ШТУРМ НЕБА

КАКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АТМОСФЕРЕ НУЖНЫ ЧЕЛОВЕКУ

Коло двухсот лет назад великий русский ученый Ми­хаил Васильевич Ломоносов впервые высказал идею о необходимости организовать постоянные наблюдения за состоянием атмосферы. Он предлагал в различных ча­стях света поставить станции с самопишущими прибора­ми, показания которых дали бы возможность предвидеть погоду. Ломоносов писал: «Предвидеть перемены погоды подлинно претрудно и едва постижимо быть кажется. Но все трудами приобрести возможно...».

Идея Ломоносова о постоянных наблюдениях осуще­ствилась только через столетие. В 1849 году в Петербур­ге начала работать Главная Физическая обсерватория, которая явилась первым в мире государственным цент­ральным научным учреждением по вопросам метеороло­гии. Пятьдесят пять русских метеорологических станций стали посылать в Обсерваторию свои наблюдения над состоянием приземного слоя воздуха. Таким образом, люди стали изучать воздушный океан, оставаясь пока на его дне.

С 1872 года Обсерватория начала издавать ежеднев­ный обзор погоды. В 1874 году академик Михаил Алек­сандрович Рыкачев организовал в Обсерватории отдел штормовых предупреждений, а в начале XX века он ор­ганизовал службу предупреждения о наводнениях и службу предупреждения о метелях и резких переменах погоды для мест, где проходили железнодорожные линии.

Годы гражданской войны и интервенции нарушили Службу погоды. Многие метеорологические станции бы­ли закрыты, многие разрушены. Советскому правитель­ству пришлось строить Службу погоды заново. 21 июня 1921 года Совет Народных Комиссаров под председа­тельством В. И. Ленина издал декрет об организации

Метеорологической службы в нашей стране. С этого вре­мени у нас началось планомерное развитие метеороло­гической службы. Метеорологические станции стали: строиться по всей территории Советского Союза. Сейчас: тысячи таких станций обеспечивают работу Службы по*- годы.

Метеорологические станции есть у нас и в тайге, и на морях, и в высокогорных районах. Так, на Эльбрусе ме­теорологическая станция построена на высоте 4250 мет­ров над уровнем моря, на леднике Федченко — на вы­соте 4200 метров.

Трудно жить и работать на высоких горах. Не легче живется и на безлюдных скалистых островах или в пу­стынной Арктике. И там, где не может поселиться мете­оролог, устанавливаются автоматические радиометео­станции, передающие по радио, без помощи наблюдате­лей, показания приборов, определяющих температуру, давление и влажность воздуха, а также скорость и на­правление ветра. Подобные станции применяются и для наблюдений в открытом море, где они устанавливаются на плавучих буях. Ряд приборов, устанавливаемых на метеостанциях, может быть приспособлен для получения, отсчетов по ним на некотором расстоянии (передача по­казаний приборов по проводам с места наблюдения в* помещение метеостанции). Такие станции носят название: дистанционных.

Всю работу по сбору сведений о состоянии атмосфе­ры, составлению прогнозов погоды, исследованию и изы­сканию новых способов, позволяющих более точно и на: более длительный срок предсказывать погоду, объеди­няет у нас Центральный институт прогнозов, находящий­ся в Москве.

Формирование погоды происходит в нижних слоях ат­мосферы. С поверхности земли в воздух попадает водя­ной пар, от земли воздух получает тепло. Поэтому мете­орологи неустанно следят за состоянием воздуха в этих слоях.

Для оценки погоды надо знать температуру и давле­ние воздуха, скорость и направление ветра, содержание влаги, вид, расположение и количество облаков, количе­ство выпадающих осадков.

Определить, какая сейчас погода, нетрудно. Значи­тельно труднее предвидеть ее изменения. Для этого надо

Знать состояние атмосферы во многих точках земного шара, знать, как перемещается воздух и какие изменения он претерпевает в пути.

Чтобы предугадать изменение погоды, необходимо прежде всего знать распределение давления и темпера­туры на больших пространствах и следить за их измене­ниями.

Для метеорологии и авиации большой интерес пред­ставляют сведения о состоянии воздуха и в верхних сло­ях атмосферы. Изучением процессов, протекающих в верхних слоях атмосферы, или, как говорят, в свобод­ной атмосфере, занимается особый раздел метеороло­гии — аэрология.

