Полная версия

Главная arrow Экология arrow Науки о Земле

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ

Метеорология (от греч. т&ёдгоБ - поднятый вверх, небесный, теЬёдга - атмосферные и небесные явления и ...логия) - наука об атмосфере и происходящих в ней процессах. Основной раздел метеорологии - физика атмосферы, исследующая физические явления и процессы, происходящие в ней. Химические процессы в атмосфере изучаются новым, быстро развивающимся разделом метеорологии -химией атмосферы. Исследование атмосферных процессов теоретическими методами гидроаэромеханики - задача динамической метеорологии, одной из важных проблем которой является разработка численных методов прогнозов погоды. Другими разделами метеорологии являются наука о погоде и методах её предсказания - синоптическая метеорология и наука о климатах Земли - климатология, обособившаяся в самостоятельную дисциплину. В этих дисциплинах пользуются как физическими, так и географическими методами исследования, однако в последнее время физические направления в них стали ведущими. Влияние атмосферных факторов на биологические процессы изучается биометеорологией, включающей сельскохозяйственную метеорологию и биометеорологию человека. Сюда относятся биоклиматология - учение о влиянии климата на живую природу и человека, агроклиматология - учение о влиянии климата на земледелие, курортная и медицинская климатология, техническая климатология, в которой выделяются такие дисциплины, как авиационная, транспортная, строительная климатология и др.

В состав физики атмосферы входят физика приземного слоя воздуха, изучающая процессы в нижних слоях атмосферы, аэрология, посвященная процессам в свободной атмосфере, где влияние земной поверхности менее существенно, и физика верхних слоев атмосферы, рассматривающая атмосферу на высотах в сотни и тысячи километров, где плотность атмосферных газов очень мала. Изучением физики и химии верхних слоев атмосферы занимается аэрономия. К физике атмосферы относятся также актинометрия, исследующая солнечную радиацию в атмосфере и её преобразования, атмосферная оптика - наука об оптических явлениях в атмосфере, атмосферное электричество и атмосферная акустика.

История развития метеорологии. Первые исследования в области метеорологии относятся к античному времени (Аристотель). Развитие метеорологии ускорилось с первой половины XVII в., когда итальянские учёные Г. Галилей и Э. Торричелли разработали первые метеорологические приборы - барометр и термометр.

В ХУП-ХУШ вв. были сделаны первые шаги в изучении закономерностей атмосферных процессов. Из работ этого времени следует выделить метеорологические исследования М. В. Ломоносова и Б. Франклина, которые уделяли особое внимание изучению атмосферного электричества. В этот же период были изобретены и усовершенствованы приборы для измерения скорости ветра, количества выпадающих осадков, влажности воздуха и других метеорологических элементов. Это позволило начать систематические наблюдения за состоянием атмосферы с помощью приборов сначала в отдельных пунктах, а в дальнейшем, с конца XVIII в., на сети метеорологических станций. Мировая сеть метеорологических станций, проводящих наземные наблюдения на основной части поверхности материков, сложилась в середине XIX в.

Наблюдения за состоянием атмосферы на различных высотах были начаты в горах, а вскоре после изобретения аэростата (конец XVIII в.) - в свободной атмосфере. С конца XIX в. для наблюдения за метеорологическими элементами на различных высотах стали широко использоваться шары-пилоты и шары-зонды с самопишущими приборами. В 1930 г. учёный И. А. Молчанов изобрёл радиозонд - прибор, передающий сведения о состоянии свободной атмосферы по радио. В дальнейшем наблюдения с помощью радиозондов стали основным методом исследования атмосферы на сети аэрологических станций. В середине XX в. сложилась мировая актинометрическая сеть, на станциях которой производятся наблюдения за солнечной радиацией и её преобразованиями на земной поверхности; были разработаны методы наблюдений за содержанием озона в атмосфере, за элементами атмосферного электричества, за химическим составом атмосферного воздуха и др. Параллельно с расширением метеорологических наблюдений развивалась климатология, основанная на статистическом обобщении материалов наблюдений. Большой вклад в построение основ климатологии внёс А. И. Воейков, изучавший ряд атмосферных явлений: общую циркуляцию атмосферы, влагооборот, снежный покров и др.

