big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Метеорологические исследования атмосферы в СССР

Изучение нижних слоев атмосферы — так называемой тропосферы, простирающейся в среднем до высоты порядка 10 км, началось в нашей стране уже давно: первые научные наблюдения за состоянием атмосферы были организованы в России в 1722 г., а вскоре появилась и небольшая сеть метеорологических станций. Лишь спустя примерно 50 лет была предпринята попытка создать систему метеорологических станций в Западной Европе.

В настоящее время на земной поверхности имеется обширная (правда, очень неравномерно распределенная по территории) сеть метеорологических станций и постов, насчитывающая несколько десятков тысяч пунктов. Наблюдения наземной сети, обслуживаемой специальным персоналом, дополняются данными автоматических метеорологических станций, устанавливаемых в труднодоступных районах; наиболее многочисленна система автоматических станций в Арктике. Известную роль в метеорологическом обслуживании играют корабельные метеорологические наблюдения, хотя пока они осуществляются еще весьма эпизодически по сравнению с тем, что дают континентальные станции.

Важное значение в системе наземных метеорологических наблюдений приобрели за последние годы радиометоды. Применение радиолокаторов позволяет обнаруживать и исследовать облака и осадки, турбулентные и конвективные образования в атмосфере, измерять скорость и направление ветра на высотах и прослеживать перемещение атмосферных фронтов. Велика роль радиолокационных методов в изучении механизмов образования облаков и осадков. Несомненно, их широкое применение позволит существенно улучшить работу службы погоды. Важное значение имеет в этой связи также использование методики пеленгации грозовых очагов путем регистрации атмосфериков — электрических разрядов от грозовых очагов, удаленных на большие расстояния от места наблюдения.

Для изучения и прогноза метеорологических явлений в атмосфере исключительно важно представлять себе трехмерную картину изучаемых процессов. Поэтому существенную роль в исследовательской работе и практике метеорологического обслуживания имеют вертикальные зондирования атмосферы с целью измерения атмосферного давления, скорости и направления ветра, температуры и влажности воздуха и других характеристик на различных высотах. Изобретение аэростатов позволило впервые приступить к осуществлению задачи вертикального зондирования атмосферы. России принадлежат первые в истории науки исследования в этом направлении: 30 июня 1804 г. Я. Д. Захаров предпринял специальный подъем на аэростате с целью изучения атмосферы. Много сделал для пропаганды аэрологических исследований Д. И. Менделеев. Естественно, однако, что использование пилотируемых аэростатов не позволяло наладить массовых наблюдений и существенно повысить потолок зондирований. Для решения такой задачи необходима была разработка автоматической аппаратуры малого веса, запускаемой с помощью небольших шаров. Это было сделано под руководством выдающегося советского метеоролога П. А. Молчанова; 30 января 1930 г. состоялся запуск первого в мире радиозонда, получившего его имя. С тех пор возникла обширная мировая сеть станций аэрологических радиозондирований и значительно усовершенствована аппаратура радиозондов. В настоящее время работа службы погоды была бы совершенно немыслимой без использования результатов массовых аэрологических зондирований, включающих сведения об атмосферном давлении, температуре и влажности воздуха, скорости и направлении ветра на различных высотах.

За последние годы программа использования радиозондов расширилась. Появились так называемые актинометрические радиозонды, предназначенные для исследования вертикальных профилей радиационных потоков. В СССР и США уже сейчас имеется небольшая сеть станций актинометрического зондирования. Вошли в практику озоно-зонды, используемые для измерения вертикального распределения концентрации озона. Применяются специальные радиозонды для измерения различных элементов атмосферного электричества в свободной атмосфере.

Широкое развитие получили исследования различных характеристик атмосферы при помощи самолетов и автоматических аэростатов. Это относится прежде всего к исследованиям в области физики облаков и активных воздействий на них, а также в области актинометрии, атмосферной оптики и атмосферного электричества. Советские ученые были инициаторами проведения таких работ по ряду важных направлений. Потолок самолетных, аэростатных и радиозондовых зондирований не превышает нескольких десятков километров. Однако для лучшего понимания процессов тропосферы все яснее становится важная роль исследований более высоких слоев атмосферы. Подобные исследования приобрели особую актуальность за последние годы, когда появились мощные высотные ракеты и спутники.

Уже довольно давно началась разработка разнообразных косвенных (наземных) методов изучения верхних слоев атмосферы. Косвенные методы позволили получить о них обширные сведения, но это были все-таки косвенные результаты, полученные путем обработки наблюдений на основе теорий, справедливость которых не всегда или не во всех отношениях была доказана. Естественно поэтому, что уже давно появилось стремление получить сведения о верхней атмосфере путем прямых измерений интересующих нас величин. В связи с этим уместно вспомнить, что еще в конце прошлого столетия великий русский ученый К. Э. Циолковский выдвинул идею исследования верхней атмосферы с помощью ракет. Однако лишь 50 лет спустя развитие ракетной техники позволило осуществить эту идею.

