Прибор для наблюдения за верхними слоями атмосферы

Как изучают атмосферу? Значение атмосферы для Земли. Наука, изучающая атмосферу

Значение атмосферы для Земли было осознано человечеством давно. Ее воздушные слои служат щитом от жесткого космического излучения и метеоритов, не составляя преграды для солнечных лучей, не пропускают обратно тепловое излучение поверхности планеты.

Зачем нужно изучать процессы в атмосфере

Можно ли было предотвратить потопление эскадры из шестидесяти британских и французских военных кораблей в Черном море? Это случилось четырнадцатого ноября 1854 года во время Крымской Войны. После изучения предоставленных метеорологических сводок Урбен Леверье (Парижская обсерватория) пришел к выводу, что можно было предвидеть ураган (значит, не давать приказа выходить в открытое море), спрогнозировать это явление.

Этот исторический пример доказывает неизбежность развития науки, позволяющей наблюдать за атмосферой и прогнозировать ее поведение.

От того, как изучают атмосферу сегодня метеорологи, зависит определение оптимальных погодных сроков работы на полях, авиация без срочных прогнозов поведения воздушных масс становится не безопасной. Подтопления, град, ураганы, засухи — это неполный список природных явлений, происходящих в атмосфере.

Чем и как изучают атмосферу: первые исторические попытки организации наблюдений

Аристотель еще в четвертом столетии до нашей эры написал труд, названный им «Метеорологика» (Ликейский период Аристотеля — с 334 по 322 год до н. э.). Поэтому наука, изучающаяя атмосферу, называется метеорология.

Возможность изучения метеоусловий возникла после изобретений в 17 веке Галилео Галилеем термометра (фиксация температуры) и барометра (измерение давления) Отто фон Герике. Флюгер (измерение направления ветра), анемометр (измерение скорости движения воздуха), гигрометр (измерение влажности), плювиограф (измерение количества осадков), созданные в этом же веке, расширили список фиксируемых параметров атмосферы.

Сеть из девяти метеостанций (самая первая в истории) в Италии с 1854 по 1667 собирала информацию о параметрах атмосферы.

Вторая европейская сеть метеостанций (1723-1735) работала по инструкции, содержащей стандартные таблицы измерений с методическими указаниями по пользованию приборами, написанной Джеймсом Джурином (Лондон).

Одновременно в России на двадцати четырех метеостанциях (1733-1744) велись наблюдения за атмосферой (инструкция Даниила Бернулли).

Строение атмосферы

В зависимости от процентного состава газообразных составляющих, их температуры воздушную оболочку планеты принято делить послойно.

Тропосфера — воздушная масса, прилегающая к поверхности. Высота нижнего слоя меняется от полюсов к экватору — над полюсами до 8 километров, над экватором до 17. Нагрев воздуха в нем происходит от поверхности планеты, через каждые сто метров температура понижается на 0,6 градуса Цельсия. На верхней границе слоя температура равна приблизительно минус 55 градусов.

Воздушные массы в тропосфере самые плотные (действует притяжение Земли), они находятся в постоянном движении, именно здесь образуются облака из маленьких капелек испаряющейся с поверхности воды.

Стратосфера — следующий большой воздушный слой, его высота — до пятидесяти пяти километров. Воздух разрежен, температура сначала падает, затем подымается с высоты в двадцать пять километров (на один-два градуса на каждый километр высоты).

Мезосфера — высота до восьмидесяти-восьмидесяти пяти километров, рост температуры продолжается.

Термосфера — ее высота — восемьсот километров.

Мезосфера и термосфера — это ионосфера. Атмосферное явление — полярное сияние — формируется именно в ионосфере.

Самый дальний от поверхности планеты слой с температурой в две тысячи градусов — экзосфера.

Какими способами изучают атмосферу

Количество параметров, характеризующих воздушные массы, известны давно. Ученые разных стран еще в девятнадцатом веке пришли к соглашению о единой системе, в которой должны производиться измерения.

К методам изучения атмосферы относятся наземные (метеорологические станции), аэродинамические (радиозонды, ракеты), спутниковые и орбитальные (искусственные спутники Земли и орбитальные космические станции).

Метеостанции

Во всем мире на сегодняшний момент существует порядка восьми тысяч метеоплощадок, оснащенных единообразными измерительными приборами для изучения атмосферы . Они фиксируют следующие параметры:

температура (используются различные виды термометров, максимальный и минимальный — для измерения максимума и минимума температуры воздуха за определенный период, термометры для измерения температуры почвы, термограф (самописец) — для регистрации показаний);

атмосферное давление (барометр и барограф — для регистрации);

влажность воздуха (абсолютная и относительная — гигрометром и психрометром, гигрограф — для регистрации);

скорость ветра и направление (флюгер со шкалой — анеморумбометр);

количество осадков за период измерений (осадкомер и плювиограф — для регистрации);

высота снежного покрова (специальная рейка).

На части метеостанций регистрируются гололед, изморось, лед.

Часть метеостанций с более высоким статусом (определяются государственными метеокомитетами) измеряю нижнюю границу облачности (направленными прожекторами), оптическую дальность, испарение почвы, солнечное излучение.