В XIX в. получили развитие эмпирические исследования атмосферной циркуляции с целью обоснования методов прогнозов погоды. Работы У. Ферреля в США и Г. Гельмгольца в Германии положили начало исследованиям в области динамики атмосферных движений, эти исследования были продолжены в начале XX в. в Норвегии. Дальнейший прогресс динамической метеорологии ознаменовался созданием первого метода численного гидродинамического прогноза погоды, разработанного советским учёным И. А. Кибелем, и последующим быстрым развитием этого метода.

В середине XX в. стали широко применяться методы динамической метеорологии в изучении общей циркуляции атмосферы. С их помощью американские метеорологи построили мировые карты температуры воздуха, осадков и других метеорологических элементов. Аналогичные исследования ведутся во многих странах, они тесно связаны с Международной программой исследования глобальных атмосферных процессов. Значительное внимание в современной метеорологии уделяется изучению физических процессов в приземном слое воздуха. В 20-30-х гг. эти исследования были начаты в Германии с целью изучения микроклимата; в дальнейшем они привели к созданию нового раздела метеорологии - физики пограничного слоя воздуха. Большое место занимают исследования изменений климата, в особенности всё более заметного влияния деятельности человека на климат.

Метеорология в России достигла высокого уровня уже в XIX в. В 1849 г. в Петербурге была основана Главная физическая (ныне геофизическая) обсерватория - одно из первых в мире научных метеорологических учреждений. Г. И. Вильд, руководивший обсерваторией на протяжении многих лет во второй половине XIX в., создал в России образцовую систему метеорологических наблюдений и службу погоды. Он был одним из основателей Международной метеорологической организации (1871 г.) и председателем международной комиссии по проведению 1-го Международного полярного года (1882— 1883 гг.). Основоположником советской школы динамической метеорологии был А. А. Фридман. В его исследованиях, а также в более поздних работах других авторов были рассмотрены закономерности атмосферных движений различных масштабов, предложены первые модели теории климата, разработана теория атмосферной турбулентности, изучены закономерности радиационных процессов в атмосфере. Климатологами были детально исследованы климат нашей страны и атмосферные процессы, определяющие климатические условия. В Главной геофизической обсерватории изучался тепловой баланс планеты и были подготовлены атласы, содержащие мировые карты составляющих баланса. Работы в области синоптической метеорологии (В. А. Бугаев, С. П. Хромов и др.) способствовали значительному повышению уровня успешности метеорологических прогнозов. В исследованиях агрометеорологов дано обоснование оптимального размещения сельскохозяйственных культур на территории страны. В настоящее время в России существует ряд гидрометеорологических центров, которые подчиняются Гидрометцентру России.

Существенные результаты получены в работах по активным воздействиям на атмосферные процессы. Опыты воздействий на облака и осадки, начатые В. Н. Оболенским, получили широкое развитие в послевоенные годы. В результате исследований, проведённых под руководством Е. К. Фёдорова, была создана первая система, позволяющая ослаблять градобитие на большой территории.

Характерной чертой современной метеорологии является применение в ней новейших достижений физики и техники. Так, для наблюдений за состоянием атмосферы используются метеорологические спутники, позволяющие получать информацию о многих метеорологических элементах для всего земного шара. Для наземных наблюдений за облаками и осадками прибегают к радиолокационным методам. Всё возрастающее применение находит автоматизация метеорологических наблюдений и обработки их данных. В метеорологических исследованиях используются ЭВМ с весьма большой процессорной памятью. Их применение имеет громадное значение для усовершенствования численных методов прогнозов погоды. Расширяется использование количественных методов исследования в таких областях метеорологии, как климатология, агрометеорология, биометеорология человека, где ранее они почти не применялись.

