ШТУРМ НЕБА

НЕОДУШЕВЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАТЕЛИ НИЖНЕЙ ЧАСТИ АТМОСФЕРЫ

Тобы изучить те слои атмосферы, которые пока еще недоступны для непосредственного наблюдения, ученые посылают в эти слои аппараты, снабженные ав­томатически записывающими или передающими прибо­рами. Эти неодушевленные исследователи достигают больших высот.

Кроме риска для исследователей, подъем на большие высоты связан с большими материальными затратами. Поэтому часто бывает целесообразно посылать таких неодушевленных исследователей для сбора сведений о состоянии атмосферы и на высоты, доступные само­летам и аэростатам.

Первый беспилотный аппарат для подъема приборов в атмосферу был предложен в 1754 году М. В. Ломоно­совым. Этот аппарат описывается в протоколе Конфе­ренции Академии наук от 1 июля 1754 года. «Советник Ломоносов показал машину, названную им аэродромной, выдуманную им и имеющую назначением при помощи крыльев, приводимых в движение горизонтально в раз­ные стороны заведенной часовой пружиной, сжимать воздух и подниматься в верхние слои атмосферы для того, чтобы можно было исследовать состояние верх­него воздуха метеорологическими приборами, прикреп­ленными к этой аэродромной машине. Машина была подвешена на веревке, перевешенной через два блока, и грузами, подвешенными к другому концу канатика, поддерживалась в равновесии. При заведенной пружине она быстро поднималась вверх и таким образом обещала желаемое действие».

В отчете за 1754 год Ломоносов писал: «Делан опыт машины, которая бы поднимаясь кверху сама, могла поднять с собой маленький термометр, дабы узнать гра­дус теплоты на вышине, которая слишком на два золот - пика облегчалась, однако, к желаемому концу не при - ведена».

Ломоносову не удалось закончить работу по созда­нию беспилотного аппарата для исследования атмо­сферы. Но то, что не успел сделать великий ученый, сде­лали его последователи. Несмотря на тяжелые условия жизни в царской России, русские ученые разработали основные методы беспилотных исследований атмосферы и сделали важный вклад в науку об атмосфере. Для подъема приборов в воздух стали применяться воздуш­ные змеи, шары-зонды и ракеты.

Обычно метеорологов интересуют одновременно тем­пература, давление и влажность воздуха и их изменения с высотой. Все эти величины могут одновременно изме­ряться и автоматически записываться с помощью при­бора, называемого метеорографом. Метеорограф подни­мают на самолете, воздушном змее, аэростате или не­большом резиновом шаре, наполненном водородом.

На рисунке 9 показан метеорограф СМ-43, предна­значенный для подъемов на самолете.

Изменения давления воспринимаются двумя анероид - ными коробочками. Одной стороной они закреплены неподвижно на корпусе прибора, а другой соединены с пером 1. При уменьшении давления перо смещается вверх.

Температура измеряется биметаллической пластин­кой, один конец которой также жестко закреплен на корпусе, а другой соединен с пером 2. При понижении температуры перо также смещается вверх.

Изменения влажности воспринимаются пучком волос. Один конец его неподвижен, другой — перемещает перо 3. При уменьшении влажности перо опускается.

Все перья — давления, температуры и влажности — вычерчивают непрерывные линии на вращающемся ба­рабане 4, покрытом закопченной бумажной лентой. Ба­рабан приводится в движение часовым механизмом.

Кроме того, в метеорографе имеется еще одно непо­движное, контрольное перо 5. Оно вычерчивает на барабане прямую линию. Измеряя расстояние от этой линии до следов перьев, регистрирующих давление, температуру и влажность воздуха, можно установить изменение этих величин во время исследовательского полета.

После спуска метеорографа на землю метеорологи тщательно обрабатывают его записи и узнают, как из­менялись с высотой давление, температура и влажность воздуха.

