До 30-х годов нашего столетия основными метеорологическими наблюдениями являлись наземные, проводившиеся на метеорологических станциях. Аэрологические же наблюдения, характеризующие состояние свободной атмосферы, производились с помощью так называемых шаров-зондов, которые, как правило, выпускались эпизодически.
Шар-зонд представляет собой резиновую оболочку, наполненную водородом, к которой подвешивается небольшой и легкий прибор — метеорограф. Этот прибор автоматически регистрировал во время подъема давление, температуру и влажность воздуха. Значения этих элементов записывались на ленте, наложенной на вращающийся барабан (с часовым механизмом), в виде непрерывных кривых. Выпускаемый шар-зонд обычно поднимался до высот 15—16 км. Здесь резиновая оболочка лопалась, а метеорограф на парашюте плавно спускался на землю. Найденный прибор отправлялся по адресу, указанному на нем, в соответствующую обсерваторию. Здесь по записям лент метеорографов определялись изменения давления, температуры и влажности с высотой. Высота подъема в различные моменты времени и соответствующие значения метеорологических элементов устанавливались с помощью барометрической формулы по начальным данным (показания приборов у поверхности земли в момент выпуска шара-зонда) и записям на ленте метеорографа во время подъема. Понятно, что обрабатывались записи лент только тех метеорографов, которые в целости доставлялись в обсерваторию. Поэтому использование полученных данных зондирования зачастую отодвигалось на долгий срок, не говоря уже о том, что многие из них пропадали из-за того, что метеорографы падали в места, недоступные человеку.
Барометрическая формула выражает закон изменения атмосферного давления с высотой, в зависимости от температуры воздуха. С помощью барометрической формулы решается не только задача определения высоты метеорографа или какого-либо летательного аппарата по измеренному давлению и температуре воздуха, но и ряд Других аналогичных практических задач. Среди них отметим: расчет распределения давления и плотности воздуха с высотой, приведение давления к уровню моря, определение высоты метеорологической станции над уровнем моря, как и разность высот между пунктами, расчет высоты, на которую следует подняться, чтобы давление уменьшилось на 1 мб (1 мм), и др.
Полной барометрической формулой, учитывающей не только температуру, но и изменение силы тяжести с широтой и высотой, а также влагосодержание воздуха, является формула Лапласа. В рабочей форме, пригодной для непосредственных расчетов, сна имеет следующий вид:
Здесь h2—h1 — разность высот в метрах между верхним и нижним уровнем, где измерены значения температуры, давления и влажности. Тт и qm — средняя температура и удельная влажность соответственно, равные средним арифметическим значениям их на двух уровнях:
hm — среднее арифметическое значение высоты
Барометрическая формула Лапласа отличается большой точностью и используется при барометрическом нивелировании. Для приближенного решения других метеорологических задач обычно пользуются упрощенной барометрической формулой (Бабине), которая имеет следующий вид:
Здесь обозначения те же, что и в формуле Лапласа.
Сравнения результатов расчета по приведенным двум формулам показали, что в пределах небольших слоев (2000 м) ошибка по формуле Бабине не превышает 1%.
Эпизодическими были и сведения, получаемые при подъемах метеорографов на аэростатах, привязных аэростатах и т. п. Естественно, что такие данные не могли быть пригодны для широких теоретических обобщений.
Радиозонды. Развитие радио и проникновение его в метеорологию значительно расширило возможности исследователей свободной атмосферы. Это прежде всего относится к изобретению радиозонда П. А. Молчановым. В Павловской обсерватории (вблизи Ленинграда) 30 января 1930 г. был выпущен первый в мире радиозонд и приняты радиосигналы о величине метеорологических элементов на различных высотах.
Поднимаемый на резиновом шаре радиозонд измеряет давление, температуру и влажность воздуха с помощью трех датчиков. Эти датчики включены в цепь коротковолнового небольшого радиоприемника, а специальное коммутирующее устройство преобразует измеренные ими величины указанных метеорологических элементов в электрические импульсы. Кодированные сигналы, автоматически посылаемые радиозондом, принимаются радиоприемниками на месте выпуска и немедленно расшифровываются. Таким образом, сведения о физическом состоянии атмосферы на различных высотах получают уже в момент подъема радиозонда. Результаты радиозондирования срочно передаются в органы Службы погоды для использования их в оперативной работе.
Существуют различные конструкции радиозондов, применяемых в СССР и за рубежом. Отличаются они друг от друга устройством датчиков и способом преобразования их показателей в электрические сигналы. Вес большинства современных радиозондов колеблется в пределах 300—800 г (рис. 1).
Кроме давления, температуры и влажности, пользуясь радиозондом, можно измерять направление и скорость ветра в тех слоях, через которые он проходит. При хорошей видимости это достигается путем обычных наблюдений за радиозондом в аэрологический теодолит, а при тумане, облачной погоде и в ночное время суток — с помощью радиопеленгования или радиолокационной установки, определяя угловые координаты передатчика. Включив в цепь радиопередатчика облакомер, с помощью радиозонда можно определять высоту верхней и нижней границ облачности. Наконец, использование ряда других приспособлений позволяет установить обледенение и характер вертикальных движений воздуха.
Среди многочисленных разновидностей радиозондов имеются и такие, которые сбрасываются с самолета или аэростата — тогда зондирование происходит
сверху вниз. При подъеме радиозонд обычно ветром относится на несколько десятков километров в сторону.
Для изучения состояния атмосферы в большом районе производится одновременный запуск радиозондов во многих пунктах. В настоящее время мировая сеть радиозондовых станций превышает 600; в них осуществляется выпуск радиозондов в свободную атмосферу три-четыре раза в сутки (рис. 2).