Наиболее тесно метеорология связана с океанологией и гидрологией суши. Эти три науки изучают различные звенья одних и тех же процессов теплообмена и влагообмена, развивающихся в географической оболочке Земли. Связь метеорологии с геологией и геохимией основана на общих задачах этих наук в исследованиях эволюции атмосферы и изменений климатов Земли в геологическом прошлом. В современной метеорологии широко используются методы теоретической механики, а также материалы и методы многих других физических, химических и технических дисциплин.

Особое положение занимает палеоклиматология (учение о климатах геологического и исторического прошлого, тесно примыкающее к исторической геологии). Большое практическое значение климатологии явилось причиной возникновения ряда прикладных климатологических дисциплин, пограничных с другими науками.

Новые направления климатологии потребовали усиления внимания к методике обработки метеорологических наблюдений. В этих методических разработках отечественным учёным принадлежит ведущее место. Развивалась также и комплексная климатология. В области физической климатологии в середине XX в. оформилось представление о тепловом балансе земной поверхности и атмосферы как о физической основе климата. Наибольшую систематизацию и развитие эти идеи нашли в нашей стране (работы М. И. Будыко и его школы) и в США. Параллельно велись работы по оценке климатообразующей роли влагооборота (Россия, США, Япония, Германия). В Австрии, Чехословакии и других странах большое внимание уделялось климатологической обработке наблюдений в горных районах. В 1930 г. в Норвегии стала развиваться концепция динамической климатологии, открывающая возможности объяснения и классификации климатов через определенные динамические системы, входящие в общую циркуляцию атмосферы. Это послужило толчком к усиленному изучению в нашей стране, Германии и Франции климатообразующей роли общей циркуляции атмосферы. Климатические описания обычно сопровождаются анализом циркуляционных условий. Последние положены в основу классификации климатов земного шара Б. П. Алисова (1952), получившей широкое распространение. Большие успехи на этом пути достигнуты и в климатологии тропиков (Индия, США, Китай, Германия).

В связи с бурным ростом больших городов, быстрым изменением во многих районах условий природной среды резко повысился интерес к изучению микроклимата и местного климата, поскольку к ним в первую очередь относятся ненаправленные антропогенные изменения и возможные мелиорации климата. Непрерывно растущими запросами практики стимулируется развитие агроклиматологии и других прикладных климатологических дисциплин.

В области палеоклиматологии появились крупные обобщения в 30-х гг. XX в. Тщательно изучаются также современные климатические изменения, так называемое современное потепление климата. Выяснение влияний солнечной активности на климат является одной из существенных частей проблемы естественных изменений климата. Решается задача прогноза климата на ближайшие десятилетия и столетия, особенно усложняемая необходимостью учета растущих антропогенных влияний. Интересные перспективы открываются в этом направлении на основе исследований теплового баланса, в том числе и его возможных антропогенных изменений.

Одна из главных задач метеорологии - прогноз погоды на различные сроки. Краткосрочные прогнозы особенно необходимы для обеспечения работы авиации; долгосрочные - имеют большое значение для сельского хозяйства. Так как метеорологические факторы оказывают существенное влияние на многие стороны хозяйственной деятельности, в обеспечении запросов населения, производства и транспорта необходимы материалы о климатическом режиме. Быстро возрастает практическое значение активных воздействий на атмосферные процессы, в том числе воздействий на облачность и осадки, защиты растений от заморозков и др.

Научными и практическими работами в области метеорологии руководит гидрометеорологическая служба, созданная в 1929 г. Деятельность метеорологических служб разных стран объединяет Всемирная метеорологическая организация и др.

Перспективы дальнейшего развития климатологии связаны с возможностью применения современного аппарата математической обработки и анализа обширного эмпирического материала. Углубленное понимание статистических закономерностей пространственно-временной структуры климата увеличит и возможности климатических прогнозов, содержащих практические рекомендации пользователям прогнозов. Наряду с этим поставлена задача построения математических моделей (численное моделирование) климатообразующих процессов путем интегрирования уравнений атмосферной термогидродинамики и переноса радиации в атмосфере. Первоначальные формулировки задачи и первые результаты принадлежат советским учёным, в дальнейшем в эту работу энергично включились и американские учёные. Такие модели при достаточном их совершенстве позволяют вычислять макромасштабное распределение элементов климата в трехмерной атмосфере и открывают путь к удовлетворительному объяснению прошлых и к прогнозу будущих его изменений. Современные ЭВМ большого быстродействия обеспечивают решение задач такого моделирования с всё возрастающей степенью приближения к действительности.

