Виктор Щукин ШТУРМ НЕБА Как изучается атмосфера
ВВЕДЕНИЕ
В древние времена люди представляли себе небо как твёрдый голубой купол, прикрывающий Землю. С понятием неба было связано много таких явлений, которые человек не мог объяснить; они вызывали у людей страх. Град уничтожал урожай, шторм опрокидывал лодки рыбаков, ураган сносил крыши домов или ломал деревья; считалось, что всё это — наказания человеческому роду, посланные с небес.
Когда человеческое общество разделилось на угнетённых и угнетателей, страх перед силами природы стал сознательно поддерживаться имущими классами. Это помогало правящей кучке эксплуататоров держать трудящихся в повиновении, присваивать результаты их труда.
Теперь, когда человек уже познал причины многих природных явлений, открыл закономерности, которым явления подчиняются, буржуазные учёные используют эти открытия для того, чтобы «подтвердить» вывод о существовании бога. В области познания природы реакционная буржуазная наука смыкается с поповщиной. Человек способен познать отдельные природные явления, — говорят буржуазные учёные, — но он не способен понять устройство всего мироздания в целом, ибо это мироздание сотворено высшим, чем человек, существом — богом.
Советская материалистическая наука исходит из того, что природа и её законы познаваемы. С течением времени наука накапливает всё больше сведений о природе, всё глубже мы познаём окружающий мир. Мы не только узнаём происхождение многих явлений природы, но некоторые из них и предвидим, а также используем в своих интересах.
Явления, которые можно наблюдать на небе, происходят или в воздушной оболочке Земли — атмосфере, — или за её пределами — в мировом пространстве.
Много ярких страниц истории науки посвящено завоеванию воздушного океана. Много способов изыскали люди для того, чтобы изучить атмосферу нашей планеты. Об основных достижениях в этой области и рассказывается читателю в нашей небольшой книге.
1. ПОЧЕМУ ЛЮДИ СТРЕМЯТСЯ ПОЗНАТЬ ВОЗДУШНЫЙ ОКЕАН?
Огромную роль в трудовой деятельности людей играет погода. В старину говорили: «Погода может накормить, может и разорить».
В засуху палящие лучи солнца губят урожай. Наоборот, когда часто идут дожди, посевы страдают от излишка влаги. Внезапные заморозки губят посадки огородных культур, град уничтожает посевы.
Рыбаку, застигнутому штормом в открытом море, грозит гибель. Даже крупные морские суда могут быть повреждены штормом.
Зависит от погоды и работа лётчиков. Низкая облачность затрудняет полёт. Туман усложняет взлёт и посадку. При полётах в облаках, если температура воздуха ниже 0°, на крыльях и винтах самолётов образуется лёд. Сначала он появляется в виде тонкой стекловидной корки, затем нарастает всё более толстым слоем неравномерной толщины, искажая обтекаемые формы самолёта и увеличивая его вес. Льда может нарасти столько, что самолёт теряет способность держаться в воздухе и вынужден совершить посадку вне аэродрома.
Можно назвать много других отраслей народного хозяйства, где погода непосредственно влияет на деятельность людей. Поэтому изучение воздушной оболочки Земли является одной из важнейших задач человечества в его стремлении познать и покорить окружающий мир.
Этим и занимается наука, называемая метеорологией. Она изучает процессы, происходящие в атмосфере, и помогает человеку предсказывать погоду и применяться к её изменениям.
В буржуазных странах знания об атмосфере часто используются для агрессивных военных целей. Известно, что условия погоды могут способствовать развёртыванию военных действий или, наоборот, сковывать их. Сильные дожди затрудняют передвижение сухопутных войск, подвоз продовольствия и военных материалов; туман позволяет незаметно для противника произвести перегруппировку сил; низкая облачность и дождливая, пасмурная погода мешают действиям авиации и т. д. И правительства капиталистических стран расходуют значительные средства для постановки опытов по искусственному воспроизведению различных условий погоды, чтобы в случае войны использовать результаты этих опытов.
Вместе с тем буржуазные правители не заботятся о том, чтобы своевременно предупредить население страны о катастрофах, к которым может привести неблагоприятное изменение погоды.
В ноябре 1951 года на севере Италии, в Альпах, несколько дней шли проливные дожди. Большая река По и другие реки вышли из берегов и затопили огромные пространства. Бурные потоки воды разрушили много построек. В одной только провинции Ровиго от наводнения пострадало 200 тысяч человек. Ещё более яркий пример — наводнение в Англии и Голландии в феврале 1953 года, когда в результате штормовых ветров необычайной силы были затоплены побережья этих стран. Наводнение причинило огромные убытки, погибло много людей. В том и другом случае жертв могло быть значительно меньше, если бы население было своевременно предупреждено о возможном наводнении, а правительства этих стран приняли соответствующие предупредительные меры.
Иная роль отводится метеорологии в социалистическом государстве, где главная задача науки состоит в том, чтобы поставить природу во всех её проявлениях на службу народу.
Советские метеорологи ведут тщательные наблюдения за изменениями в атмосфере, сопоставляют полученные сведения и делают вывод о предстоящей погоде. Они предупреждают колхозы о дождях и заморозках, железнодорожников — о метелях и бурных разливах рек, лётчиков и моряков — о штормах, туманах, грозах и шквалах. И если предупреждение получено своевременно — можно предотвратить возможные последствия этих явлений и обеспечить нормальную работу при неблагоприятной погоде.
В наши дни специально оборудованные морские суда и самолёты могут совершать рейсы и в тумане; приборы позволяют морякам и лётчикам хорошо ориентироваться.
Возможность обледенения не останавливает теперь работу воздушного транспорта. Лётчик лишь должен знать, на каких высотах следует опасаться обледенения. Если полёт в этих слоях атмосферы неизбежен, самолёт должен иметь оборудование для борьбы с обледенением.
Борьба за увеличение скорости и дальности полёта летательных аппаратов не может быть успешной без изучения высоких слоёв атмосферы.
Воздух оказывает сопротивление летящему аппарату. Чем больше скорость полёта, тем больше это сопротивление. Но оно определяется не только скоростью полёта, а зависит ещё и от плотности воздуха. Как мы увидим дальше, с увеличением высоты плотность воздуха и его сопротивление движению летательного аппарата уменьшаются. Следовательно, при одинаковой тяге двигателя скорость полёта будет тем большей, чем выше поднимется летательный аппарат; при одном и том же запасе топлива высотный летательный аппарат будет иметь большую дальность полёта. Поэтому для дальних полётов желательно использовать большие высоты. Чтобы знать условия работы летательных аппаратов и их двигателей на больших высотах и обеспечить безопасность полёта, нужно тщательно изучить строение высоких слоёв атмосферы и явления, в них происходящие.
Плановый характер развития хозяйства нашей Родины позволяет проводить работы, направленные на то, чтобы в будущем положить конец зависимости человека от погоды и климата. В степных районах уже растут новые леса. Они будут оберегать поля от иссушающих ветров. Строятся каналы и оросительные системы, которые заставят плодоносить выжженные Солнцем земли.
