big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Метеорологические ракеты и искусственные спутники Земли

Радиозонды, радиопилоты, подъемы стратостатов и другие описанные выше способы исследования атмосферы позволяют изучить процессы, происходящие лишь в самых нижних слоях ее, до высот 30—40 км. Однако наука и практика требуют изучения атмосферы до значительно больших высот. На помощь пришли ракеты и искусственные спутники Земли. Первые попытки запуска ракет относятся к 30-м годам. После второй мировой войны, когда в ракетостроении были достигнуты большие успехи, зондирование атмосферы с помощью ракет стало одним из основных методов исследования стратосферы и выше расположенных сфер.

Теоретическая основа ракетной техники была разработана К. Э. Циолковским еще в 1903 г.

В послевоенные годы подъем метеорологических ракет стал одним из основных методов изучения верхних слоев атмосферы. Первые попытки применения ракет для исследования атмосферы были предприняты в 1945 г. (США). Но более систематически запуски ракет начались в 1946 г. Изучение космического излучения и атмосферы началось в СССР в 1947—1949 гг. Ракета, снабженная научной аппаратурой, запущенная в 1949 г. в СССР, достигла 110 км. Затем был запущен ряд ракет со скоростью 3500 км/ч и весом научной аппаратуры 120—130 кг. Постепенно программа исследований расширялась, и вес научной аппаратуры на ракетах, выпущенных в последние годы, достигал 1500 кг, а скорость подъема — 8000 км/ч.

Ракеты, используемые для зондирования атмосферы, с малым весом научной аппаратуры называют метеорологическими. Они обычно поднимаются до высот 60—120 км. Метеорологические приборы обычно размещаются в носовой части (головке) ракеты. Достигнув заданной высоты, головка ракеты автоматически отделяется от ее корпуса и вместе с приборами на парашюте опускается на Землю. Метеорологические приборы обычно соединены со специальными радиодатчиками, с помощью которых результаты измерений передаются на Землю во время полета ракеты. Сигналы радиодатчиков принимаются на Землю с помощью автоматически регистрирующей радиоприемной аппаратуры.

С 1950 г. такие метеорологические ракеты запускаются регулярно как в СССР, так и за рубежом.

Для исследования более высоких слоев атмосферы (ионосферы) существуют большие ракеты, так называемые геофизические. В таких ракетах осуществлялся подъем научной аппаратуры и подопытных животных, которые затем благополучно доставлялись на Землю с помощью парашютов. Так, например, созданная в СССР геофизическая ракета с аппаратурой общим весом 2200 кг и подопытными животными в мае 1957 г. поднялась на высоту 212 км, а 21 февраля 1958 г. другая советская одноступенчатая геофизическая ракета с научной аппаратурой общим весом 1520 кг достигла высоты 473 км.

Установленные в таких ракетах приборы обладают высокой чувствительностью. Измерение всех метеорологических элементов производится электрическими методами. Почти безынерционные датчики температуры позволяют, несмотря на большую скорость полета ракеты, обнаружить некоторые детали изменения температурного поля стратосферы.

Приборы, поднимаемые в высокие слои атмосферы, кроме температуры, регистрируют давление, плотность и химический состав атмосферы на разных высотах. Проходя через всю стратосферу и мезосферу, помещенные в ракетах приборы берут пробы воздуха в нижних слоях ионосферы для анализа их в лабораторных условиях. С помощью этих приборов производится изучение физических свойств ионосферы, космических лучей и коротковолновой ультрафиолетовой части солнечного спектра. Специальными фотоаппаратами производится фотографирование облаков, поверхности Земли, солнечного спектра и многое другое. Помещаемые в ракетах дымовые шашки, взрываясь на заданных высотах, позволяют по дрейфу дыма, наблюдаемого специальными приборами, определить направление и скорость ветра на этих высотах.