Все метеостанции свои наблюдения передают в единые центры. В России это Р осгидромет.

Аэрологические станции

Скорость и направление ветра, температуру, давление на высотах от тридцати метров до сорока километров (тропосфера и часть стратосферы) регистрируют с помощью системы АРЗ-РЛС (аэрологический зонд — радиолокационная станция).

Зонд — это специальный баллон (из резины или пластика, заполненный водородом или гелием (несколько реже, хотя менее опасно) для поднятия вверх и контейнер с датчиками температуры, давления. Сигналы датчиков преобразуются в радиосигнал, затем передаются на РЛС.

Радиолокационная станция принимает сигналы и расшифровывает их. РЛС «ведет» радиозонд, отслеживая его положение по вертикали и горизонтали.

Таким образом аэрологическая станция получает самые достоверные данные о температурах, давлении и о скорости и направлении ветра на различных высотах.

Так как изучают атмосферу с помощью зондов всего лишь от двух до четырех раз в сутки, этого совершенно недостаточно для сиюминутного знания о состоянии воздушных масс (перемещение, облачность).

Для нужд ветровых станций и аэродромов в последнее время разработаны содары (работают на акустических волнах), лидары (используют оптическое излучение), радиолокаторы — радары (радиоволны) и профайдеры (радиоакустическое и электромагнитное излучение).

Метеорологические ракеты

Исследование атмосферы на высотах до ста километров проводятся с помощью запусков геофизических (метеорологических) ракет. К сегодняшнему дню многие страны создали станции для пуска ракет по всему миру (около пятидесяти).

Принципы ракетостроения, система запусков, обработки сигналов и отслеживание ракеты разработаны были еще в Советском Союзе в пятидесятых годах прошлого столетия.

То, как изучают атмосферу с помощью ракет, достаточно уникально. Суть методики изучения атмосферы данным способом состоит в следующем. В голову ракеты устанавливаются и крепятся измерительные приборы. Ракету вывозят на стартовую площадку станции, размещают в пусковой установке. После старта ракета уходит в заданном направлении, ее путь отслеживается радиолокатором. В зависимости от поставленной задачи на нужной высоте (от 70 до 80 км) головная часть отделяется от двигателя. Раскрывается парашют приблизительно на высоте около ста километров, и ракетозонд начинает падение к поверхности. Все производимые на спуске измерения передаются на наземные станции. На начальном этапе падения скорость начинает увеличиваться, достигая своего максимума на высоте около шестидесяти километров. Плотность воздуха на этой высоте достаточна для начала работы парашюта. Головная часть ракеты на парашюте плавно спускается на поверхность. Траектория падения (дрейфа в атмосфере) отслеживается локатором.

Давление, температура и, наконец, основное — скорость и направление ветра, измеряются ракетой с высокой точностью.

Научные исследования с помощью пусков ракет не ограничиваются только этими измерениями, на этих высотах предметом изучения могут быть и состав воздуха и озоновый слой, и солнечное излучение, и радио магнитное излучение.

Исследования с помощью спутников и орбитальных станций

Космическая эра наблюдений (исследований) началась с запусков искусственных спутников земли (4 октября 1957 года был запущен первый советский спутник).

На сегодняшний день спутники, облетая планету, предают информацию через каждый час-полтора, охватывая полосу поверхности планеты шириной от километра до трех. Следующий виток проходит рядом, поэтому за двенадцать-четырнадцать оборотов метеорологи получают полную (кроме полюсов) фотографическую картинку поверхности и облачных масс.

Источник

Как исследуют высокие слои атмосферы.

Изучение разнообразных свойств воздушной оболочки Земли имеет большое научное и практическое значение. Исследование нижних слоев атмосферы, непосредственно прилегающих к земной «поверхности, не вызывает особых затруднений. Что же касается высоких ее слоев, то их изучение, ввиду ограниченной доступности к ним, сопряжено с большими трудностями.

Исследование высоких слоев атмосферы, или, как говорят «свободной атмосферы», в настоящее время проводится прямыми и косвенными методами. Прямые методы состоят в том, что атмосфера изучается на основе вертикального зондирования помощью приборов, поднимаемых на летательных аппаратах, а косвенные — на основе наблюдений, производимых с земной поверхности над различными физическими явлениями в высоких слоях атмосферы.

Ив числа прямых методов наиболее распространены в настоящее время -радиозондирование, самолетное зондирование и метод — шаров-пилотов.

Метод радиозондов заключается в подъеме на высоту легкого прибора—радиозонда, автоматически передающего по радио условными сигналами данные о давлении, температуре и влажности воздуха на различных уровнях атмосферы. Радиозонд поднимается с-помощью эластичного резинового шара, наполняемого водородом. Ввиду убывания атмосферного давления с высотой шар по мере подъема постепенно- расширяется и в конце концов лопается. Радиозонд падает и разбивается. Но для результатов зондирования это уже не имеет никакого значения, 10 так как необходимые данные прибор передает по радио во время своего подъема.