Большие неприятности приносят сельскому хозяйству заморозки — и советские учёные разрабатывают мероприятия для их предупреждения. Засуха может погубить урожай — и советские учёные работают над способами искусственного получения дождя из облаков.
Таким образом наука об атмосфере даёт в руки человека активные средства воздействия на погоду.
2. КАКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АТМОСФЕРЕ НУЖНЫ ЧЕЛОВЕКУ?
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 её 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.
Часть сведений об атмосфере исследователи получают с помощью приборов. О самой верхней части атмосферы имеются лишь сведения, полученные косвенным путём. Какие способы при этом используются, мы расскажем дальше, а сейчас познакомимся с теми данными, которые исследователи получают путём непосредственного измерения.
Чистый сухой воздух представляет собой смесь газов; он имеет в своём составе (в объёмных долях) 78,09 % азота, 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона и незначительные примеси других газов (неона, гелия, водорода и т. д.). В нижних слоях атмосферы этот состав несколько изменяется, так как воздух здесь никогда не бывает совершенно сухим — в нём всегда содержится в большем или меньшем количестве водяной пар.
Влажность. 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, т. е. содержащим предельное при данной температуре количество пара. После этого испарение всё-таки происходит, но испаряется столько же влаги, сколько конденсируется.
Как и воздух, водяной пар невидим. Сконденсировавшийся пар в виде огромного числа мелких капелек воды образует туман или облака.
Содержание водяного пара или, как говорят, влажность воздуха измеряется различными приборами. Один из них называется психрометром. Он состоит из двух одинаковых термометров (рис. 1).
Рис. 1. Устройство психрометра.
У одного термометра ртутный шарик сухой, а у другого — обёрнут лоскутом тонкой материи, конец которого опущен в стаканчик с водой. Вода, поднимаясь по волокнам материи, испаряется с лоскутка, но не всегда одинаково быстро. В сухую погоду её 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 сопровождается поглощением тепла. Тепло, необходимое для перехода воды в пар при испарении, отнимается от шарика термометра, и поэтому он показывает температуру меньшую, чем стоящий рядом с ним сухой термометр. С помощью специальных таблиц по разности показаний двух термометров наблюдатель определяет влажность воздуха.
Другой прибор — гигрограф — автоматически отмечает влажность воздуха (рис. 2).
Рис. 2. Схема устройства гигрографа.
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.
Давление. 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 Землёй.
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 % всей его массы, в пределах 10 километров — 75 %, а в пределах 20 километров — 94 %. Отсюда следует, что плотность воздуха с высотой резко убывает.
Метеорологи внимательно следят за изменением атмосферного давления. Это помогает им предвидеть изменения погоды.
Как измерить атмосферное давление?
Если наполнить ртутью закрытую с одной стороны стеклянную трубку и погрузить её открытым концом в чашку со ртутью (рис. 3), то ртуть в трубке опустится, но не выльется, потому что на открытую поверхность ртути в чашке давит столб воздуха.
Рис. 3. Высота столба ртути в трубке указывает величину атмосферного давления.
Ртуть в трубке будет опускаться до тех пор, пока давления столба воздуха и столба ртути не уравновесятся. Изменится давление воздуха — изменится и высота уравновешивающего столбика ртути. Прибор, построенный на таком принципе, называется ртутным барометром.
Давление воздуха на уровне моря в среднем уравновешивается весом столба ртути высотой 760 миллиметров (в зависимости от состояния атмосферы давление на уровне моря может несколько меняться).
Давление можно также измерить барометром-анероидом. Этот прибор имеет вид полой металлической коробочки, из которой выкачан воздух. Давление окружающего воздуха сжимает эту коробочку. Когда оно ослабевает, упругость металла несколько раздвигает стенки, и коробочка как бы расширяется. Это изменение передаётся с помощью рычажков стрелке, показывающей на шкале барометра величину давления воздуха.
Если возникает 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 4, а действие его поясняется рисунком 5.
Рис. 4. Внешний вид барографа.
Рис. 5. Схема устройства барографа.
В этом приборе расширение и сжатие металлических коробочек А передаётся 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 полёта или высоту какой-либо точки земной поверхности над уровнем моря.
При этом в показания барометра-высотомера вводят поправку на температуру воздуха (так как в холодном воздухе давление с высотой убывает быстрее, чем в тёплом), а также учитывают изменения давления у земли.
Температура. 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 распространённый способ измерения температуры основан на свойстве тел изменять при нагревании и охлаждении свой объём. 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 дели служит прибор, называемый термографом (рис. 6).
Рис. 6. Внешний вид термографа.
В нём 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 её пластинки удлиняются или укорачиваются по-разному. Один конец пластинки закреплён неподвижно, а другой соединён с помощью рычажков с записывающим 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 сопровождается поглощением тепла. 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 её состоят из наклонных реек, которые свободно пропускают воздух, но препятствуют прохождению прямых солнечных лучей.
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 принести воздух с облаками и дождём, или, наоборот, рассеять эти облака, и т. д.
Для определения направления ветра служит простой прибор флюгер. Это вращающаяся на вертикальной оси стрела с оперением. Носик стрелы всегда направлен туда, откуда дует ветер. На верхней части оси флюгера можно подвесить металлическую дощечку, тогда прибор будет показывать и скорость ветра. Дощечка прикреплена к флюгеру в таком положении, что ветер ударяет прямо в неё. Чем сильнее ветер, тем больше он отклоняет дощечку. По величине отклонения и определяется скорость ветра.
Для более точного определения скорости ветра применяются анемометры. На рисунке 7 показан электрический анемометр.
Рис. 7. Электрический анемометр.
На концах вращающейся крестовины укреплены 4 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. Крестовина вращается вместе с осью, на нижнем конце которой 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 помещён на значительном расстоянии от анемометра.
Флюгер и анемометр применяются для измерения скорости ветра у поверхности Земли. Но как измерить скорость движения воздуха на разных высотах? Для этого применяются шары-пилоты, состоящие из лёгкой 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[1]. 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.
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 служат помехой при наблюдении.
Радиолокатор посылает радиоволны в виде очень коротких сигналов в направлении летящего шара-пилота, к которому привязана крестовина из проволоки. Сигналы, отражённые этой крестовиной (радиоэхо), принимаются радиоприёмником локатора. По времени запаздывания радиоэхо определяют расстояние до шара. С помощью радиолокатора можно также определить и направление на шар-пилот с крестовиной. По этим данным рассчитывают путь движения шара-пилота, и, так же как при теодолитных наблюдениях, определяют скорость и направление ветра на разных высотах.
Метеорографы. Обычно метеорологов интересуют одновременно температура, давление и влажность воздуха и их изменения с высотой. Для этого применяется прибор, автоматически записывающий температуру, давление и влажность. Такой прибор называется метеорографом. Метеорограф поднимают на самолёте, воздушном змее, аэростате или небольшом резиновом шаре, наполненном водородом.