Регистрация' и передача на Землю с помощью радиотелеметрической аппаратуры результатов измерения различных метеорологических элементов и явлений в атмосфере происходит не только при стремительном подъеме ракет, но и во время плавного ; спуска на парашюте отделяющегося от нее контейнера с аппаратурой. Кстати сказать, спуск приборов на парашюте, происходящий с малой скоростью, обеспечивает их сохранность и возможность многократного использования.

Метеорологические и геофизические ракеты в конце 40-х и в 50-x годах дали много новых, интересных данных об особенностях строения высоких слоев атмосферы. Особенно много запусков ракет производилось в период Международного геофизического года (МГГ), который продолжался с июля 1957 г. по декабрь 1958 г., и в период Международного геофизического сотрудничества (МГС) — в 1959 г.

Многочисленные запуски ракет как в СССР, так и за рубежом производятся в самых различных пунктах, северного и южного полушарий. Это позволяет получить очень ценные сведения о высоких слоях атмосферы почти над всем земным шаром — над Арктикой и Антарктикой, Европой и Азией, Америкой и Австралией и над океанами.

Особенно важны и интересны данные, получаемые над районами обоих полюсов Земли ив экваториальной зоне. Регулярные исследования атмосферы с помощью ракет производятся в Арктике и Антарктике, как и в средних широтах на кораблях погоды. Запуски ракет производятся во время антарктического плавания экспедиционных судов, как и на кораблях «Шокальский» и «Воейков». В районах Тихого океана, Атлантике и в районе Арктики атмосферу зондируют американские метеорологи. Ракеты зондируют атмосферу по вертикали и в отдельных случаях достигают больших высот.

Исследования верхних слоев атмосферы с помощью ракет дали очень много новых сведений и позволили уточнить наши знания о строении воздушной оболочки Земли. Однако ракетные исследования имеют ряд недостатков. Это прежде всего малое количество получаемых данных — только в одной точке и в течение короткого промежутка времени. Кроме того, они еще дороги. Ценность данных, получаемых с помощью ракет, возрастает при запуске их одновременно и систематически с сети станций.

Важным этапом по пути развития исследований верхних слоев атмосферы явилось создание искусственных спутников Земли. Они представляют собой летающую лабораторию, автоматически работающую во время длительного многократного полета вокруг земного шара по заданным орбитам. Аналогично тому как трансозонды позволяют судить об изменениях, происходящих по пути их следования в нижних слоях атмосферы, в сравнительно короткие промежутки времени, так с помощью искусственных спутников Земли получают сведения о состоянии атмосферы в течение многих дней их существования.

Первый в истории человечества искусственный спутник Земли (ИСЗ) был запущен в СССР 4 октября 1957 г. Спутник был выведен на орбиту с высотой перигея (наиболее близкой к поверхности Земли точке) 228 км и высотой апогея (наиболее удаленной от поверхности Земли точки) 947 км.

С тех пор прошло более 10 лет. За этот небольшой срок в СССР и за рубежом выпущены на орбиту сотни ИСЗ. Ученые, изучающие атмосферу, получили новое мощное средство для глубоких научных экспериментов. Третий советский ИСЗ был первой научной лабораторией, позволившей исследовать верхние слои атмосферы между высотами 300—2000 км и прежде всего ионосферу. Позже подобные исследования были проведены в США с помощью спутников типа «Эксплорер», «Дискаверер» и «Эхо».

Весьма интересные сведения были получены и получаются со спутников серии «Космос». Первый из них был запущен 16 марта 1962 г., а в январе 1970 г. число их перевалило за 300. С помощью спутников «Космос» исследуются распространение радиоволн и магнитное поле Земли, образование и структурные особенности облаков, энергетический состав околоземных зон радиации, состав космических лучей, корпускулярных потоков, ультрафиолетовое излучение Солнца, хромосферные вспышки на Солнце, магнитные возмущения, полярные сияния и др.

Специальные метеорологические спутники снабжены телевизионной аппаратурой для передачи на Землю фотографий облаков, а также приборами для измерения излучения, идущего от земной поверхности и облачного покрова. Такие спутники уже несколько лет передают ценные сведения метеорологам.