Наиболее надежные сведения об атмосфере исследо­ватели получают путем непосредственного измерения различных величин, определяющих свойства атмосферно­го воздуха, с помощью приборов. Некоторые сведения об атмосфере получаются косвенным путем. Какие способы при этом используются, мы расскажем дальше, а сейчас познакомимся с теми данными, которые исследователи получают путем непосредственного измерения.

Состав воздуха. Вблизи земной поверхности чистый воздух представляет собой смесь газов; он имеет в своем составе (в объемных долях) 78,09 процента азота, 20,95 процента кислорода, 0,93 процента аргона и незначи­тельные примеси других газов (углекислого газа, неона, гелия, водорода и т. д.).

Определить состав воздуха вблизи Земли достаточно просто. Значительно труднее установить этот состав на больших высотах. Для этих целей перед исследователь­ским полетом из стального или стеклянного баллона уда­ляют воздух, а во время полета на большой высоте от­крывают его и заполняют атмосферным воздухом. Тща­тельно закупоренный баллон передают в лабораторию, где и определяется состав взятой на высоте пробы воздуха.

Проба воздуха будет полноценной только в том слу­чае, когда внутренняя полость баллона в нужные момен­ты времени надежно изолируется от окружающей среды. Стеклянные баллоны имеют для этой цели трубку, один конец которой соединен с внутренней полостью баллона, а другой, после удаления воздуха из баллона, запаян. Перед взятием пробы воздуха на высоте грузик, притя­нутый электромагнитом, разбивает запаянный конец трубки, и воздух заполняет баллон. Оставшаяся часть трубки обмотана платиновой проволокой и снаружи при­крыта стеклянной оболочкой. Между оболочкой и труб­кой находится воздух с повышенным давлением. Для закрытия баллона после взятия пробы на платиновую проволоку подается электрический ток, она разогревает­ся и размягчает стекло. Воздух, находящийся между трубкой и наружной оболочкой, сдавливает трубку, и она запаизается.

На высоте больше 100 километров воздух очень раз­режен, поэтому самые незначительные остатки приземно­го воздуха после очистки баллона могут так исказить со­став пробы, взятой на высоте, что исследование теряет смысл. Поэтому ученые разработали прибор, который определял бы состав воздуха во время исследователь­ского полета. Такой прибор называется масс-спектро­метром.

Температура воздуха. Степень нагретости тела оце­нивается по его температуре. Если незначительные изме­нения атмосферного давления человек не ощущает и их могут зарегистрировать только приборы, то изме­нения температуры более чутко'Воспринимаются чело­веком. •' * .

Наиболее распространенный способ измерения тем­пературы основан на свойстве тел изменять при нагрева­нии и охлаждении свой объем. Простейший прибор, на­зываемый термометром, состоит из небольшого пустоте­лого шарика с трубкой. Шарик наполнен ртутью или подкрашенным спиртом, а из трубки выкачан воздух, и она запаяна. При нагревании содержимое шарика рас­ширяется и уровень его в трубке повышается.

Изменение температуры также может отмечаться ав­томатически; для этой цели служит прибор, называемый термографом (рис. 1). В нем изменение температуры воспринимается так называемой биметаллической пла­стинкой А. Она состоит из двух спаянных вместе изо­гнутых пластинок, сделанных из металлов, которые по - разному расширяются от тепла.

При изменении температуры биметаллическая пла­стинка изгибается в ту или иную сторону, так как состав­ляющие ее пластинки удлиняются или укорачиваются по-разному. Один конец пластинки закреплен неподвиж­но, а другой соединен с помощью рычажков с записи - вающим пером Б, которое отмечает изменение темпера­туры на движущейся бумажной ленте В.

При повышении температуры пластинка распрям­ляется и перо перемещается кверху; при понижении тем­пературы пластинка изгибается и перо опускается.

При измерении температуры воздуха необходимо сле­дить, чтобы на шарик термометра не попала вода, иначе

Прибор будет показывать температуру более низкую, чем температура воздуха, так как испарение воды сни­жает температуру шарика термометра. Если же на ша­рик термометра падают солнечные лучи, он будет пока­зывать завышенную температуру, так как шарик погло­щает лучи и нагревается сильнее, чем воздух. Чтобы из­бежать этих ошибок, метеорологи помещают свои термо­метры вместе с другими приборами в специальные буд­ки. Сверху будка закрыта, а боковые стенки ее сделаны из двух рядов тонких деревянных планок, наклоненных

Наружу и внутрь будки под углом 45° к горизонту (жалюзи). Эти жалюзи свободно пропускают воздух, но препятствуют прохождению прямых солнечных лучей.