Международная кооперация в климатологии по линии научных и организационных мероприятий проводится через Всемирную метеорологическую организацию (ВМО), научные контакты осуществляются также через Международный союз геофизики и геодезии и Международный географический союз; в области биоклиматологии -через Международное биоклиматическое общество.

Комплексная климатология - климат в погодах - направление в климатологии, в котором под погодой понимается комплекс взаимосвязанных и взаимообусловленных метеорологических элементов и явлений. В комплексной климатологии рассматривается влияние погоды на человека, на многие объекты его деятельности, а также на животный мир. Поскольку климат понимается как многолетний режим погоды, его воздействие на человека проявляется через конкретную погоду. Климат в комплексной климатологии анализируется на ЭВМ, причем в качестве единицы счета используются понятия «погода конкретных суток» и «погода конкретного момента». При сравнительном изучении климата все многообразие погоды суток анализируется с применением классификации, построенной на морфологической основе. Она включает ряд классов погоды. Несколько классов образуют группу безморозной погоды, часть - погоды с переходом температуры воздуха через О °С и часть - морозные погоды. Каждый класс характеризуется определёнными числовыми показателями. Особенности климата какой-либо местности оцениваются расчётом повторяемости классов погоды по месяцам года с построением графиков структуры климатов, причём привлекаются сведения о режиме отдельных метеорологических элементов. Закономерности географического распределения погоды на равнинах анализируются с помощью составления карт повторяемости того или иного класса погоды. В горных районах, где использование такого приема затруднительно, применяют графики структуры климата вдоль речных долин и по высотным профилям. При анализе многолетнего режима погоды в комплексной климатологии выясняется устойчивость во времени того или иного класса погоды, степень контрастности погоды смежных дней, характер сопряженности погоды, одновременно возникающей в разных пунктах. Комплексная климатология получила развитие в СССР с 1927 г.

Метеорологические приборы - приборы и установки для измерения и регистрации значений метеорологических элементов. Метеорологические приборы предназначены для работы в естественных условиях в любых климатических зонах. Поэтому они должны безотказно работать, сохраняя стабильность показаний в большом диапазоне температур, при большой влажности, выпадении осадков, и не должны бояться больших ветровых нагрузок и пыли. Для сравнения результатов измерений, производимых на различных метеостанциях, метеорологические приборы делают однотипными и устанавливают так, чтобы их показания не зависели от случайных местных условий.

Для измерения (регистрации) температуры воздуха и почвы применяют метеорологические термометры различных типов и термографы. Влажность воздуха измеряют психрометрами, гигрометрами, гигрографами; атмосферное давление - барометрами, анероидами, барографами, гипсотермометрами. Для измерения скорости и направления ветра применяют анемометры, анемографы, анеморумбометры, анеморумбографы, флюгеры. Количество и интенсивность осадков определяют с помощью дождемеров, осадкомеров, плювиографов. Интенсивность солнечной радиации, излучение земной поверхности и атмосферы измеряют пиргелиометрами, пиргеометрами, актинометрами, пиранометрами, пиранографами, альбедометрами, балансомет-рами, а продолжительность солнечного сияния регистрируют гелиографами. Запас воды в снежном покрове измеряют снегомером, росу -росографом, испарение - испарителем, видимость - нефелометром и измерителем видимости, элементы атмосферного электричества -электрометрами и т. д. Всё большее значение приобретают дистанционные и автоматические метеорологические приборы для измерения одного или нескольких метеорологических элементов.