На рисунке 8 показан метеорограф СМ-43, предназначенный для подъёмов на самолёте.
Рис. 8. Самолётный метеорограф СМ-43.
Изменения давления воспринимаются двумя анероидными 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 жёстко закреплён на корпусе, а другой соединён 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 закопчённой бумажной лентой. Барабан приводится в движение часовым механизмом.
Кроме того, в метеорографе имеется ещё одно неподвижное, контрольное перо 5. Оно вычерчивает на барабане прямую линию. Эта линия служит для расшифровки записей давления, температуры и влажности.
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 ещё анемограф, автоматически записывающий скорость ветра.
Радиозонд. Радиозондом называется прибор, автоматически передающий по радио сигналы о величине давления, температуры и влажности непосредственно во время полёта. Радиозонд поднимается на резиновом шаре, наполненном водородом.
На рисунке 9 представлен общий вид радиозонда.
Рис. 9. Радиозонд.
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 закопчённой бумаге, а скользят по особым зубчатым металлическим гребёнкам 4; каждое перо — по своей гребёнке.
Нет в радиозонде и регистрирующего барабана. Вместо него имеется маленький радиопередатчик 5 и особое коммутаторное устройство 6, вращающееся от крыльчатки 7. Когда какое-либо из перьев находится на металлическом зубце гребёнки, оно, через коммутаторное устройство, замыкает электрическую цепь радиопередатчика, и он посылает на землю условный радиосигнал.
На месте выпуска радиозонда его сигналы принимаются радиоприёмником в течение всего полёта. Характер сигналов и порядок их чередования позволяют установить последовательные положения перьев давления, температуры и влажности на соответствующих гребёнках. А каждому положению пера давления на его гребёнке соответствует строго определённая величина давления; каждому положению пера температуры — определённая величина температуры и каждому положению пера влажности — определённая величина влажности.
Таким образом, по сигналам, передаваемым радиозондом, можно узнать, каковы давление, температура и влажность воздуха на той или иной высоте.
3. НА ДНЕ ВОЗДУШНОГО ОКЕАНА
Крушение кораблей в море во время бурь, наводнения и другие стихийные бедствия, связанные с изменением погоды, уже давно настойчиво указывали на необходимость систематического изучения атмосферных явлений.
Около двухсот лет назад великий русский учёный 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 всё трудами приобрести возможно…».
Идея Ломоносова о постоянных наблюдениях осуществилась только через столетие. В 1849 году в Петербурге начала работать первая в мире Физическая обсерватория. Пятьдесят пять русских метеорологических станций стали посылать в Обсерваторию свои наблюдения над состоянием приземного слоя воздуха.
С 1872 года Обсерватория начала издавать ежедневный обзор погоды. В 1874 году академик Михаил Александрович Рыкачёв 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 апреля 1921 года Совет Народных Комиссаров под председательством В. И. Ленина издал декрет об организации метеорологической Службы в нашей стране. С тех пор метеорологические станции стали строиться по всей территории Советского Союза. Сейчас тысячи таких станций обеспечивают работу Службы погоды.
Метеорологические станции есть у нас и в тайге, и на морях, и в высокогорных районах.
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.
4. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ПОЛЁТЫ
Измерения, которые может сделать наблюдатель метеостанции, свидетельствуют о состоянии воздуха только вблизи земной поверхности. Но воздух всё время перемешивается. На смену приземному слою приходит воздух из более высоких слоёв, а воздух, омывавший поверхность Земли, поднимается вверх. Поэтому предсказания погоды, основанные исключительно на наземных измерениях, не отличаются большой точностью. Великий русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев неоднократно указывал на необходимость изучать верхние слои атмосферы, для того чтобы сделать более совершенной Службу погоды. Он писал: «Там лаборатория погоды, там образуются облака, там они движутся и там редко помещаются измерительные приборы».
Теперь за состоянием воздуха на различных высотах следят аэрологи. Они регулярно производят метеорологические наблюдения до высоты 10–15 посылая в атмосферу приборы-самописцы и поднимаясь сами на самолётах и аэростатах.
В настоящее время значительно чаще приборы поднимаются без людей, но полёты с наблюдателем и сейчас используются как надёжное средство наиболее полного и всестороннего изучения атмосферы.
Как высоко может подняться человек со своими приборами? Какие аппараты для подъёма он может использовать?
Аэростат и стратостат. В 1731 году житель Рязани Крякутной сделал шарообразный мешок, наполнил его дымом и поднялся в воздух. Как повествует летопись, шар Крякутного поднялся «выше берёзы». Это был первый в мире полёт человека на аппарате легче воздуха.
Шар Крякутного поднялся потому, что наполнявший его тёплый дым был легче воздуха. Но дым скоро охлаждается, и подъёмная сила шара исчезает. Поэтому для подъёма человека в воздух стали применять шары, наполненные лёгким газом, обычно водородом. Такие аппараты называются аэростатами. С аэростатом связано начало штурма неба — попыток завоевания воздушного океана. Первый полёт аэростата с научной целью был организован в России Академией наук в 1804 году. Его совершил академик Я. Д. Захаров. Он так писал о цели своего полёта: «Главный предмет сего путешествия состоял в том, чтобы узнать с большей точностью о физическом состоянии атмосферы и о составляющих её частях в разных определённых возвышениях оной».
Захаров взял с собой в полёт сосуды для проб воздуха, барометр, термометры, компас и другие приборы. Подъём аэростата состоялся в Петербурге, полёт продолжался около 4 часов. Наибольшая высота, достигнутая аэростатом, составила 2480 метров.
В воздухе Захаров произвёл много интересных наблюдений, проследил, как изменялась температура воздуха с изменением высоты полёта, установил, что направление ветра на разных высотах неодинаково. Во время полёта были взяты пробы воздуха на различных высотах.
В 1868–1873 годах подобные полёты были организованы академиком М. А. Рыкачёвым.
Несколько позднее систематические полёты на аэростатах с целью изучения атмосферы организовал один из пионеров русской аэрологии М. М. Поморцев. Он собрал ценный материал об изменении температуры и влажности с увеличением высоты и в 1891 году подверг этот материал серьёзной научной обработке. М. М. Поморцев сделал одну из первых попыток применить сведения, полученные при полётах, к решению задач о предсказании погоды.
Д. И. Менделеев упорно доказывал необходимость исследовательских полётов. «Для ползающих на дне морском, — говорил он, — неведомы бури поверхности; так же и нам почти неизвестны явления, в верхних слоях атмосферы происходящие».
Менделеев критически изучил и обработал данные, полученные об атмосфере другими исследователями, и пришёл к выводу, что температура воздуха не непрерывно уменьшается с поднятием на высоту. В верхних слоях падение температуры замедляется. Поэтому Менделеев предположил, что на некоторой высоте падение температуры прекращается, и в верхних слоях она постоянна.