Особенно широко ракетные исследования развернулись в период Международного географического года (1958—1959 гг.) и позднее. Так, например, только в 1961 г. в СССР осуществлено ИЗ запусков исследовательских ракет. Основная часть этих работ проводилась с целью изучения метеорологического режима стратосферы и мезосферы в различных географических районах (Арктика, умеренные широты, корабельные наблюдения в Тихом океане). На основе многочисленных измерений температуры, давления, скорости и направления ветра были исследованы закономерности годового хода этих метеорологических элементов и особенности общей циркуляции атмосферы на больших высотах. 15 февраля 1961 г. осуществлены два специальных запуска исследовательских ракет для наблюдений в условиях полного солнечного затмения. Изучались внеатмосферная солнечная корона и состояние верхних слоев атмосферы в период полного солнечного затмения. В 1961 г. получены первые сведения о составе нейтральных частиц в атмосфере на высотах более 300 км. В ходе этих исследований выше 300 км был обнаружен гелий. Изучение ионного состава атмосферы привело к обнаружению ионов внеатмосферного происхождения на уровне около 100 км. Получены также интересные данные о высоте и интенсивности светящихся слоев в верхней атмосфере.

Как уже отмечалось, наибольшее внимание в ракетных исследованиях уделялось измерению температуры, давления, химического и ионного состава атмосферы, для чего широко использовались два метода. Один из них осуществлялся путем измерений на ракете, получившей название метеорологической. При другом методе измерения производились на отделяемом от ракеты контейнере. Широкое распространение получили мощные высотные геофизические ракеты.

Геофизическая ракета, запущенная 21 февраля 1958 г. и имевшая полезный вес 1520 кг, достигла рекордной высоты 473 км. Научная аппаратура, установленная на ней, позволила изучить концентрацию электронов и положительных ионов, ионный состав, электронную температуру и давление до больших высот. Во время полета этой ракеты регистрировались

Метеорологическая ракета

также удары частиц микрометеоров и замерялась ультрафиолетовая солнечная радиация. Аналогичная ракета большего веса — 1690 кг, достигшая высоты 450 км, была запущена 27 августа 1958 г. Программа исследований, проведенных с помощью этой ракеты, была еще более обширной и включала, в частности, измерения инфракрасного излучения Земли и земной атмосферы. Программа ракетных исследований в СССР предусматривала, кроме того, изучение многих других вопросов. В нее входили, в частности, исследования оптических свойств верхней атмосферы, космических лучей, магнитного поля Земли, ультрафиолетового, рентгеновского и корпускулярного изучения Солнца, физико-химических процессов в верхних слоях атмосферы и других явлений.

Запуски исследовательских ракет сыграли и играют очень большую роль в изучении верхних слоев атмосферы. Однако продолжительность жизни ракеты столь коротка, что с ее помощью можно лишь на миг «взглянуть» на то, что происходит в верхней атмосфере. Принципиально иные возможности предоставляет спутник, который может до года и более находиться в высоких слоях атмосферы, тысячи раз обходя вокруг земного шара.

4 октября 1957 г., когда впервые в мире в СССР был запущен искусственный спутник Земли, появилось принципиально новое средство исследования верхней атмосферы и космоса. Например, заметное торможение спутника в перигее определяется в первую очередь плотностью воздуха, поэтому, зная параметры спутника и измерив изменение периода обращения его вокруг Земли, можно рассчитать плотность воздуха в перигее. При запуске третьего советского спутника впервые в истории были непосредственно измерены плотность и состав воздуха на больших высотах. Особенно большой интерес представляют последние измерения. Химический состав атмосферы практически постоянен до высоты порядка 100 км. Однако выше он существенно изменяется, причем надежных сведений о ее составе пока нет. Между тем знание химического состава воздуха в верхних слоях атмосферы важно для решения многих задач физики верхней атмосферы.

Измерения, произведенные приборами высотной геофизической ракеты, обнаружили очень высокую концентрацию электронов в верхних слоях атмосферы вплоть до предельной высоты, достигнутой ракетой. Этот результат опроверг существовавшее ранее мнение о быстром уменьшении концентрации электронов выше 300 км и был поэтому принципиально важным. На ракете производились также измерения концентрации положительных ионов, однако лишь для высот от 105 до 206 км. В связи с этим представляет значительный интерес исследование концентрации положительных ионов на больших высотах. Именно такая задача и была решена с помощью приборов, установленных на третьем советском спутнике (см. рис. на стр. 669). Обширные исследования, включающие и упомянутые выше проблемы, осуществляются с помощью спутников серии «Космос».