Метеорографы, поднимаемые на змеях и привязных аэростатах, имеют еще анемограф, автоматически запи­сывающий скорость ветра.

Воздушный змей. Воздушные змеи начали исполь­зовать для изучения атмосферы еще в XVIII веке. Они применялись тогда для исследования атмосферного элек­тричества.

Воздушный змей поднимается в воздух по той же причине, что и самолет. Змей располагается в воздухе так, что воздушный поток, обтекая его, создает повы­шенное давление на его нижнюю поверхность и разре­жение над верхней. Благодаря разности давлений воз­никает сила, поднимающая змей вверх. Разница по сравнению с самолетом состоит только в причинах, вы­зывающих воздушный поток. Самолет перемещается относительно воздуха с помощью двигателя и может лететь в любом направлении независимо от ветра, обте­кание же воздухом змея происходит обычно за счет ветра. Змей держится на стальном тросе или шнуре и потому при ветре не перемещается вместе с воздухом.

Воздушный змей, поднимающий в воздух приборы, строили не из дощечек и бумаги, а из легкого металла или дерева и шелковой материи, и не плоский, а короб­чатый (рис. 10).

Высота подъема воздушного змея ограничена. С уве­личением высоты при неизменном встречном потоке

Воздуха подъемная сила змея уменьшается, так как уменьшается плотность воздуха. Кроме того, чем больше высота, тем больше вес троса, на котором удерживается змей. Поэтому змей обычно достигает высоты 4 — 5 ки­лометров и лишь в очень редких случаях поднимается до высоты больше 9 километров.

Воздушные змеи широко применялись лет 50 назад в качестве разведчиков атмосферы. Много подъемов воздушных змеев было сделано основателем русской аэрологии В. В. Кузнецовым. Эти подъемы производи­лись с 1897 года в Павловском парке (Петербург), где располагалось отделение Главной геофизической обсер­ватории. Сначала они велись нерегулярно, но в 1903 году при Павловской обсерватории было организовано спе­циальное «змейковое» отделение, систематически изучав­шее атмосферу с помощью воздушных змеев. В. В. Куз­нецов лично конструировал змеи и самопишущие приборы, которые использовались при этих исследова­ниях.

Подъемы приборов с помощью воздушных змеев позволили накопить сведения об изменениях в состоя­нии атмосферы до высоты 4—5 километров. Но с разви­тием электрификации и воздушных сообщений приме­нять змеи стало опасно. Стальной трос змея, не заме­ченный пилотом самолета, может привести к катастрофе. Обрыв троса может вызвать аварию на высоковольтных линиях электропередач. Этих препятствий нет только в таких малонаселенных районах, как Арктика,— там змей может еще применяться.

Шар-зонд и радиозонд. Мы уже говорили, что для подъема аэростата или стратостата с исследователями и приборами необходима очень большая оболочка. Но для подъема одних приборов требуются оболочки значитель­но меньших размеров. Чаще всего для этого употребля­ются оболочки с объемом около 2—4 кубических метров у поверхности Земли. Резиновая оболочка наполняется водородом, к ней подвешивается коробочка с приборами. Получается маленький аэростатик. Такой аппарат и от­правляют в атмосферу для ее исследования. Его назы­вают шар-зонд. «Зондировать» — значит исследовать, разведывать. Предложение исследовать атмосферу с по­мощью таких шаров-зондов, снабженных самозаписыва­ющими приборами, впервые высказал Д. И. Менделеев.

При подъеме шара-зонда с увеличением высоты дав­ление окружающей среды падает, газ растягивает обо­лочку изнутри и на некоторой высоте разрывает ее. Приборы опускаются на Землю. При этом разорвав­шаяся оболочка заменяет парашют и не дает приборам разбиться. Приборы снабжались запиской с адресом станции, пославшей шар-зонд. Нашедший приборы воз­вращал их по этому адресу.