В 1901 году это предположение Менделеева блестяще подтвердилось. Многочисленными исследованиями было установлено, что на высоте 9—17 километров (в зависимости от географической широты) падение температуры с высотой прекращается, и в более высоких слоях температура становится постоянной.
Нижний слой воздуха, в котором температура с высотой уменьшается, называется тропосферой. В тропосфере воздух перемешивается как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Именно в этом слое разыгрываются явления погоды: образуются облака и туманы, выпадают осадки, возникают грозы.
Наибольшая высота тропосферы у экватора (17 километров), наименьшая — у полюсов (9 километров). У экватора поверхность Земли имеет наибольшую температуру. Это обеспечивает прогревание и перемешивание воздуха до больших высот, чем над другими участками земной поверхности.
У полюсов, наоборот, господствуют низкие температуры, и поэтому прогревание воздуха распространяется здесь до меньших высот.
Слой, расположенный над тропосферой, называется стратосферой. В нижней части этого слоя темпера-тура по высоте не изменяется. Как теперь найдено, постоянство температуры наблюдается до высоты примерно 30 километров.
Менделеев лично принимал участие в исследовательских полётах. В 1887 году он решил воспользоваться воздушным шаром для исследования атмосферы во время солнечного затмения. В последнюю минуту оказалось, что шар не сможет поднять и Менделеева и пилота. Тогда учёный решил совершить полёт один. Он поднялся в воздух и выполнил намеченные наблюдения.
В 1875 году, для достижения больших высот, Менделеев предложил прикрепить к аэростату «герметически закрытый оплетённый упругий прибор для помещения наблюдателя, который будет тогда обеспечен сжатым воздухом и может безопасно для себя делать определения и управлять шаром». На таком аэростате можно подниматься значительно выше, чем на обычном. Аэростат с герметически закрытой кабиной для наблюдателей получил название стратостата.
Менделеев составил план работы по изучению больших высот, которые можно выполнить с помощью стратостата. Но царское правительство не предоставило учёному необходимых средств, и он не смог осуществить своей идеи. Только через полвека появились первые стратостаты.
Советские исследователи широко используют стратостат для изучения атмосферы.
30 сентября 1933 года воздухоплаватели Прокофьев, Бирнбаум и Годунов на стратостате «СССР-1» достигли высоты 19 километров. Взятые на различных высотах пробы воздуха позволили заключить, что состав его на достигнутых высотах такой же, как и у поверхности Земли.
30 января 1934 года советские воздухоплаватели Федосеенко, Васенко и Усыскин совершили исследовательский полёт на стратостате «С-ОАХ-1», построенном ленинградским Осоавиахимом, и достигли высоты 22 километров.
Более высокие слои атмосферы для стратостатов недоступны. Чем ограничена высота их подъёма?
Стратостат поднимается вверх до тех пор, пока подъёмная сила, определяемая количеством газа в оболочке, превышает его вес. Поэтому стратостат поднимается тем выше, чем больше объём его оболочки с газом и чем меньше его вес. Чтобы общий вес стратостата был как можно меньшим, для заполнения оболочки используют самый лёгкий газ водород. Оболочку делают обычно из лёгкой и прочной, непроницаемой для газов прорезиненной ткани.
Чтобы создать подъёмную силу, достаточную для поднятия в высокие слои атмосферы нескольких исследователей с приборами, нужна оболочка огромных размеров. Например, оболочка стратостата «С-ОАХ-1» имела диаметр около 36 метров и объём около 25 тысяч кубических метров. Подъём на большие высоты потребовал бы ещё больших размеров оболочки.
Чем выше предполагается подъём стратостата, тем больше должен быть размер оболочки при одинаковом количестве газа, впущенного в неё перед полётом. Однако как ни стремятся уменьшить вес стратостата, вес оболочки с увеличением её размеров возрастает и для некоторой высоты будет больше подъёмной силы газа. Это — предельная высота для стратостата.
Аэростаты и стратостаты сыграли важную роль в изучении атмосферы. Они помогли установить состав воздуха и закономерности изменения температуры и давления до высоты 22 километров. В средних широтах до высоты 11 километров температура воздуха непрерывно уменьшается, на высоте 11 километров достигает в среднем 55 градусов ниже нуля и дальше остаётся примерно постоянной. Состав воздуха до высоты 22 километров практически неизменен.
Аэростатами пользуются и сейчас для исследования атмосферы. Как средство для воздушных сообщений они не применяются, так как неуправляемы, но аэрологи используют способность их перемещаться вместе с движущейся массой воздуха.
Чтобы наблюдать, какие изменения происходят в воздухе при его перемещении, лучше всего «путешествовать» вместе с ним. Здесь неуправляемость аэростата, его покорность ветру становится очень ценным качеством.
Исследованиями этого рода занимается у нас Центральная аэрологическая обсерватория. Во время одного из исследовательских полётов пилот Б. А. Невернов и аэролог С. С. Гайгеров совершили полёт на аэростате от Москвы до Новосибирска за 69 часов. В октябре 1950 года воздухоплаватели обсерватории С. А. Зиновеев, С. С. Гайгеров и М. М. Кирпичёв провели ещё более длительные исследования на аэростате, пролетевшем за 84 часа из Москвы в район Алма-Аты.
Самолёт. Первый самолёт, способный подняться в воздух, был создан нашим соотечественником Александром Фёдоровичем Можайским. Испытание этого самолета состоялось в 1882 году.
Самолёт — аппарат тяжелее воздуха. Крылья его расположены так, что во время полёта под крыльями давление воздуха больше, чем над ними. Разность давления воздуха на нижнюю и верхнюю поверхности крыльев создаёт подъёмную силу, направленную вверх. Эта сила и держит самолёт в воздухе (рис. 10).
Рис. 10. Силы, действующие на крыло самолёта в полёте.
С каждым годом самолёты становятся всё более совершенными. Наибольшая высота подъёма — «потолок» самолёта — растёт из года в год. В 1925 году рекордная высота самолёта несколько превышала 11 километров, в 1935 году она составляла около 14, а сейчас — уже 18 километров.
Изучение атмосферы на разных высотах с точки зрения возможности пребывания на них человека показали, что подъём на высоту до 3 километров можно совершать в открытых кабинах и без кислородных масок. Подъём на высоту 7–9 километров возможен в открытых кабинах, но с кислородными приборами. Однако такой полёт требует предварительной тренировки. Полёт на высоту больше 12 километров возможен только в особых герметически закрытых кабинах или в специальных костюмах — скафандрах.
Отсутствие герметических кабин долгое время препятствовало полётам самолёта на большой высоте. Около пятнадцати лет назад советский конструктор А. Щербаков создал первую герметическую кабину. Во время полёта в кабину непрерывно подаётся из баллона кислород, а накапливающиеся в ней углекислый газ и влага поглощаются специальным аппаратом.
Метеорологи широко используют самолёты для исследований в тропосфере, где формируется погода. Самолёт помогает собирать сведения о погоде на большом пространстве в короткий срок.
