Вопросы о погоде, стр. 42
Особенно важно, что спутники ведут наблюдение за погодой не только над сушей, но и над теми областями Земли, где нет регулярной сети метеорологических станций, – такими, как океаны, полярные области Земли, малонаселенные районы пустынь и полупустынь, высокогорные области. Остается добавить, что современное оборудование МИЗС позволяет выполнять метеорологические наблюдения как на теневой, так и на освещенной стороне Земли.
Можно без преувеличения сказать, что ракетная техника, с помощью которой человечество начало завоевание космоса, попутно произвела настоящую революцию в методах исследования атмосферы. Эта революция во многом изменила наши представления об атмосфере, особенно о ее высоких слоях; она дала огромное количество новых данных об атмосферных процессах. Над анализом этих данных работают сейчас ученые. С некоторыми материалами этого анализа мы познакомимся ниже, предварительно рассмотрев основные технические средства и возможности ракетного и спутникового зондирования атмосферы.
10.1. Что представляет собой метеорологическая ракета?
54. Метеорологическая ракета. Запуск
Метеорологическая ракета состоит из двух частей: корпуса с двигателем и головной части с измерительными приборами и радиопередатчиком. Запускается ракета (фото 54) со специальной стартовой установки, которая может быть размещена на земной поверхности или на палубе корабля. На заданной высоте головная часть ракеты отделяется от корпуса. После этого немедленно раскрываются парашюты, на которых обе части ракеты спускаются на землю. Температуру воздуха и атмосферное давление измеряют датчики, размещенные в головной части ракеты, во время ее спуска к земле. По сносу опускающейся ракеты, фиксируемому специальной аппаратурой с земли, можно определить и ветер на всех уровнях спуска. Обычные метеорологические ракеты поднимаются до высоты 120 км, ракеты с несколько более широкой программой измерений, называемые геофизическими, поднимаются выше – до высоты 400 – 500 км.
Существуют метеорологические и геофизические ракеты, на которых измерения изучаемых параметров состояния атмосферы производятся не при спуске головной ее части на парашюте, а во время полета самой ракеты, при наборе ею высоты. На таких ракетах используются практически безынерционные датчики, способные мгновенно фиксировать значение температуры и атмосферного давления несмотря на большую скорость полета.
10.2. Можно ли запускать метеорологические ракеты не с земли, а с воздуха?
Можно, хотя технически это не очень просто осуществить. Для этого требуется специальная платформа, поднимаемая на требуемую высоту большим воздушным шаром, откуда уже производится запуск самой ракеты. Этим достигается значительное увеличение полезной массы ракеты, поскольку не требуется затрачивать топливо для подъема ракеты через нижние, плотные слои атмосферы. Ракеты, запускаемые с платформ, могут нести значительно больше научного оборудования, масса его в этом случае достигает 12-15% массы ракеты, тогда как в ракетах, запускаемых с земли, она в несколько раз меньше.
10.3. Можно ли с помощью метеорологических ракет исследовать химический состав атмосферы?
Ракетные методы исследования атмосферы позволяют уточнять состав воздуха на больших высотах, недоступных другим методам. С помощью спектрометров и спектрографов исследуются озон, атомарный кислород и другие элементы – редкие составляющие атмосферного воздуха.
10.4. В чем смысл ракетных экспериментов с гранатами?
Ракетные эксперименты с гранатами относятся к акустическим методам изучения атмосферы. Звуковые волны при переходе из одной среды в другую изменяют путь своего распространения, то есть происходит преломление волн. Оно наблюдается на участках резкого изменения плотности воздуха, где скачкообразно меняется его температура. Как известно, скорость звука зависит от температуры воздуха и по прохождению звуковых волн можно судить о распределении температуры в атмосфере. Взрыв связки гранат, поднятых на высоту около 100 км, создает взрывную волну, движение которой регистрируется акустической станцией на земной поверхности. Момент взрыва ракет фиксируется фотокамерами на земле и фотоэлементами, установленными на самой ракете. Последние по телеметрическому каналу передают его на Землю. Электронные счетно-решающие устройства позволяют определить, в какой точке происходит каждый взрыв, и получить характеристики состояния атмосферы – температуру, плотность, ветер, наличие вертикальных токов.
10.5. Что такое спутниковая метеорология?
Это один из разделов метеорологии, изучающий физическое состояние атмосферы и метеорологические явления с помощью искусственных спутников Земли. Спутниковая метеорология – молодая научная дисциплина, получившая развитие в третьей четверти нашего столетия. Создание ее стало возможным после появления нового, оказавшегося очень перспективным, средства исследования атмосферы и космического пространства – искусственного спутника Земли. Впервые он был выведен на орбиту вокруг Земли советскими учеными 4 октября 1957 года.
10.6. Какая аппаратура устанавливается на метеорологических искусственных спутниках Земли?
Метеорологические спутники оснащены обзорной и измерительной аппаратурой. Обзорную аппаратуру составляют так называемые телевизионные и инфракрасные системы спутника, позволяющие в комплексе производить фотографирование облаков и земной поверхности не только на дневной (освещенной Солнцем), но и на ночной (теневой) стороне нашей планеты. Измерительная аппаратура используется для получения данных радиационного баланса системы Земля – атмосфера и определения температуры подстилающей поверхности, то есть для выполнения так называемых актинометрических, или радиационных измерений. Результаты последних могут выражаться как в абсолютных, так и в относительных величинах. Кроме того, на метеорологических спутниках могут выполняться и спектральные измерения температуры и влажности воздуха. Телевизионная съемка облачности производится в видимой части солнечного спектра. При обычной высоте полета метеорологического спутника (около 900 км) разрешающая способность аппаратуры составляет примерно 1-2 км. Фотографирование в инфракрасной части спектра в диапазоне волн длиной 8-12 мкм выполнимо и в ночное время; разрешающая способность аппаратуры – примерно 8 км в надире.
Оборудование метеорологических спутников позволяет вести работу в режимах как непосредственной передачи информации, так и запоминания ее, с последующим считыванием по команде с Земли.
10.7. Как используются в спутниковой метеорологии микрорадиоволны?
Применение микроволновой радиометрической аппаратуры на ИСЗ расширяет возможности спутниковой метеорологии, позволяя изучать состояние земной поверхности сквозь облачность, так как для распространения радиоволн сантиметрового диапазона она не является препятствием. Кроме того, такая аппаратура дает возможность более детально исследовать процессы, протекающие в самих облаках.
В основе микроволнового метода исследования атмосферы с помощью ИСЗ лежит способность всех тел в природе излучать энергию. С изменением температуры земной поверхности, ее влагосодержания, наличия на ней воды, снега, осадков, количества растворенной в воде соли и других показателей ее состояния изменяются тепловые потоки, исходящие от земной поверхности. Измеряя тепловые потоки высокочувствительной аппаратурой, работающей в диапазоне микроволн, можно судить о многих процессах, происходящих на поверхности океана, суши, в облаках и в атмосфере.