Измерить температуру во время исследовательского полета значительно труднее, чем у поверхности Земли. Особенно большие трудности возникают, когда темпера­тура воздуха замеряется при полете на большой скоро­сти и высоте. Обычный термометр, помещенный снаружи летательного аппарата, будет омываться разогретым воз­духом, так как при полете на большой скорости воздух перед летательным аппаратом сжимается и разогревает­ся. Кроме того, на термометр могут попасть лучи Солн­ца, и сам он будет излучать в окружающее пространство. Следовательно, показания термометра будут неверными. Чтобы подсчитать все эти ошибки и внести поправки в показания термометра, приходится делать ряд допол­нительных замеров: измерять скорость полета, количе­ство падающей на термометр лучистой энергии и другие величины.

Для определения температуры воздуха можно вос­пользоваться тем, что скорость распространения звука в воздухе определяется его температурой. Чем выше темпе­ратура воздуха, тем с большей скоростью распростра­няется в нем звук. Во время подъема ракеты выбрасы­вается несколько гранат, которые взрываются через зара­нее намеченные интервалы времени. Разница во времени следования звука от места взрыва двух гранат до поверх­ности Земли представляет собой время прохождения звука через исследуемый слой воздуха. Зная расстояние между точками взрывов, легко определить скорость зву­ка в изучаемом слое воздуха, а затем и его температуру.

Давление воздуха. Воздух, как и всякое другое веще­ство, имеет вес и давит на поверхность Земли, на все на­ходящиеся на ней предметы. Он почти в тысячу раз лег­че воды. Но так как толщина воздушной оболочки Земли достигает огромных размеров, то давление воздуха до­вольно велико — около одного килограмма на каждый квадратный сантиметр поверхности. Величина давления зависит от высоты столба воздуха над Землей.

На горе давление, а следовательно и плотность, будут меньшими, чем на уровне моря. Соответственно и масса воздуха по высоте распределяется также неравномерно. В слое воздуха от поверхности Земли до 5,5 километра

Высоты сосредоточено 50 процентов всей его массы, в пределах 10 километров — 1Ъ процентов, а в пределах 20 километров — 94 процента. Отсюда следует, что плот­ность воздуха с высотой резко убывает.

Как измерить атмосферное давление?

Если наполнить ртутью закрытую с одной стороны стеклянную трубку и погрузить ее открытым концом в чашку со ртутью (рис. 2), то ртуть в трубке опустится,

760 миллиметров

Давление можно также измерить барометром — ане^ роидом. Этот прибор представляет собой металлическую коробочку, из которой выкачан воздух. Когда давление окружающего воздуха уменьшается, коробочка расширя­ется. Нижняя стенка коробочки закреплена в корпусе прибора, поэтому расширение коробочки сопровождает­ся перемещением ее верхней стенки. Это перемещение

Передается с помощью рычажков стрелке, показываю­щей на шкале барометра величину давления воздуха.

Если возникнет необходимость следить за изменени­ями давления непрерывно, то пользуются прибором, ко­торый сам может записывать свои показания. Такой при­бор называется барографом. Внешний вид барографа показан на рисунке 3, а действие его поясняется рисун­ком 4. В этом приборе расширение и сжатие металличе­ских коробочек А передается не на стрелку, а на само­пишущее перо Б, которое записывает величину давления на бумажной ленте В, охватывающей барабан, который вращается часовым механизмом.

Так как давление уменьшается с высотой, то баро­метр используют и как высотомер — прибор, определяю­щий высоту полета или высоту какой-либо точки земной поверхности над уровнем моря.

При этом в показания высотомера вводят поправку на температуру воздуха (так как в холодном воздухе давление с высотой убывает быстрее, чем в теплом), а также учитывают изменения давления у земли.

Для замера давления на больших высотах созданы высокочувствительные приборы, способные замерить из­менения давления в одну миллиардную долю миллимет­ра ртутного столба. Такие небольшие давления не могут быть замерены с помощью ртутного барометра или ба­рометра-анероида. Один из приборов для замера низкого давления воздуха устроен так. Через тонкую металличе­скую проволоку пропускается электрический ток—про­волока разогревается. Выделившееся при этом тепло от­водится через тонкий слой воздуха, окружающий прово­локу. Теплопроводность воздуха зависит от давления: чем меньше давление, тем меньше отводится тепла. По­этому по величине электрического тока, затрачиваемого на нагрев проволоки, можно судить о давлении воздуха.

Влажность воздуха. Воздух никогда не бывает совер­шенно сухим; с поверхностей рек, морей и океанов к не­му примешивается водяной пар.