Погода играет большую роль при планировании боевых операций. А для того чтобы предвидеть погоду, надо знать состояние атмосферы на огромных пространствах. Во время Великой Отечественной войны враг держал в секрете сведения о состоянии атмосферы на своей территории. Здесь большую услугу метеорологам оказали самолёты, летая во вражеский тыл для разведки погоды.
Высоту подъёма летательного аппарата можно увеличить, если использовать на нём реактивный (ракетный) двигатель, не требующий для своей работы атмосферного воздуха. Идея такого летательного аппарата была впервые высказана и обоснована в 1881 году Н. И. Кибальчичем[2]. Ракетный двигатель работает на любой высоте. Сейчас мы можем с помощью реактивных аппаратов посылать автоматически работающие приборы на очень большие высоты.
5. НЕОДУШЕВЛЁННЫЕ ИССЛЕДОВАТЕЛИ
Чтобы изучить те слои атмосферы, которые пока ещё недоступны для непосредственного наблюдения, учёные посылают в эти слои аппараты, снабжённые автоматически записывающими или передающими приборами. Эти неодушевлённые исследователи достигают больших высот.
Кроме риска для исследователей, подъём на большие высоты связан с большими материальными затратами. Поэтому часто бывает целесообразно посылать таких неодушевлённых исследователей для сбора сведений о состоянии атмосферы и на высоты, доступные самолётам и аэростатам.
Первый беспилотный аппарат для подъёма 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 заведённой часовой пружиной, сжимать воздух и подниматься в верхние слои атмосферы для того, чтобы можно было исследовать состояние верхнего воздуха метеорологическими приборами, прикреплёнными к этой аэродромной машине. Машина была подвешена на верёвке, перевешенной через два блока, и грузами, подвешенными к другому концу канатика, поддерживалась в равновесии. При заведённой 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 золотника облегчалась, однако, к желаемому концу не приведена».
Ломоносову не удалось закончить работу по созданию беспилотного аппарата для исследования атмосферы. Но то, что не успел сделать великий учёный, сделали его последователи. Несмотря на тяжёлые условия жизни в царской России, русские учёные разработали основные методы беспилотных исследований атмосферы и сделали важный вклад в науку об атмосфере. Для подъёма приборов в воздух стали применяться воздушные змеи, шары-зонды и ракеты.
Воздушный змей. Воздушные змеи начали использоваться для исследования атмосферы ещё в XVIII веке. Они применялись тогда для исследования атмосферного электричества.
Воздушный змей поднимается в воздух по той же причине, что и самолёт. Змей располагается в воздухе так, что воздушный поток, обтекая его, создаёт повышенное давление на его нижнюю поверхность и разрежение над верхней. Благодаря разности давлений возникает сила, поднимающая змей вверх. Разница по сравнению с самолётом состоит только в причинах, вызывающих воздушный поток. Самолёт перемещается относительно воздуха с помощью двигателя и может лететь в любом направлении независимо от ветра, обтекание же воздухом змея происходит обычно за счёт ветра. Змей держится на стальном тросе или шнуре и потому при ветре не перемещается вместе с воздухом. В безветреную погоду змей может подняться в воздух только в том случае, если конец троса, к которому привязан змей, перемещать вдоль поверхности Земли со значительной скоростью и тем создавать встречный его полёту поток воздуха.
Воздушный змей, поднимающий в воздух приборы, строят не из дощечек и бумаги, а из лёгкого металла или дерева и шёлковой материи, и не плоский, а коробчатый (рис. 11).
Рис. 11. Различные формы змеев, использующихся для подъёма приборов.
Высота подъёма воздушного змея ограничена. С увеличением высоты, при неизменном встречном потоке воздуха, подъёмная 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 подъёмов воздушных змеев было сделано основателем русской аэрологии В. В. Кузнецовым. Эти подъёмы 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.
Подъёмы 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 самолёта, может привести к катастрофе. Обрыв троса может вызвать аварию на высоковольтных линиях электропередач. Этих препятствий нет только в таких малонаселённых районах, как Арктика — там змей может ещё применяться.
Шар-зонд и радиозонд. Мы уже говорили, что для подъёма аэростата или стратостата с исследователями и приборами необходима очень большая оболочка. Но для подъёма одних приборов требуются оболочки значительно меньших размеров. Чаще всего для этого употребляются оболочки с объёмом 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 её исследования. Его называют шар-зонд. «Зондировать» — значит исследовать, разведывать.
Предложение исследовать атмосферу с помощью таких шаров-зондов, снабжённых самозаписывающими приборами, впервые высказал Д. И. Менделеев.
При подъёме шара-зонда с увеличением высоты давление окружающей среды падает, газ растягивает оболочку изнутри и на некоторой высоте разрывает её. Приборы опускаются на Землю. При этом разорвавшаяся оболочка заменяет парашют и не даёт приборам разбиться. Приборы снабжаются запиской с адресом станции, пославшей шар-зонд. Нашедший приборы возвращает 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 слоёв является постоянство температуры: и на высоте 20 километров, и на высоте 30 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 полётов.
Аэролог В. В. Кузнецов за время с 1905 по 1914 год выпустил в Кучино под Москвой 60 шаров-зондов. Наибольшая высота их подъёма 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. Ханевский, используя данные, полученные при шаро-зондовых и шаро-пилотных подъёмах, 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 удаётся найти, а иногда приборы попадают в водоёмы или под дождь, и тогда записи измерений оказываются испорченными. Там, где населённых 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 возвращён 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 подъёма шара-зонда.
Между тем, в работе Службы погоды необходимо получать эти сведения как можно быстрее — лучше всего непосредственно во время полёта. Ясно, что шары-зонды не могли удовлетворить этим требованиям.
Чтобы получать показания приборов во время самого полёта, был создан новый прибор, получивший название радиозонда (рис. 12).
Рис. 12. Радиозонд в полете.
Радиозонд автоматически с помощью маленького радиопередатчика посылает условные сигналы о величине давления, температуры и влажности на Землю. Идея этого замечательного неодушевлённого исследователя атмосферы принадлежит советскому учёному 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 слоёв атмосферы в Арктике. Эта экспедиция дала первые сведения о состоянии атмосферы во время полярной ночи.
В том же году радиозонды выпускались П. А. Молчановым в Арктике с дирижабля[3]. Эти исследования показали, что в полярных районах среднегодовая нижняя граница стратосферы лежит на высоте около 10 километров; зимой она снижается до высоты в 8–9 километров.
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 верхних слоёв, полученные по радио, аэрологические станции сообщают в Центральный институт прогнозов, где составляются очередные прогнозы погоды.
Первые радиозонды П. А. Молчанова достигали высоты 8—10 километров, в 1934 году эта высота увеличилась до 25 километров. Сейчас наибольшая высота подъёма радиозонда составляет 36,5 километра. Это достигнуто в результате совершенствования радиозонда — уменьшения веса приборов и улучшения качества оболочки.