Радиолокация в метеорологии применяется для метеорологических наблюдений и измерений, основана на рассеянии радиоволн гидрометеорами, диэлектрическими неоднородностями воздуха, сопутствующими атмосферным явлениям, частицами аэрозоля и др. Кроме того, пользуются искусственными отражателями (рассеивателями), выбрасываемыми в атмосферу, типа металлизированных иголок размером ~ А./2, где X - длина радиолокационной радиоволны, а также специальными радиолокационными отражателями или активными ответчиками - миниатюрными радиопередатчиками, поднимаемыми на шарах-зондах.

Отражения радиоимпульсов от турбулентных и инверсионных слоев в тропосфере впервые отмечены в 1936 г. (США) на средних и коротких волнах. Первые сообщения об обнаружении осадков с помощью радиолокаторов сантиметрового диапазона относятся к началу 1941 г. (Великобритания). В 1943 г. в США были организованы первые оперативные наблюдения за ливнями и грозами. В нашей стране измерения скорости и направления ветра в высоких слоях атмосферы путём прослеживания движения шаров-зондов с пассивными отражателями начаты в 1943 г.

С помощью радиолокаторов обнаруживаются облака, осадки, области повышенных градиентов температуры и влажности, ионизированные следы молниевых разрядов и др. Из радиолокационных наблюдений получают информацию о пространственном положении, перемещении, структуре, форме и размерах обнаруживаемых объектов, а также их физических свойствах. При рассеянии радиоволн на частицах облаков и осадков в случае, когда размеры г этих частиц малы по сравнению с длиной волны X (рэлеевское рассеяние), величина радиолокационного сигнала ~ г64. Столь сильная зависимость величины отражённого сигнала от размера частиц приводит к тому, что при радиолокационном наблюдении за облаками и осадками выделяются наиболее крупнокапельные области, поэтому радиолокационные изображения не всегда совпадают с визуальными размерами объекта. Интенсивность рассеянных сигналов резко убывает с увеличением X, кроме того, на миллиметровых и более коротких волнах сигнал сильно ослабляется, что ограничивает диапазон частот метеорологических радиолокаторов, которые поэтому, как правило, работают в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн.

Между средней мощностью отражённых сигналов и интенсивностью осадков установлены эмпирические соотношения, на основании которых выясняют распределение интенсивности и количества выпадающих осадков на площади радиолокационного обзора. Более высо-

кая точность оценки интенсивности осадков и водности облаков достигается при измерении ослабления радиоволн. Для этого используют двухволновые радиолокаторы. Если А. сравнима с размером частицы, закон рассеяния существенно отличается от рэлеевского, и при известной частотной зависимости ослабления радиоволн измерения отражённых сигналов на нескольких длинах волн позволяют оценить размеры частиц осадков. Для несферических частиц вероятность рассеяния зависит от их формы и ориентации. По степени деполяризации отражённых сигналов можно судить о форме частиц облаков и осадков и, следовательно, об их агрегатном состоянии. Движение рассеивателей приводит к смещению частоты отражённых сигналов вследствие эффекта Доплера. Измерение доплеровского смещения частоты, а также других параметров спектра радиолокационных сигналов, отражённых от облаков и осадков, крупных частиц аэрозоля, искусственных рассеивателей, позволяет исследовать структуру различных движений в атмосфере (ветер, турбулентность, упорядоченные вертикальные потоки). С помощью высокочувствительных радиолокационных станций обнаруживаются области повышенных градиентов показателя преломления, связанные с образованием устойчивых слоев в приземном и пограничном слоях атмосферы, а также с зонами интенсивной турбулентности при «ясном» небе на высотах до 10-15 км. Интенсивность турбулентности в «ясном» небе оценивается по величине отражённых сигналов, а также по ширине их спектра, обусловленного доплеровским смещением.

Благодаря применению радиолокации в метеорологии, оперативные данные о ветре на различных высотах получают при любых условиях погоды. Скорость и направление ветра вычисляются по измеренным координатам радиопилота. Определение ветра часто производится одновременно с измерением температуры, давления, влажности и других параметров атмосферы, поэтому созданы радиолокационные станции для комплексного зондирования атмосферы, которые позволяют определять координаты радиозонда по сигналам его передатчи-ка-ответчика и принимать телеметрическую информацию о метеорологических элементах.