Содержание водяного пара в воздухе может увеличи­ваться только до некоторого предела, зависящего от тем­пературы. При 10° ниже нуля в одном кубическом метре воздуха может содержаться не больше 2,5 грамма пара, при 0° — 5 граммов, при 10° выше нуля — 9,5 грамма, при 20° — 17 граммов.

При испарении воды количество пара в воздухе будет возрастать до тех пор, пока воздух не сделается «насы­щенным» водяными парами, то есть содержащим предельное при дан­ной температуре количество пара. После этого испарение все-таки про­исходит, но испаряется столько же влаги, сколько конденсируется, то есть превращается из пара в воду.

Как и воздух, водяной пар не­видим. Сконденсировавшийся пар в виде огромного числа мелких капе - ^1 лек воды образует туман или об -

Щ лака.

У Содержание водяного пара, или,

Как говорят, влажность воздуха, из­меряется различными приборами. Один из них называется психромет­ром. Он состоит из двух одинаковых термометров (рис. 5). У одного тер­мометра резервуар со ртутью сухой, а у другого — обернут лоскутком тонкой материи, конец которого опущен в стаканчик с водой. Соответственно этому один из термометров называется сухим, а другой смоченным или влажным. Вода, поднимаясь по волокнам материи, покрывающей резервуар смоченного термометра, испа­ряется с лоскутка, но не всегда одинаково быстро. В су­хую погоду ее испарится больше, в сырую — меньше. Если же воздух насыщен водяным паром, то испарение и конденсация будут идти с одинаковой скоростью и ко­личество воды в стаканчике не будет изменяться. Испа­рение воды может происходить лишь при затрате тепло­

Ты. Так как на процесс испарения идет тепло не только от окружающего воздуха, но и от резервуара со ртутью самого термометра, нагретость ртути уменьшается и смоченный термометр покажет более низкую темпера­туру, чем сухой. Чем быстрее будет происходить испаре­ние, тем больше тепла будет отбираться от смоченного термометра и тем ниже будет его температура. Это озна­чает, что чем суше воздух, тем больше будет разница в показаниях сухого и смоченного термометров. В ре­зультате по разности показаний сухого и смоченного

Термометров можно с помощью специальных таблиц определить влажность воздуха.

Другой прибор — гигрограф — автоматически отме­чает влажность воздуха (рис. 6). Как известно, влажный волос укорачивается при высыхании. Этим свойством волоса и воспользовались для создания прибора, авто­матически записывающего влажность воздуха. Если воз­дух становится более сухим, волосок укорачивается и тянет за собой рычажок, который перемещает записы­вающее перо по бумажной ленте. Такой прибор удов­летворительно действует и на морозе, когда обычный психрометр использовать уже нельзя.

Описанные методы не позволяют определять очень малые величины влажности воздуха и поэтому мало при­годны для измерений на больших высотах, где влаж­ность ничтожно мала. Для определения малых величин влажности используются другие методы. Так, например, оказалось возможным определять влажность воздуха по температуре, которая соответствует насыщению воздуха водяным паром. Для этого используют небольшое зер­кальце, которое искусственным путем охлаждают до тех пор, пока водяной пар, находящийся в воздухе, не нач­нет конденсироваться, а на поверхности зеркала не по­явятся мелкие капельки воды — «роса». Момент появле­ния «росы» на зеркальце отвечает такой температуре воздуха, при которой он насыщен водяными парами. Поэтому, измерив температуру в этот момент, легко определить весовое содержание пара в воздухе, а следо­вательно, установить его влажность. Этот метод назы­вается методом «точки росы».

Плотность воздуха. Если давление, температура и влажность воздуха замерены, то плотность его можно подсчитать по соответствующей формуле. Но плотность воздуха можно замерить непосредственно. Для замера плотности воздуха на больших высотах может быть ис­пользован прибор такого устройства. На два изолиро­ванных друг от друга стержня подается электрический ток. При определенном напряжении электрического тока между стержнями проскочит искра — «молния». Это на­пряжение называется пробивным. Его величина зависит от плотности воздуха. Поэтому, замеряя пробивное на­пряжение, определяют плотность воздуха.

Ветер. Воздух почти всегда находится в движении. В различных точках земного шара давление воздуха не­одинаково. Эта разница в давлении вызывает перемеще­ние масс воздуха из мест с повышенным давлением в ме­ста, где давление ниже. Такое перемещение воздуха и называется ветром. Метеорологам важно знать направ­ление и скорость ветра, для того чтобы можно было пред­угадать изменение погоды, так как ветер может прине - 'сти воздух с облаками и дождем или, наоборот, рассеять эти облака и т. д.