Шары-зонды начали применяться с конца XIX столе­тия. В 1904 году с помощью шаров-зондов были иссле­дованы нижние слои стратосферы. Основной особен­ностью этих слоев является постоянство температуры: и на высоте 15 километров, и на высоте 20 километров она одинакова и равна приблизительно минус 55°. В стратосфере всегда хорошая погода, облаков и осад­ков почти не бывает, плотность воздуха мала. Эти усло­вия весьма удобны для полетов.

Аэролог В. В. Кузнецов за время с 1905 по 1914 год выпустил в Кучино под Москвой 60 шаров-зондов. Наи­большая высота их подъема была 19 километров. Эти опыты позволили В. В. Кузнецову установить характер изменения температуры в атмосфере по месяцам до вы­соты 12 километров. В то время как у поверхности Земли в районе Москвы среднемесячная температура в течение года изменялась от —5 до +15° Цельсия, на высоте 11 —12 километров температура изменялась от —50 до —60° Цельсия. На высоту более 12 километров шары-зонды поднимались редко, поэтому проследить за изменением температуры на этих высотах В. В. Кузне­цов не смог.

В 1918—1920 годах советский исследователь В. А. Ха - невский, используя данные, полученные при шаро-зондо - вых и шаро-пилотных подъемах, установил скорость и направление ветра, а также влажность воздуха до вы­соты в 20 километров.

В начале 30-х годов зондирование атмосферы в Мо­скве было организовано советским метеорологом про­фессором В. И. Виткевичем. Шары-зонды дали сведения о распределении давления и температуры на больших высотах. Одиночные шары-зонды поднимались на высоту несколько больше 40 километров.

Однако шар-зонд обладает крупным недостатком — он далеко уносит приборы. Не всегда их удается найти, а иногда приборы попадают в водоемы или под дождь, и тогда записи измерений оказываются испорченными. Там, где населенных пунктов мало, выпускать шары вообще не имеет смысла, так как приборы будут возвра­щаться крайне редко.

Но даже и в том случае, когда прибор найден и воз­вращен на место выпуска, проходит очень много вре­мени, прежде чем его записи будут обработаны и станет известно, как же изменялись давление, температура и влажность по высоте во время подъема шара-зонда.

Между тем, в работе Службы погоды необходимо по­лучать эти сведения как можно быстрее, лучше всего непосредственно во время полета. Ясно, что шары-зонды не могли удовлетворить этим требованиям.

Чтобы получать показания приборов во время самого полета, был создан новый прибор, получивший название радиозонда.

Радиозондом называется прибор, автоматически пе-. редающий по радио сигналы о величине давления, тем­пературы и влажности непосредственно во время полета. Радиозонд поднимается на резиновом шаре, наполненном водородом.

На рисунке 11 представлен общий вид радиозонда. Так же как и в метеорографе, изменения давления вос­принимаются в радиозонде анероидными коробочками 1,

Изменения температуры — биметаллической пластин­кой 2, изменения влажности — пучком волос 3.

Анероидные коробочки, биметаллическая пластинка и пучок волос связаны с перьями. Но в отличие от метео­рографа в радиозонде перья не вычерчивают линии на закопченной бумаге, а скользят по особым зубчатым металлическим гребенкам 4; каждое перо — по своей гребенке.

Нет в радиозонде и регистрирующего барабана. Вме­сто него имеется маленький радиопередатчик 5 и особое коммутаторное устройство 6, вращающееся от крыль -

Чатки 7. Когда какое-либо из перьев находится на ме­таллическом зубце гребенки, оно через коммутаторное устройство замыкает электрическую цепь радиопередат­чика, и он посылает на землю условный радиосигнал.

На месте выпуска радиозонда его сигналы принима­ются радиоприемником в течение всего полета. Характер сигналов и порядок их чередования позволяют устано­вить последовательные положения перьев давления, температуры и влажности на соответствующих гребен­ках. А каждому положению пера давления на его гре­бенке соответствует строго определенная величина дав­ления; каждому положению пера температуры — опре­деленная величина температуры и каждому положению пера влажности — определенная величина влажности.