Аэрологические приборы - приборы, предназначенные для измерений температуры, давления и влажности воздуха, а также солнечной радиации в свободной атмосфере на различных высотах, высоты верхней и нижней границы облачности, турбулентности атмосферы, содержания озона и аэрозолей, потенциала электрического поля и т. д. Основными аэрологическими приборами являются радиозонды, позволяющие измерять температуру, давление, влажность, скорость и направление ветра по траекторным данным, полученным с помощью аэрологического теодолита, радиотеодолита или радиолокатора, а также метеографы - самопишущие приборы, непрерывно регистрирующие на ленте температуру, давление, влажность воздуха, а иногда и скорость воздушного потока. На самолётах наряду с метеорографом при зондировании атмосферы поднимают аэрологические приборы, в частности, для измерений водности и микроструктуры облаков, турбулентности, обледенения и пр.

Для оценки параметров атмосферы на обширных пространствах используются самолёты - летающие метеорологические лаборатории. Распространение получила метеорологическая ракета с аппаратурой, позволяющей измерять температуру, давление, плотность, определять состав воздуха и другие параметры на высоте до 100 км и более.

Особое место при исследовании атмосферы на больших пространствах занимают метеорологические спутники, с помощью которых получают данные о глобальном состоянии облачности, штормовых и грозовых очагах, температуре подстилающих поверхностей (облаков, поверхности суши, морей и океанов), радиационном балансе Земли и т. д.

Зондирование атмосферы - определение вертикального или горизонтального распределения температуры, влажности, давления, ветра и других физических параметров атмосферы. Наибольшее значение имеет вертикальное зондирование атмосферы. Существует несколько методов такого зондирования: с помощью радиозондов, оптическое (лучом лазера), акустическое (звуком), радиолокационное, ракетное и др. Распределение температуры и ветра определяют по измерениям времени и направления прихода звуковых волн от взрывов небольших гранат, сбрасываемых с ракеты, при акустическом зондировании атмосферы.

Наиболее распространён метод вертикального зондирования атмосферы с помощью радиозондов - миниатюрных метеостанций, поднимаемых до высоты 30-40 км резиновыми или полиэтиленовыми шарами, наполненными водородом или гелием. Температура измеряется термисторами (реже биметаллическими деформационными термометрами), давление - мембранными манометрами, влажность -плёночными или электрохимическими гигрометрами. Радиозонд непрерывно передаёт по радио результаты измерений, регистрируемые в пункте выпуска. Скорость и направление ветра в слое, через который поднимается радиозонд, определяются с помощью радиолокаторов, ведущих непрерывное отслеживание пространственных координат прибора. Выпуск радиозондов производится ежедневно несколько раз в сутки в строго определенное время. Результаты зондирования атмосферы, проводимого более чем в 800 пунктах радиозондирования в разных географических районах, являются основными исходными материалами для составления прогноза погоды. В научно-исследовательских целях наряду с массовыми радиозондами периодически поднимаются специальные радиозонды, измеряющие состав атмосферы, радиационные потоки и т. д.

На больших высотах (до 100 км и выше) зондирование атмосферы проводится метеорологическими ракетами, в головной части которых помещаются приборы, опускающиеся на парашюте после достижения максимальной высоты. Измеряются плотность, температура, ветер, а при научно-исследовательских пусках - также и состав воздуха, интенсивность и спектр солнечной радиации и т. д. Часть измерений производится при подъёме ракеты, а часть - при спуске приборов на парашюте. Результаты передаются по радио и обрабатываются на электронных вычислительных машинах. Температура определяется электротермометрами или по данным о плотности воздуха; на высотах больше 80-90 км она может вычисляться по скорости диффузии искусственных облаков, выпускаемых с ракеты. Для измерения ветра пользуются радиолокационным прослеживанием либо дрейфа головной части ракеты при её опускании на парашюте, либо облаков из искусственных отражателей.