Организация метеорологических и аэрологических станций связана с большими расходами, поэтому имеющаяся сеть станций, особенно аэрологических, еще недостаточна. На океанах станций еще очень мало. Лишь на севере Атлантики и Тихого океана организованы постоянно действующие станции на кораблях. Эти корабли находятся почти без движения в определенных географических точках в течение ряда месяцев. Они значительны по размерам и могут выдержать любой шторм. Данные наблюдений, получаемые с кораблей, используются при составлении прогнозов погоды для межконтинентальных полетов самолетов и плавания кораблей.
Наряду с выпуском радиозондов в свободный полет на шаре их можно устанавливать на самолетах, аэростатах и любом аппарате, поднимающемся в воздух. Подъем радиозондов дает возможность производить регулярное исследование атмосферы в любых труднодоступных районах полярных и пустынных областей, над морями и океанами с кораблей и на островах. При этом выпуск радиозонда возможен почти при любых условиях погоды.
Первые радиозонды, выпущенные в начале тридцатых годов, редко поднимались до высот 10—15 км. Теперь средняя максимальная высота подъема колеблется в пределах 25—30 км, а в отдельных случаях достигает 40—50 км. В период второго Международного полярного года в 1932—1933 гг. радиозондами системы Молчанова были снабжены не только советские полярные метеорологические станции, но и зарубежные. Радиозондовые наблюдения велись на Земле Франца-Иосифа, в селе Полярном, на Маточкином Шаре. Кстати сказать, с 1934 г. началось широкое развитие сети аэрологических станций, а наряду с этим и организация метеорологических станций в труднодоступных районах тропических широт и полярного бассейна.
Радиопилоты. Сведения о направлении и скорости ветра на высотах метеорологи получали в течение многих лег с помощью шаров-пилотов. Это небольшие резиновые шары, наполненные водородом и выпускаемые в свободный полет. Они, поднимаясь вверх, одновременно увлекаются господствующими потоками воздуха на различных высотах. Наблюдая за движением шара-пилота в аэрологический теодолит, по величине углов определяют траекторию его движения, а затем, проектируя ее на горизонтальную плоскость, устанавливают скорость и направление ветра в различных слоях атмосферы.
Однако шары-пилоты могли быть использованы только в ясную погоду, так как при наличии облаков, осадков или тумана шар-пилот быстро исчезал с поля зрения наблюдателя. Мало помогали и прикрепленные к ним миниатюрные источники света для наблюдений в ночное время. В безоблачные ночи самые опытные наблюдатели не могли проследить за полетом шара-пилота выше 4-5 км.
Шары-пилоты использовались и для определения нижней границы облаков. Это достигалось как с помощью теодолита при одновременном наблюдении за ветром в подоблачном слое, так и визуально по отметке времени, когда шар-пилот «туманится» или скрылся в облаках. В ночное время для определения высоты нижней границы облаков к шару-пилоту приспосабливается источник света или используется прожектор. Направленный вверх луч прожектора оставляет на облаке светлое пятно. Расстояние от прожектора до пятна и есть высота нижней границы облака, которая вычисляется с помощью простейшего угломерного прибора, или теодолита.
В последние годы для изучения микроструктуры облаков оборудуются специальные самолеты-лаборатории. Они позволяют производить детальные исследования атмосферы в пределах высоты и дальности полета самолета.
Применение радиопеленгования для определения пространственного положения свободно летающих в атмосфере объектов дало возможность получать сведения о направлении и скорости воздушных течений на различных высотах в любое время суток и при любых условиях погоды. Для этой цели используются радиопилоты, т. е. шары-пилоты или радиозонды, снабженные специальным приспособлением (уголковым отражателем) для отражения радиоволн.
С помощью радиолокаторов и радиопеленгаторов по отраженным сигналам радиопилота или принятым сигналом радиозонда определяются пространственные координаты летящего шара. По проекции этих координат на горизонтальную плоскость вычисляются направление и скорость ветра в заданный момент и на различных высотах.
Для определения скорости и направления ветра от поверхности Земли до высоты 20—25 км используется специальный пеленгируемый радиопередатчик с импульсным излучением. Он также подвешивается к шару, наполненному водородом. Излучение этого передатчика пеленгируется приемной частью обычного радиолокатора. Следует сказать, что результаты радиопилотных наблюдений в значительной мере зависят от квалификации техника-наблюдателя, так как сложные радиолокационные установки требуют умелого обращения.
С помощью радиолокаторов легко обнаружить зоны дождей (особенно ливней) и мощной облачности на расстоянии десятков и сотен километров от места наблюдения. Эти зоны довольно четко прослеживаются на экране отметчика радиолокационной станции. Отраженный крупными дождевыми каплями импульс на экране радиолокатора имеет вид яркого пятна, помещающегося как раз в точке, соответствующей направлению и дальности отражающего объекта (рис. 3).
Местонахождение мощной облачности или зоны дождя, как и изменение их положения и величины со временем, легко рассчитать по шкале дальности, нанесенной на отметчике кругового обзора в виде концентрических линий, и по шкале углов азимута. При этом на экране при непрерывном вращении антенн видны одновременно и отраженные импульсы всех крупных предметов, находящихся в радиусе действия радиолокатора. Однако при определенном навыке и знании местности их всегда можно отличить от зон дождей. Опыт работы и усовершенствование методов наблюдений позволили в последнее время использовать радиолокатор для определения вертикальной мощности крупнокапельных облаков, толщины мощных облачных слоев и даже уровня перехода температуры воздуха в облачных слоях через 0°.
—Источник—
Погосян, Х.П. Атмосфера Земли/ Х.П. Погосян [и д.р.]. – М.: Просвещение, 1970.- 318 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