Таким образом, по сигналам, передаваемым радио­зондом, можно узнать, каковы давление, температура и влажность воздуха на той или иной высоте.

Идея этого замечательного неодушевленного иссле­дователя атмосферы принадлежит советскому ученому профессору П. А. Молчанову.

Первый в мире радиозонд, построенный под его руководством, был выпущен в Павловске, около Ленин­града, 30 января 1930 года. Он достиг высоты 9 кило­метров. Этот полет доказал, что автоматическая пере­дача метеоданных на Землю с помощью радиопередат­чика возможна. В 1931 году была организована экспеди­ция в село Полярное, недалеко от Мурманска, для исследования верхних слоев атмосферы в Арктике. Эта экспедиция дала' первые сведения о состоянии атмо­сферы во время полярной ночи. В этом же году радио­зонды выпускались П. А. Молчановым с дирижабля[21]). Все эти исследования показали, что в полярных районах среднегодовая нижняя граница стратосферы лежит на высоте около 10 километров; зимой она снижается до высоты 8—9 километров. На рис. 12 изображен радио­зонд в полете.

В наши дни организовано систематическое радиозон­дирование атмосферы. Аэрологические станции два раза в день в одни и те же сроки выпускают в воздух радио­зонды. Сведения о температуре, давлении и влажности

Рис. 12. Радиозонд в полете.

Верхних слоев, полученные по радио, аэрологические станции сообщают в Центральный институт прогнозов, где составляются очередные прогнозы погоды. Радио­зонды используются также и для зондирования атмо­сферы сверху вниз, путем сбрасывания их с самолета в полете. В этом случае радиозонд опускается на пара­шюте, а сигналы его принимаются на самолете. Такой метод позволяет проводить зондирование атмосферы в таких районах, где трудно установить постоянные на­блюдения с земли, например в Арктике.

Первые радиозонды П. А. Молчанова достигали вы­соты 8—10 километров, в 1934 году эта высота увели­чилась до 25 километров. Сейчас наибольшая высота подъема радиозонда составляет 36,5 километра, а сред­няя высота подъемов на аэрологических станциях со­ставляет уже около 22 километров. Это достигнуто в ре­зультате совершенствования радиозонда — уменьшения веса приборов и улучшения качества оболочек.

Высота подъема радиозонда и шара-зонда ограни­чена главным образом качеством оболочки. Сначала де­лали матерчатую оболочку. Так как при подъеме вверх объем такой оболочки не изменяется, а плотность окру­жающего воздуха уменьшается, то уменьшается и подъ­емная сила шара. Когда шар достигал высоты, где его подъемная сила приближалась к нулю, он, плавая в ат­мосфере, удалялся на большие расстояния от места выпуска.

Чтобы шар поднимался выше и не улетал далеко, матерчатую оболочку заменили резиновой. При подъеме шара давление окружающего воздуха уменьшается, и благодаря этому водород, содержащийся в оболочке, увеличивается в объеме и растягивает ее. Но растяже­нию резины тоже есть предел. На некоторой высоте ре­зина разрывается и приборы возвращаются на Землю.

Чем лучше качество резины, тем выше может под­няться шар. При подъеме шара на высоту до 30 кило­метров объем оболочки увеличивается почти в 90 раз. При этом толщина стенки оболочки уменьшается при­мерно в 17 раз. При подъеме от 30 до 40 километров объем шара должен увеличиваться еще в два раза. Совершенно очевидно, что даже для достижения высоты 40 километров оболочка должна быть сделана из ре­зины очень высокого качества. Долгое время оболочки
выполнялись только из натурального каучука. В 1946 го­ду советские ученые разработали способ получения обо­лочек из искусственного каучука. По эластичности искус­ственные оболочки не уступают натуральным, а по газо­проницаемости и пожарной безопасности даже лучше их.