Высота подъёма радиозонда и шара-зонда ограничена главным образом качеством оболочки. Сначала делали матерчатую оболочку. Так как при подъёме вверх объём такой оболочки не изменяется, а плотность окружающего воздуха уменьшается, то уменьшается и подъёмная сила шара. Когда шар достигал высоты, где его подъёмная 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 подъёме шара давление окружающего воздуха уменьшается, и благодаря этому водород, содержащийся в оболочке, увеличивается в объёме и растягивает её. 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 подъёме шара на высоту до 30 километров объём оболочки увеличивается почти в 90 раз. При этом толщина стенки оболочки уменьшается примерно в 17 раз. При подъёме от 30 до 40 километров объём шара должен увеличиваться ещё почти в два раза.
Совершенно очевидно, что даже для достижения высоты 40 километров оболочка должна быть сделана из резины очень высокого качества.
Ракета. Мы уже знаем, что самолёт не может летать без воздуха. Воздух необходим и для полёта аэростата и шара-зонда.
Ракета же не нуждается в воздухе. Больше того, атмосферный воздух только мешает её полёту, создавая сопротивление её перемещению и несколько ухудшая работу двигателя.
Внешний вид ракеты показан на рисунке 13.
Рис. 13. Внешний вид ракеты.
В камеру сгорания (рис. 14) подаётся горючее (например, керосин) и окислитель (например, азотная кислота).
При горении образуются газы, которые вытекают из камеры через отверстие в её задней стенке.
На рисунке 14, а стрелками изображено распределение давления по поверхности камеры сгорания при работе двигателя у поверхности земли.
Рис. 14. Схема показывает, как возникает сила тяги в ракетном двигателе.
Силы, приложенные к боковым поверхностям и уравновешивающие друг друга, на рисунке не показаны. Сила давления газов на переднюю стенку камеры больше, чем на заднюю, так как площадь задней стенки меньше на величину отверстия; результирующая сила будет направлена в сторону передней стенки.
Тяга всегда направлена в сторону, противоположную направлению вытекающих из камеры сгорания газов. Когда газы выбрасываются в сторону Земли, тяга направлена вверх.
Величина тяги зависит от давления газов в камере и от площади выходного отверстия. Чем больше давление газов и площадь выходного отверстия, тем больше тяга двигателя. Чтобы ракета могла лететь вверх, необходимо, чтобы сила тяги превышала вес ракеты.
Представим теперь, что двигатель работает на такой высоте, где нет воздуха, а значит, нет и внешнего давления. Давление на внутренней поверхности камеры распределится так же, как и в первом случае (рис. 14, б). Исчезновение внешних сил давления приведёт к увеличению результирующей силы, направленной вперёд, хотя процесс горения в камере и распределение давления внутри неё совершенно не изменились. Таким образом, при отсутствии атмосферы ракетный двигатель развивает большую тягу, чем при наличии её. Это ценное свойство ракетного двигателя позволяет использовать его для исследования очень высоких слоёв атмосферы.
Ракетный двигатель работает и в атмосфере и в безвоздушном пространстве. Это не значит, что ракета может достигнуть любой высоты. Наибольшая высота подъёма ракеты зависит от совершенства двигателя и самой ракеты, а также от вида применяющегося топлива.
Ещё в 1903 году знаменитый русский учёный К. Э. Циолковский опубликовал работу «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этой работе Циолковский предложил применить для реактивного двигателя жидкое топливо как наиболее удобное для высотных полётов и дал первую схему ракеты с жидкостно-реактивным двигателем.
«В качестве исследователя атмосферы, — писал Циолковский, — предлагаю реактивный прибор, то-есть род ракеты, но ракеты грандиозной и особенным образом устроенной…».
В 1947 году ракета с жидкостно-реактивным двигателем достигла высоты 187 километров.
Ещё большей высоты подъёма можно достичь с помощью «ракетного поезда» — составной ракеты. В работе «Космические ракетные поезда» в 1929 году Циолковский описал устройство предлагаемой им составной ракеты и подсчитал возможную высоту её подъёма.
Составная ракета представляет собой несколько отдельных ракет, соединённых одна с другой подобно вагонам поезда. Ракеты работают последовательно одна за другой. Ракета, использовавшая своё топливо, отсоединяется от поезда и падает на Землю. Составная ракета в полёте показана на рисунке 15.
Рис. 15. Ракетный поезд в полёте.
Составные ракеты уже используются для аэрологических наблюдений. В 1949 году был запущен ракетный поезд из двух ракет, из которых нижняя достигла высоты около 32 километров, затем отделилась от верхней и упала на Землю, а верхняя достигла высоты 400 километров.
Скорость перемещения ракеты в полёте определяется с помощью радиолокатора. Направление её движения поддерживается автопилотом. Если из-за порыва ветра или из-за неравномерности в работе двигателя она начнёт отклоняться от заданного курса, автопилот, воздействуя на рули, заставит её следовать по заданному курсу.
В метеорологической ракете полезный груз состоит из приборов для измерения температуры, давления и влажности воздуха, приспособления для взятия проб воздуха, фотокамеры для фотографирования Земли, приборов для исследования солнечного излучения и многих других.
Измерить температуру во время ракетного полёта значительно сложнее, чем у поверхности Земли. Обычный термометр, помещённый снаружи ракеты, будет показывать повышенную температуру, так как при полёте воздух перед ракетой сжимается и вследствие этого нагревается, нагретым будет и поток воздуха, обтекающий её. Кроме того, на термометр могут попасть лучи Солнца. Поэтому для измерения температуры во время ракетного полёта созданы специальные термометры. Принцип действия одного из них основан на том, что скорость распространения звука в воздухе изменяется с температурой. Прибор, измеряющий скорость распространения звука, позволяет определить температуру воздуха без всех тех погрешностей, которые сопровождают измерение температуры обычным термометром.
Во время полёта ракеты приборы автоматически делают измерения, которые могут передаваться по радио на Землю. Но передать можно далеко не всё. На высоте взята проба воздуха и её надо доставить в лабораторию. Чтобы при обратном спуске приборы не повредились, та часть ракеты, где они размещены, спускается на парашюте. Это может быть обычный шёлковый парашют в виде зонта или парашют в виде вращающихся лопастей. Встречный поток воздуха заставляет лопасти вращаться, при этом возникает подъёмная сила, замедляющая падение.
Итак, ракета поднимается выше всех других летательных аппаратов. Какие же новые сведения об атмосфере помог получить человеку этот неодушевлённый исследователь?
Учёные и до применения ракет предполагали, что температура в стратосфере сохраняется примерно неизменной только до некоторой высоты, а затем начинает повышаться. Исследовательские полёты ракет подтвердили это предположение. Оказалось, что после высоты в 30–35 километров, где воздух охлаждён примерно до —55°, наблюдается повышение температуры, — на высоте 50–60 километров она достигает около +75° Цельсия. В более высоких слоях температура снова понижается и на высоте около 80 километров равна около —50°.
На высоте больше 100 километров температура воздуха снова возрастает и на высоте 250–300 километров она доходит до +500–600 градусов Цельсия.