Искусственные спутники Земли для изучения атмосферы имеют значительные преимущества по сравнению с метеорологическими ракетами. Последние пока являются дорогими, поэтому обычно они не запускаются одновременно с сети станций, как радиозонды. А ведь для систематического исследования атмосферных процессов необходимы данные наблюдений не с одного пункта, а с широкой сети станций.

С помощью метеорологических спутников можно снять панораму погоды в полосе более 1000 км. За час полета такой спутник снимает 2—3 десятка миллионов квадратных километров земной поверхности, составляющей около 5% площади всей Земли.

Метеорологические спутники, фотографируя земную поверхность и облака, записывают снимки на магнитную ленту видеомагнитофона. При связи с Землей снимки принимают в приемных пунктах и фотографируются с экрана телевизора. Зная по сигналам спутника, в каком районе произведены снимки, можно перенести их на карты и получить расположение облаков над земной поверхностью. Так с помощью спутников составляются карты облачности. По фотографиям облаков, например, установлено, что в «системе крупных атмосферных вихрей (циклонов) облака бывают спиралевидные. Поэтому по снимкам облачности стало возможным определять время и местонахождение циклонов, их интенсивность, а главное, установить места возникновения и перемещения тропических циклонов, в частности тайфунов. Спутниковые данные позволяют определить и верхнюю границу облаков, что невозможно сделать с поверхности земли. По излучению верхней кромки облаков вычисляется температура на поверхности облака. Зная поданным радиозонда, на какой высоте находится вычисленная температура, нетрудно определить и верхнюю границу облаков. Сведения об облаках используются при авиационных прогнозах.

Данные метеорологических спутников позволяют составить суждение о характере развивающихся процессов над обширными районами Земли. Особенно ценны сведения, получаемые с мало-освещенных океанских просторов. С помощью фотографий облаков можно определить и крупные особенности поля атмосферного давления у поверхности земли. Известно, что облака образуются при восходящих движениях воздуха.

По статистическим данным, последние чаще наблюдаются в системе циклонов. Безоблачно бывает в районах, где находятся антициклоны. Следовательно, по картам облаков можно определить местоположение этих атмосферных вихрей и судить об особенностях приземного поля давления. Расчеты поля давления у поверхности земли и в средней тропосфере успешно выполнены Щ. А. Мусаэляном.

На рисунке 4 представлен снимок облачности в системе циклона, полученный со спутника «Космос-144». Однако имеются еще трудности для точного фотографирования облаков. Так, например, на фоне снежного покрова границы облаков определить трудно, поскольку облака и снег одинаково отражают солнечные лучи. Ночные снимки облаков, получаемые с помощью аппаратуры инфракрасного обнаружения, еще несовершенны. Известно, что даже относительно холодные тела испускают инфракрасные лучи. Приборы инфракрасного обнаружения, установленные на спутнике, регистрируют невидимую простым глазом степень нагрева участков земной поверхности. Так как верхний слой высоких облаков состоит из ледяных кристаллов, то они испускают меньше инфракрасных лучей и на сравнительно светлом фоне фотографий выглядят темными пятнами. Однако на ночных снимках не обнаруживаются необходимые детали облачных систем, как и малоразвитые кучевые облака. Все же фотографии, получаемые с метеорологических спутников, обогатили наши знания о системе облаков и оказывают большую помощь метеорологам при исследовании крупномасштабной циркуляции в нижней атмосфере.

Фотография облачности и циклонов на Севере тихого океана, полученная со спутника "Космос-144" 3 июня 1967 г.

Искусственные спутники Земли определяют границы распространения снежного покрова и льдов, а также передают другие важные метеорологические и гидрологические сведения.

Спутник «Космос-122», запущенный 25 июня 1966 г., передавал сведения не только с дневной, но и с ночной стороны нашей планеты. Это было достигнуто применением устройств, использующих инфракрасное излучение поверхности земли и облаков. С помощью этой аппаратуры были получены фотографии ураганов и тайфунов. Фотографии со спутника «Космос-122» просматривались визуально и использовались в прогностической работе.