Высота подъема радиозондов зависит от качества оболочек и составляет в среднем 20- 25 и максимально 35 км. Первый в мире радиозонд был выпущен в Советском Союзе в 1930 г. Его изобрел П. А. Молчанов.

Метод самолетного зондирования состоит в том, что самопишущие приборы — метеорографы поднимаются в атмосферу на самолетах-зондировщиках. Метеорографы авто­матически непрерывно фиксируют давление, температуру и влажность воздуха на протяжении всего полета самолета. Кро­ме этого, находящиеся на борту самолета наблюдатели (бортаэрологи) производят дополнительные наблюдения над облаками, вертикальными движениями воздуха (судя по болтанке самоле­та), обледенением и другими явлениями. Этот метод дает воз можность производить изучение атмосферы до высоты 10—15 км.

Метод пилотов применяется в узких целях — только для определения скорости и направления ветра на различ­ных высотах. Он заключается в том, что за свободно поднимаю­щимся резиновым шаром, наполненным водородом, ведут наб­людения с поверхности Земли с помощью аэрологического тео­долита. Шар, равномерно поднимаясь, одновременно переме­щается и по ветру, подобно поплавку. Фиксирование положения шара в пространстве через определенные промежутки времени позволяет определить высоту, направление и скорость его дви­жения, а следовательно, направление и скорость ветра на раз­личной высоте. Высота «подъема шаров-пилотов составляет 20—30 км.

Эти методы изучения атмосферы получили весьма широкое распространение во всех странах мира и в настоящее время при­меняются в качестве ежедневного массового способа получения данных о состоянии атмосферы для целей предсказания погоды и нужд авиации.

Иногда в научных целях совершаются подъемы аэроста­тов и стратостатов — огромных воздушных шаров с гон­долами для воздухоплавателей. Аэростаты отличаются от страто­статов меньшими размерами и открытой гондолой. Они предназначены для подъема на сравнительно небольшие высоты (д) 8—10 км). Стратостаты же, имея закрытую металлическую ка­бину для аэронавтов и больший размер оболочки, могут подни­маться на значительно большие высоты, 20—25 км. Например, в 1933 г. стратостат «СССР-1» поднялся на высоту 19 000 м. а в 1934 г. другой советский стратостат «Осавиахим-1»—на 22 000 м. В 1935 г. американский стратостат «Эксплорер-П» поднялся на высоту 22 066 м, т. е. всего лишь на 66 м выше «Осавнахима», хотя его объем был в четыре раза больше советского стратостата.

Преимущество этого метода исследования высоких слоев атмосферы состоит в том, что данные о состоянии и свойствах атмосферы фиксируемые разнообразными приборами, дополняются наблюдениями людей. Ввиду несовершенства, громоздкости и дороговизны изготовления стратостатов, последние для исследования высоких слоев атмосферы в настоящее время не применяются.

Отдельные свойства атмосферы изучаются также с помощью специальных радиолокационных установок.

В последние годы для изучения атмосферы на больших вы­сотах применяются ракеты. Метеорологические (облегченные) ракеты достигают высоты 70—80 км_ч тяжеловесные (двух- трехступенчатые) поднимаются до 450 км и более. С их помо­щью уже получены некоторые ценные данные об очень высоки-: слоях атмосферы, в частности о температуре, давлении, плотности и составе воздуха, а также новые данные об ультрафиолетовых и космических лучах.

Ракетный метод зондирования атмосферы хотя и не свободен еще от недостатков, тем не менее становится одним из самых важных методов исследования верхних слоев воздушной оболочки Земли.

Наконец, исключительно ценные сведения о состоянии и свойствах сверхвысоких слоев атмосферы дают искусственные спутники Земли. Запуски первых в истории человечества таких -спутников произведены, как известно, в Советском Союзе 4 октября и 3 ноября 1957 г., а затем 15 мая 1958 г. Первый спутник был выведен на орбиту с максимальным удалением от поверхности Земли на 1000 км а второй и третий — на 1800 км. 2 января 1959 г. в СССР была запущена первая в истории космическая ракета — искусственный спутник Солнца. Последующие запуски космических ракет в сторону Луны были произведены у нас 12 сентября и 14 октября 1959 г. США также запустили несколько искусственных спутников Земли и космические ракеты.

Приборы, установленные на спутниках и ракетах, позволили определить с известной точностью степень разреженности воздушной среды, ее температуру, характер распространения радиоволн, изменение магнитного поля Земли, интенсивность солнечной радиации и многое другое. Несомненно, что будущие за­пуски искусственных спутников Земли и космических ракет да­дут возможность получить еще более обширные я более точные данные не только о строении и свойствах атмосферы нашей планеты по и о космическом пространстве, завоевание которого становится делом ближайшего будущего.

Косвенные методы изучения верхних слоев атмосферы сводятся к установлению выводов о составе и строении атмосферы на основе, наблюдении с земной поверхности над отдельными явлениями, возникающими на больших высотах (полярные сияния, возгорание метеоритов и т. п.). О свойствах высоких слоев атмосферы судят и по тому, как распространяются в атмосфере звук, световые лучи и радиоволны.

Источник