Ракеты позволили собрать ценные сведения и о составе атмосферы. Долгое время учёные считали, что химический состав воздуха должен изменяться с высотой; предполагалось, что самый тяжёлый газ воздуха — кислород — должен убывать с высотой быстрее всего, более лёгкий — азот — несколько медленнее, а содержание водорода, который у поверхности Земли имеется в виде ничтожной примеси, должно непрерывно возрастать. Сейчас окончательно доказано, что состав воздуха практически не меняется с высотой.
Лишь в слабой степени выше 20–30 км намечается относительное уменьшение кислорода сравнительно с азотом и заметное убывание тяжёлых газов — аргона и углекислоты.
6. КАК ИЗУЧАЕТСЯ АТМОСФЕРА БЕЗ ПОДЪЁМА ПРИБОРОВ В ВОЗДУХ?
Наибольшая высота, на которой побывал человек — 22 километра. Ракеты достигали высоты 400 километров. Но и это не удовлетворило учёных.
Наука имеет в своём распоряжении средства, позволяющие составить представление о слоях атмосферы, ещё не достигнутых ни человеком, ни его приборами. В эти слои человек посылает звук, радиоволны. Используются и сведения, которые приносят на Землю световые лучи. Все эти косвенные методы изучения атмосферы пополняют наши знания и о низших слоях атмосферы. Рассмотрим их подробнее.
Звук. 9 мая 1920 года на Ходынском поле в Москве были взорваны артиллерийские склады. Взрыв был слышен в радиусе 55 км. Далее, в кольце шириной около 100 километров, простиралась «зона молчания», где взрыва совсем не было слышно. А на ещё большем расстоянии от Москвы взрыв снова был отчётливо слышен (рис. 16).
Рис. 16. Зоны слышимости взрыва, который был произведён 9 мая 1920 года в Москве.
Профессор В. И. Виткевич заинтересовался странным поведением звука и предположил, что такая слышимость взрыва объясняется наличием в атмосфере слоёв, отражающих звук.
Звук в однородной среде с постоянной температурой распространяется прямолинейно. Но если звук встречает на своём пути среду с иной температурой, он изменяет своё направление. При этом, если звук переходит в слой более тёплого воздуха, то угол между направлением его движения и границей слоя уменьшается, а если звук переходит в более холодный слой, то угол возрастает. Таким образом звук, идущий вверх, может возвратиться на Землю только в том случае, если в атмосфере есть слой воздуха с повышенной температурой. Это ясно видно из рисунка 17.
Рис. 17. Направление распространения звуковых волн, когда на их пути встречается слой более холодного (а) или более тёплого (б) воздуха.
Слой воздуха с пониженной температурой отклоняет звуковой луч вверх (рис. 17, а), а слой с повышенной температурой отбрасывает его обратно к земле (луч А на рис. 17, б). На Землю возвращаются не все звуковые волны. Те из них, которые идут ближе к вертикальному направлению (луч В), отклоняются от своего направления, но на Землю не возвращаются. Они проходят сквозь этот слой и затухают в атмосфере. Отражённые волны возвращаются на Землю, но уже на значительном расстоянии от источника звука (см. рис. 17, б). Этим и объясняется возникновение зон молчания.
Произведя ряд взрывов в целях исследования и замерив время распространения звука от его источника до зоны повторной слышимости, учёные нашли, что звук отражается от слоя атмосферы, расположенного на высоте 40–50 километров.
Отражающая способность слоя воздуха зависит от его температуры. Чем более высокую температуру имеет слой воздуха, тем больше его отражающая способность и тем меньше расстояние между зонами слышимости. Поэтому, изучая расположение зон молчания и слышимости, учёные определили и температуру этого слоя воздуха. Она оказалась равной 50–70° выше нуля. Звук сыграл здесь роль термометра.
Наличие отражающего слоя с повышенной температурой было подтверждено через 30 лет, когда применение ракет позволило непосредственно замерить температуру на этих высотах. Чем объяснить повышение температуры в этом слое атмосферы?
Сейчас установлено, что в слое воздуха от 20 до 50 километров имеется повышенное содержание озона. Молекулы озона состоят из тех же атомов, что и молекулы кислорода, только в каждой молекуле кислорода содержится два атома, а в молекуле озона — три. Кислород воздуха может превращаться в озон под действием лучей Солнца или при электрических разрядах во время грозы. В отличие от кислорода и азота, озон способен поглощать значительную часть солнечного излучения. Благодаря этому слой воздуха от 35 до 60 километров имеет повышенную температуру. Особенно резко возрастает температура на высоте около 40 километров.
Радиоволны. Установлено, что короткие радиоволны способны передаваться на огромные расстояния при сравнительно небольшой мощности радиопередатчика. Исследование этого явления показало, что радиоволны, особенно короткие, отражаются от какого-то слоя в атмосфере. Благодаря многократному отражению, они огибают земной шар, проходя огромные расстояния.
Характерной особенностью отражающего радиоволны слоя является наличие в нём большого количества ионов. Поэтому этот слой атмосферы назвали ионосферой.
«Ион» — греческое слово, означающее «блуждающий», «идущий». В физике ионами называют мельчайшие частицы вещества — атомы или группы атомов, имеющие электрический заряд.
Ионы имеются во всех слоях атмосферы. Они образуются из молекул газов, составляющих воздух, в результате воздействия на них лучей Солнца и космических лучей, которые представляют собой поток быстрых частиц, летящих из мирового пространства. При большой плотности воздуха ионы долго существовать не могут, они теряют свои заряды при столкновениях друг с другом. Иначе обстоит дело в высоких слоях атмосферы. Вследствие малой плотности газа в ионосфере столкновения между частицами газов происходят крайне редко, ионы существуют здесь длительное время.
Нижняя граница ионосферы имеет высоту 80—100 километров. Верхняя граница ионосферы расположена на высоте 500—1000 километров.
В последнее время радиоволны стали использовать для определения изменения погоды, пользуясь методами радиолокации: излучаемая антенной радиолокатора энергия узким пучком направляется под углом к поверхности Земли.
Если этот пучок встретит на своём пути полосу дождя, грозу, зону шторма или тайфуна, он от них отразится и возвратится к радиолокатору; таким путём можно определить их местоположение, а также направление и скорость передвижения.
Метеоры. В мировом пространстве находится огромное количество песчинок и камней, которые называются метеорными телами. Эти тела могут иметь самую разнообразную массу — от долей грамма до десятков тонн.
Иногда метеорные тела попадают в земную атмосферу. Они летят со скоростью в десятки километров в секунду. При такой огромной скорости движения впереди летящего тела происходит сильное сжатие и нагревание воздуха — перед ним образуется «подушка» раскалённого светящегося газа. От движения в воздухе нагревается и само метеорное тело. Оно тоже начинает светиться, образуя явление метеора. Большинство метеорных тел сгорает в воздухе, и только некоторые из них падают на поверхность Земли.