Поскольку станции радиозондового и ракетного зондирования атмосферы дают лишь 20 % метеорологической информации, необходимой для прогноза погоды, оставляя почти неосвещенными обширные океанические, приполярные и горные районы, важнейшую роль играет зондирование атмосферы с помощью искусственных метеорологических спутников Земли, дающих возможность сбора метеорологической информации над всеми районами земного шара. Ветер в свободной атмосфере определяют, анализируя данные о виде облаков и их дрейфе, получаемые с помощью фотографий, сделанных со спутников в дневном или инфракрасном свете. Вертикальный профиль температуры можно рассчитать по результатам измерений спектрального распределения уходящего теплового излучения системы «Земля - атмосфера», поскольку его интенсивность зависит от температуры вполне определенным образом. Измерения ведутся на узких участках спектра, соответствующих полосам поглощения газов, вертикальные распределения которых в атмосфере стабильны и хорошо изучены. Для этого пользуются полосами поглощения 002 (4,3 и 15 мкм) и 02 (5 мм). Вертикальные профили водяного пара, озона и других переменных частей газового состава атмосферы при известном распределении температуры могут быть рассчитаны по данным измерений уходящего излучения в полосах поглощения этих газов.

Разрабатываются методы зондирования атмосферы с помощью лазеров, а также радиоволн различной длины. Горизонтальное зондирование атмосферы проводится эпизодически в научно-исследовательских целях или для разведки погоды. Приборы поднимаются на автоматических аэростатах, дрейфующих длительное время на заданных высотах и автоматически передающих по радио результаты измерений. Горизонтальное зондирование атмосферы производится также на самолётах, оборудованных бортовой самопишущей аппаратурой; во время полёта иногда выполняется также аэрофотосъёмка облаков.

Радиозонд - аэрологический прибор, измеряющий давление, температуру и влажность воздуха и автоматически передающий по радио на Землю значения этих метеорологических элементов с разных высот во время подъёма в атмосфере. Сконструированный П. А. Молчановым радиозонд широко применяется при вертикальном зондировании атмосферы. Он состоит из приёмников - чувствительных элементов (датчиков), преобразователей, превращающих малые перемещения чувствительных элементов в электрические величины, кодового устройства и лёгкого коротковолнового передатчика. Поднимается радиозонд на шаре-пилоте на высоту до 30-40 км. При подъёме радиозонд автоматически посылает кодированные сигналы, соответствующие показаниям прибора. Сигналы принимаются радиоприёмником в месте выпуска. Дальность действия радиозонда около 150-200 км. Существуют аэростатные радиозонды, которые могут измерять также скорость и направление ветра.

Метеорологическая ракета - ракета для подъёма в высокие слои атмосферы исследовательских приборов, измеряющих ее структурные параметры (температуру, давление, плотность, состав воздуха) и направление ветра. Метеорологическая ракета имеет предел подъёма (100-150 км) и сравнительно малую массу (до 300-400 кг). Наиболее часто применяются метеорологические ракеты массой до 80 кг с высотой подъёма приблизительно 65-70 км. Запуски метеорологических ракет производят в различных географических районах, включая Арктические и Антарктические зоны, как с наземных пунктов, так и с кораблей.

Метеорологическая ракета состоит из двух частей: двигательных установок и отделяемых головных частей с измерительной аппаратурой. На подъёме полёт обычно происходит со сверхзвуковыми скоростями, в связи с чем измерительная аппаратура должна обладать малой инерционностью и высокой прочностью по отношению к перегрузкам и вибрации. В ряде вариантов метеорологических ракет на спуске применяют парашют для уменьшения скорости движения (что повышает точность измерений и позволяет определить скорость и направление ветра) и спасения аппаратуры. Высокая скорость движения метеорологических ракет оказывает существенное влияние на многие измеряемые параметры, для чего соответствующие датчики размещают в аэродинамически наименее возмущённых зонах. Влияние возмущения учитывается с помощью специальных теоретических или полуэмпирических соотношений.