Сложнее обстоит дело с анализом данных отраженной солнечной радиации. Своевременная их обработка невозможна без электронных вычислительных машин. Созданные машины способны автоматически перерабатывать сведения, получаемые со спутников, превращая их в схемы, графики и карты, т. е. материал, готовый для использования в целях прогноза погоды.

26 февраля и 27 апреля 1967 г. были запущены метеорологические спутники «Космос-144» и «Космос-156» на близкие к круговой орбиты высотой 625—630 км над Землей. Каждый из них только за один оборот вокруг планеты позволяет получить информацию об облачности с территории около 8% и о радиационных потоках— около 20% поверхности Земли. Орбиты спутников выбраны таким образом, чтобы они передавали данные наблюдения за погодой с интервалом, близким к 6 часам. Это позволяет исследовать развитие атмосферных процессов над значительными районами Земли.

Спутники производят как фотографирование облачного покрова в видимых и инфракрасных лучах, так и одновременные измерения радиационных потоков в различных участках спектра.

Данные спутников «Космос-144», «Космос-156» и «Космос-184» нашли применение в работе научных центров службы погоды. Они особенно полезны при анализе развития атмосферных процессов и погоды в районах с редкой сетью метеорологических станций. Это относится прежде всего к океанам. В тропической зоне спутники позволяют определять место тропических циклонов, наблюдать за их движением и своевременно предупреждать суда о надвигающихся ураганах.

За I960—1965 гг. в США на орбиту запущено несколько метеорологических спутников («Тайрос», «Нимбус» и «ЭССА»).

Для полноты охвата передаваемыми изображениями облачности при фотографировании земной поверхности необходимо, чтобы вокруг Земли одновременно вращался не один, а несколько спутников (3—4). Это позволит представить непрерывную картину развития атмосферных вихрей и связанных с ними атмосферных процессов над большими площадями.

В настоящее время осуществлен запуск так называемых неподвижных спутников. В отличие от современных метеорологических спутников, его орбита совпадает с плоскостью экватора. Он может вращаться с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли. При выполнении этого условия спутник будет стоять как бы неподвижно относительно Земли. Если такой спутник запустить на высоту 36 000 км, то он охватит все полушарие. Следовательно, если один такой спутник будет находиться над районом Тихого океана, а другой над Атлантикой, то они обеспечат поступление непрерывной информации со всего земного шара. Подобное фотографирование нашей планеты с высокой орбиты уже произведено с помощью спутника связи «Молния-1», и получена карта облаков северного полушария между Гренландией и Тихим океаном.

По сообщению ТАСС («Правда» от 19 марта 1968 г.), новый советский спутник «Космос-206» 18 марта вошел в состав экспериментальной космической метеорологической системы «Метеор». Новый спутник погоды был запущен и выведен на круговую орбиту, отстоящую от Земли на расстоянии 630 км. Один оборот «Космос-206» совершает за 97 минут. Наклонение орбиты 81°. На борту нового советского спутника установлены телекамеры и инфракрасная аппаратура, способная давать непрерывный обзор состояния атмосферы или земной поверхности в участке спектра с длиной волны 8—12 микрон, а также приборы для измерения отраженной и излученной тепловой радиации.

18 марта Гидрометцентр СССР начал оперативную обработку и передачу информации о погоде, поступающей с борта «Космос-206», всем заинтересованным организациям в Советском Союзе и за рубежом. Таким образом, в марте 1968 г. на орбитах вокруг Земли работают три советских спутника погоды: «Космос-144», «Космос-184» и «Космос-206». В марте 1969 г. запущен новый метеорологический спутник «Метеор».

Экспериментальная система «Метеор» действует в течение почти целого года, давая регулярные сведения об атмосфере и поверхности Земли в интересах оперативной службы погоды. В состав этой системы наряду со спутниками входит комплекс наземной службы, способный оперативно оценивать, принимать, расшифровывать метеорологическую информацию из космоса.

 

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

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.