Искусственные спутники Земли открыли в науке новые горизонты. Впервые ученые получили возможность непосредственно изучать процессы, происходящие в верхних слоях атмосферы. С точки зрения исследований космоса принципиально важной является возможность поднять аппаратуру на такие высоты, где «паразитное» влияние атмосферы на результаты наблюдений небесных объектов практически полностью исключается. Появление космических ракет и кораблей-спутников позволяет осуществлять также и непосредственное «зондирование» космоса. Естественно, что первоначальные планы научного использования спутников определялись в первую очередь стремлением исследовать то, что ранее было абсолютно недоступным или совсем мало изученным с помощью косвенных методов. Главным образом это были верхние слои атмосферы и космос. Ясно, однако, что исключительно ценная информация может быть получена также путем использования спутников для исследования процессов планетарного масштаба, протекающих в нижних слоях атмосферы и являющихся главными факторами изменения погоды.

Как уже говорилось, сейчас на земном шаре существуют тысячи метеорологических станций, которые ведут систематические наблюдения за изменением погоды. Большое число аэрологических станций осуществляет вертикальные зондирования атмосферы до высот около 20 — 30 км. Получаемые этими станциями наблюдения используются для составления синоптических карт, которые служат основным средством предсказания погоды. Необходимо учесть, однако, что около 80% поверхности земного шара занято океанами и морями, а значительная часть суши малодоступна (полярные области, пустыни и др.). Эта большая часть земной поверхности освещена в метеорологическом отношении весьма скудно — эпизодическими наблюдениями с кораблей, немногочисленными арктическими и высокогорными метеорологическими станциями. Таким образом, несмотря на сравнительно густую сеть метеорологических станций в населенных областях земного шара, синоптическая карта земной поверхности содержит большое число протяженных белых пятен, которые должны заполняться по интуиции синоптика, составляющего прогноз погоды.

Трудности заполнения белых пятен синоптической карты могут быть действенно преодолены, если характеристики погоды будут найдены с помощью приборов, установленных на спутнике. Даже один спутник, выведенный на полярную орбиту — с углом 90° по отношению к плоскости экватора — и совершающий один оборот вокруг земного шара за 1,5 час, в сравнительно короткий срок может обеспечить информацию о метеорологической обстановке на всей поверхности Земли. Серия таких спутников даст возможность получить практически одновременные величины интересующих нас метеорологических элементов и до известной степени явится заменой планетарной метеорологической сети.

За последние годы появилось довольно много различных предложений относительно использования спутников в метеорологических целях. Осуществленные к настоящему времени исследования в первую очередь включают следующие две группы работ. Первая существенная задача — телевизионное прослеживание облачности. Цель таких исследований состоит в том, чтобы получить возможность контролировать распределение облачного покрова по земному шару. Так как телевизионное прослеживание с помощью обычных телевизионных камер возможно только в дневное время, то для ночного времени используется с целью обнаружения облачности метод теплопеленгации. Изучение облаков представляет особый и наибольший интерес, поскольку они являются чувствительным индикатором погодообразующих процессов. Довольно давно в практике прогнозов погоды большую роль играл так называемый нефоанализ, т. е. определение изменений погоды по наблюдаемым изменениям облачности (каждый хорошо знает, что хорошая погода бывает при безоблачном небе). Затем нефоанализ утратил свое значение, так как появились более объективные и точные методы. Сейчас мы до известной степени возвращаемся к идее нефоанализа, но уже на другом, гораздо более высоком, «спутниковом» уровне как с точки зрения используемой техники, так и в отношении более глубокого понимания наблюдаемых закономерностей.

Другим важным аспектом спутниковой метеорологии является исследование радиационного баланса (приходо-расхода тепла) Земли как планеты. В этом случае с помощью приборов, установленных на спутнике, осуществляются измерения прихода и расхода тепла и его составляющих и тем самым получаются сведения о закономерностях энергетики Земли как планеты, играющие важную роль для анализа и предсказания крупномасштабных атмосферных процессов.

Имеющиеся измерения уходящего излучения Земли, полученные при помощи метеорологических спутников, позволяют решать ряд интересных задач: определение температуры земной поверхности и верхней границы облаков, высоты верхней границы облачности, содержания озона и т. п. Несомненно, что дальнейшее развитие спутниковой метеорологии позволит значительно расширить диапазон метеорологических параметров, поддающихся измерению со спутников.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.