Температура атмосферы измеряется термометрами сопротивления, микротермосопротивлениями или с помощью двух манометров с последующим расчётом по соответствующим формулам. Широко применяется и звукометрический метод определения температуры, основанный на измерении скорости распространения звука от последовательных взрывов гранат, выбрасываемых из ракеты. Давление и плотность атмосферы определяются манометрами различного типа: мембранными, тепловыми, ионизационными и магнитоэлектрическими. Переход от показаний манометров к давлению свободной атмосферы осуществляется с помощью полуэмпирических соотношений. Кроме того, для определения плотности применяют метод падающих шаров, скорость падения которых однозначно связана с плотностью атмосферы. Горизонтальный снос шара позволяет установить скорость и направление ветра. Эти величины измеряются также радиолокационным прослеживанием дрейфа головной части ракеты, опускающейся на парашюте, или локацией металлической фольги, выбрасываемой из ракеты. Относительный состав атмосферы определяется, как правило, масс-спектрометрическими методами.

Сигналы датчиков измерительных приборов поступают через коммутационные устройства на вход передатчика радиотелеметрической системы. Приём и регистрация сигналов осуществляются наземной телеметрической станцией. Измерения траектории метеорологических ракет производятся кинотеодолитами, баллистическими камерами, радиолокаторами (активное и пассивное прослеживание), радиодо-плеровскими системами. Методика обработки полученных данных весьма сложна, требует знания различного рода вспомогательных параметров, в первую очередь - аэродинамических коэффициентов; поэтому обработка данных осуществляется на ЭВМ.

Метеорологический спутник - искусственный спутник Земли (ИСЗ), предназначенный для оперативного наблюдения за распределением облачного покрова и теплового излучения Земли с целью получения метеорологических данных для прогнозов погоды. Метеорологический спутник обеспечивает одновременное измерение радиационных потоков в разных участках спектра и фотографирование облачного покрова в видимых и инфракрасных лучах. Это выполняется телевизионными камерами дневного и ночного видения, инфракрасной техникой, определяющей температуру поверхности Земли и облаков, актинометрическими приборами, измеряющими отраженную и излученную тепловую энергию Земли и атмосферы и другими приборами. Метеорологическая информация регистрируется бортовыми ЭВМ с запоминанием и передачей на наземные станции. Для обеспечения географической привязки метеорологической информации на спутнике установлены функциональные системы, постоянно и точно ориентирующие его на Землю и по направлению полёта, а также производящие синхронизацию всех регистрирующих и запоминающих устройств. Электроснабжение бортовой аппаратуры метеорологического спутника осуществляется от солнечных батарей с автономной системой ориентации на Солнце и химическими батареями с необходимой автоматикой. На метеорологическом спутнике имеются также радиотелеметрические системы и системы для точных измерений элементов орбиты. Высота полёта существующих метеорологических спутников 400-1500 км, что обеспечивает полосу обзора до 1000 км и более.

Разработка отечественного метеорологического спутника началась в соответствии с программой создания ИСЗ серии «Космос». На первом этапе были созданы и испытаны на спутниках электротехнические устройства для стабилизации спутника и ориентации его корпуса на центр Земли. Испытывался также комплекс приборов для метеонаблюдений - телевизионных, актинометрических, инфракрасных - в сочетании с системой, обеспечивающей многомесячное функционирование спутника на орбите. Некоторые спутники образовывали вместе с наземными пунктами экспериментальные метеорологические космические системы. Только за один оборот вокруг Земли метеорологический спутник позволяет получить информацию об облачности с территории, составляющей около 8 %, а данные о радиационных потоках - приблизительно 20 % поверхности земного шара. Взаимное расположение орбит метеорологических спутников выбирается таким образом, что они производят наблюдения за погодой над каждым из районов Земного шара с интервалом в 6 ч. При этом можно следить за развитием атмосферных процессов в различных районах Земли.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>