og 

VTHS i volt.HIH4000 fuktighetssensor ble kalibrert ved å plassere den i et miljøkammer ved 20 ° C. HIH4000s spenningsutgang 

VRH ble kalibrert mot en Michell duggpunktsensor i kammeret. Den relative fuktigheten ( RF ) i kammeret ble økt fra 30% til 100% i 5% trinn. En førsteordens respons ble funnet mellom HIH4000s spenningsutgang 

VRH og RH målt fra duggpunkthygrometer RH

D av

RHD=30,547VRH−24.607,( A2 )for RH målt i prosent og 

VRH i volt.

VEDLEGG B

Cloud Droplet Sensor Calibration

Kalibreringen av den optiske skysensoren ( OCS ) presenteres her. Driften er beskrevet i Harrison og Nicoll ( 2014 ), men for denne applikasjonen ble den utvidet til å gi fire kanaler. Den består av fire lysemitterende dioder med høy effekt (LED) i et åpent sporopplegg, med deres bakspredte lys sanset av en fotodiode montert bak lysdiodene. To av de fire lysdiodene er infrarøde enheter (topputslippsbølgelengde: 850 nm), en cyan (505 nm) og en oransje (590 nm), som hver er drevet av en firkantet bølge med en unik frekvens i området mellom 1,1 og 1,5 kHz. Eventuelle skydråper i den optiske banen fra lysdiodene vil backscatter det modulerte lyset, hvorav noen mottas av fotodioden. Fotodiode-signalet er båndpassfiltrert for å eliminere svingende dagslys, slik at bare det modulerte tilbakespredte signalet fra skydråpene beholdes.De uavhengige firkantede bølgesignalene som driver lysdiodene, brukes også til fasesensitiv deteksjon av de enkelte kanalene, slik at fotodiode-signalet kan dekomponeres i separate responser tilknyttet hver LED. Hvert av de fire gjenvunnede signalene filtreres separat og forsterkes for å gi en likespenningsutgang som er proporsjonal med bakspredningen, hvorfra størrelsen og konsentrasjonen av vanndråper blir funnet ved kalibrering.

OCS ble kalibrert mot en lett optisk aerosol-teller (LOAC), beskrevet i Renard et al. (2015). LOAC måler konsentrasjonene av aerosol, støv og vanndråper i størrelsesområdet 0,1 til 50 μm. Den fungerer ved å pumpe luft gjennom et laserkammer, med fotodioder montert på 12 ° og 60 ° fra laserbanen for å motta lys spredt med dråper og partikler. Antall fremover spredte pulser mottatt ved hver fotodiode gir konsentrasjonen. Ved å sammenligne arten av det spredte lyset ved hver fotodiode, kan også informasjon om størrelsen og typen partikkel, for eksempel karbon, mineral, is eller vann utvinnes. LOAC returnerer konsentrasjoner i 17-bokser med 1 min tidsoppløsning.

I et kalibreringseksperiment ble to OCS-enheter montert langs LOAC over overflaten på en 2,5 m m mast, omtrent 500 m fra Themsen i et stort flatt åkerfelt på University of Reading’s Sonning farm ( 51.47 ° N, 0.89 ° W ). Dette nettstedet opplever tåke og elve tåke. OCS-enhetene ble logget av en Arduino-mikrokontroller som opererte på lignende måte som den som ble brukt på flyloggsystemet. Denne ordningen ble distribuert i januar 2019 i to måneder. I løpet av 14., 15. og 17. februar 2019 skjedde det tåkehendelser som varte i flere timer på stedet.

Figur B1 viser data fra en tåkehendelse 15. februar 2019. Tåken dannet seg på omtrent 0700 UTC og forsvant ved 1200 UTC. Bare de infrarøde kanalene til OCS vurderes her. Spenningsutgangene fra OCSs to infrarøde kanaler er plottet i rødt og svart, med LOAC-dråpetall (integrert over de flere størrelseskassene som spenner over 10 – 30 μm rekkevidde) i blått. Tidsserien fra de to instrumentene sporer godt, og viser OCS-responsen på tåkedråper.

Fig. B1.
Fig. B1.

Figur B2 viser de rå ADC-tellingene (IR

ADC), fra den infrarøde kanalen til en av skysensorene plottet mot det integrerte dråpetallet 

ND fra LOAC. Minst kvadrater som passer til dataene tillater 

ND som skal beregnes fra OCSs IR

ADC, som

ND=(0,47±0,03)IRADC+(27.05±3,01).(B1)Usikkerheter i passformen gis med 95% konfidensintervaller, noe som innebærer at den monterte linjen er robust til tross for spredningen. Modne tåker har ofte ganske konsistente dråpestørrelser, og derfor kan det tydelige spredningen indikere endringer i dråpestørrelsesfordelingen under tåkeutviklingen.

Fig. B2.
Fig. B2.

Den avledede kalibreringen ble påført både ballongbåren og flyets OCS, som beskrevet i hovedteksten. For å redusere effekten av instrumentell drift ble drivsignalet til hver LED gjort jevn (dvs. uten firkantbølgemodulering) hvert 4. minutt i 10 sekunder, å effektivt gi en null for den kanalen uten å endre balansen mellom strømmer som strømmer i den samlede enheten. Denne referanseverdien ble deretter trukket fra det observerte signalet. Ettersom det også var støy på OCS-kanalene, kalibreringen ble bare påført når det gjennomsnittlige tilbakespredte signalet fra et 10-talls bevegelig vindu var større enn gjennomsnittet og ett standardavvik for bakgrunnsstøyen fra hele flyturen.

REFERANSER

Du vil kanskje også like

Mer fra forfatter

+ There are no comments

Add yours

Dette nettstedet bruker Akismet for å redusere spam. Lær om hvordan dine kommentar-data prosesseres.