Для определения направления ветра служит простой прибор — флюгер. Это вращающаяся на вертикальной оси стрелка с оперением. Носик стрелы всегда направлен ту* да, откуда дует ветер. На верхней части оси флюгера можно подвесить металлическую дощечку, тогда прибор будет показывать н скорость ветра. Дощечка прикрепле­на к флюгеру в таком положении, что ветер ударяет пря­мо в нее. Чем сильнее ветер, тем больше он отклоняет дощечку. По величине отклонения и определяется ско­рость ветра.

Для более точного определения скорости ветра при­меняются анемометры. Широко применяется чашечный анемометр. На концах вращающейся крестовины укреп­лены четыре полушария. Выпуклая часть каждого полу­шария обтекается воздухом более плавно, чем вогнутая, поэтому ветер оказывает большее давление на вогнутые и меньшее — на выпуклые части полушария и заставля­ет крестовину вращаться. Вал крестовины передает свое движение на зубчатые колеса, а через них на стрелку, ко­торая указывает на циферблате число оборотов кресто­вины. Измерив число оборотов крестовины за определен­ный промежуток времени, определяют скорость ветра. Такой анемометр называется ручным. Для определения скорости ветра ручным анемометром наблюдатель дол­жен находиться на месте замера. Более удобен электри­ческий анемометр, изображенный на рисунке 7. В этом случае па нижнем конце вала крестовины укреплены магниты. Вращение магнитов возбуждает электрический ток в обмотке неподвижных катушек. Напряжение тока возрастает с увеличением скорости вращения. Прибор, измеряющий напряжение тока в анемометре, показыва­ет скорость ветра. Он может быть проградуирован в мет­рах в секунду и помещен на значительном расстоянии от места замера.

Флюгер и анемометр применяются для измерения скорости ветра у поверхности Земли. Но как измерить скорость движения воздуха па разных высотах? Для этого применяются шары-пилоты, состоящие из легкой резиновой оболочки, наполненной водородом. Поднима­ясь вверх, шар-пилот перемещается вместе с потоком воздуха, в который он попадает. В это время два наблю­дателя, расположенные на заранее известном расстоянии друг от друга, следят за ним в трубы специальных угло­мерных приборов—теодолитов [19]). Наблюдатели каждую минуту измеряют вертикальные и горизонтальные углы, под которыми виден шар-пилот. По этим углам рассчиты­вают высоту шара-пилота и расстояние до него в данный момент, а затем вычисляют, какой горизонтальный путь и в каком направлении пролетел шар за одну секунду.

Это и будет скорость и направление ветра на данной высоте.

Эту же задачу можно решить наблюдением за шаром с одного места. По мере подъема шара-пилота давление воздуха уменьшается, объем шара увеличивается, а ско­рость подъема остается примерно постоянной. Зная вес оболочки и первоначальный объем шара-пилота, эту ско­рость можно подсчитать до запуска шара. Тогда высоту подъема шара через известные промежутки времени можно определить подсчетом, а о перемещении шара можно судить по замерам, выполненным с одного места. Наблюдение за шаром-пилотом с одного места дает возможность более просто определить скорость и на­

Правление ветра на разных высотах, и потому этот ме­тод применяется наиболее широко.

Измерение с помощью шара-пилота легко проделать при безоблачном небе. Но как быть, если туман, облака или ночная тьма мешают наблюдателю?

Можно ли тогда измерить скорость и направление ветра?

Оказывается, можно.

Здесь на помощь наблюдателю приходит прибор ра­диолокатор. Для него ни ночь, ни туман не являются по­мехой при наблюдении[20]).

Радиолокатор посылает радиоволны в виде очень коротких сигналов в направлении летящего шара-пи­лота, к которому прикрепляется небольшой легкий от­ражатель волн (он изготавливается из неотожженной алюминиевой фольги, металлизированной бумаги или металлической сетки).

Такой шар обнаруживается радиолокационной стан­цией так же, как и самолет.

Скорость распространения радиоволн хорошо изве­стна, поэтому по времени прохождения радиосигналов от передатчика до отражателя и от отражателя до прием­ника определяют расстояние до шара.

Кроме того, при этом получаются те же данные о вертикальных и горизонтальных углах, под которыми виден шар-пилот, что и при наблюдении при помощи теодолита. По ним вычисляются скорость и направление полета шара, а следовательно, и ветра на разных вы­сотах.