Высоты «возгорания» и «потухания» метеоров можно определить, если наблюдать за ними из двух пунктов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Метеоры становятся видимыми на высоте от 150 до 80 километров и обычно полностью сгорают на высоте от 60 до 30 километров.
Из наблюдений за метеорами учёные черпают много сведений о земной атмосфере. Ещё раньше, чем стали возможны ракетные полёты на большие высоты, эти наблюдения позволили собрать сведения о плотности и температуре воздуха на высотах от 30 до 150 километров.
Особенно ценный материал был получен о направлении ветра на этих высотах. Если метеор появляется ночью, в воздухе на непродолжительное время остаётся след в виде светящейся линии. Метеоры, появляющиеся днём, оставляют иногда след, похожий на струйку дыма. Эти следы состоят из ионизированного воздуха или из мельчайших пылинок, отделившихся от метеорного тела.
Наблюдения за перемещением этих следов показали, что на высотах 30–80 километров дуют преимущественно восточные, а выше — западные ветры. Скорость ветра велика и возрастает с увеличением высоты. Однако, если бы на эти высоты можно было поместить дощечку флюгера, которая указывает силу ветра, она бы не шелохнулась, так как на этих высотах плотность воздуха слишком мала. Например, на высоте 80 километров плотность воздуха примерно в 26 000 раз меньше, чем у поверхности Земли.
Облака. Облака, которые мы обычно наблюдаем, представляют собой скопления мелких капелек или ледяных кристалликов. Они располагаются в тропосфере и имеют самую разнообразную форму.
Есть облака и на значительно больших высотах. Иногда на высоте 22–30 километров можно видеть так называемые перламутровые облака. Богатство цветов перламутровых облаков позволило учёным сделать предположение, что и эти облака состоят из кристалликов льда. Перламутровые облака наиболее часто наблюдаются в Норвегии. Они образуются при сильных западных ветрах, когда воздушные массы обтекают Скандинавские горы и отбрасываются вверх. Восходящие потоки воздуха достигают высоты 22–30 километров. Низкая температура заставляет содержащиеся в поднимающемся воздухе водяные пары превращаться в лёд.
Но и перламутровые облака, оказывается, не самые высокие. В 1885 году профессор В. К. Цесаркий в Москве наблюдал серебристые, или светящиеся облака. Это яркие, тонкие, быстро перемещающиеся облака. Они располагаются на высоте примерно 80 километров и перемещаются со скоростью около 100 метров в секунду. Эти облака бывают видны летней ночью на тёмном фоне неба.
Сначала учёные предполагали, что серебристые облака состоят из пепла, выбрасываемого вулканами. Однако более тщательные наблюдения показали, что эти облака появляются почти каждый год и подолгу не исчезают с неба, независимо от того, произошло ли перед этим извержение какого-либо вулкана или нет. Поэтому было высказано предположение, что и серебристые облака состоят из воды. Возможно, что в них содержится и пыль.
Наблюдения за облаками помогают учёным получить сведения о наличии влажности в воздухе отдельных слоёв атмосферы, а также о направлении и скорости ветра.
Полярные сияния. Полярные сияния — величественное явление, наблюдаемое в полярных районах Земли. Иногда полярные сияния имеют вид параллельных дуг жёлто-зелёного цвета или светло-голубых полос, разделённых тёмными промежутками. Иногда на ночном небе вспыхивают пучки ярких дрожащих лучей, которые соединяются в корону, и тогда небо превращается в огромный светящийся купол, по которому катятся разноцветные волны. Чаще можно видеть, как по небу развёртывается складчатое полотнище, беспрерывно колеблющееся.
Впервые природу полярного сияния попытался объяснить М. В. Ломоносов. Он предположил, что это явление вызывается электрическими разрядами, происходящими в высоких слоях атмосферы. Своё предположение Ломоносов основывал на им же проведённых опытах: если из стеклянного шара выкачать воздух и пропустить через разреженное пространство электрический ток, то «…електрическая сила в шаре… внезапные лучи испускает, которые во мгновение ока исчезают, и в то же почти время новые на их местах выскакивают, так что беспрерывное блистание быть кажется». Ломоносов решил, что подобные явления наблюдаются в атмосфере во время полярного сияния.
Гениальная догадка Ломоносова в основном подтвердилась. Теперь достоверно известно, что полярное сияние представляет собой свечение разреженного ионизированного воздуха в слоях атмосферы на высоте от 80 до 1000 километров.
Полярные сияния доказывают, что воздух есть и на высоте 1000 километров. Они помогли учёным определить и состав атмосферы на больших высотах. Здесь на помощь пришёл спектральный анализ т. е. определение состава вещества по его спектру.
Белый солнечный свет состоит из разноцветных лучей. Если его пропустить через стеклянную призму, то белый свет распадётся на множество составляющих его цветных лучей, начиная с фиолетового и кончая красным. Эта разноцветная полоска и называется спектром. Спектр получается потому, что цветные лучи, составляющие белый свет, отклоняются призмой от первоначального направления или, как говорят, преломляются по-разному.
Если в спектре цвета непрерывно переходят один в другой, то такой спектр называется сплошным. Сплошной спектр дают раскалённые тела в твёрдом и жидком состояниях, а также газы при большом давлении.
Иначе выглядит спектр раскалённых паров и газов. Этот спектр состоит из цветных линий, разделённых тёмными полосами. Поэтому он называется линейчатым. Каждое химическое вещество имеет свой, характерный только для него спектр. По виду спектра можно заключить, какое вещество излучает свет.
Световой луч несёт сведения не только об излучающем веществе. Если луч проходит через охлаждённый пар или газ, то в сплошном спектре появляются тёмные линии — полосы поглощения. По этим полосам можно определить состав пара или газа, находящегося на пути света.
Учёные использовали спектральный анализ для исследования состава высоких слоёв атмосферы. Изучение спектров полярных сияний показало, что до высоты 1000 километров состав воздуха почти не изменяется, но азот и кислород находятся на больших высотах не в виде молекул, а в виде атомов.
Сумерки и ночное небо. После захода Солнца лучи его ещё долго освещают земную атмосферу, так как воздух рассеивает их. Это рассеяние и является причиной сумерек.
По продолжительности сумерек можно установить высоту рассеивающего слоя. Сумерки исчезают, когда солнечные лучи попадают в слои воздуха, расположенные выше 200 километров. В этих слоях воздух настолько разрежен, что отражённый им свет становится незаметным. Изучение сумеречного света с помощью спектрального анализа позволило узнать и состав этого слоя.
Ещё более интересные результаты были получены при изучении ночного неба.
После того, как исчезнет последний свет сумерек, на небе можно иногда заметить свечение. Это свечение наблюдается в южных районах (у нас, например, вблизи г. Алма-Ата) весной и осенью в форме светлого конуса, наклонённого к горизонту. Оно появляется потому, что между Землёй и Солнцем, в плоскости орбиты Земли, имеются облака космической пыли, которые рассеивают солнечные лучи и отбрасывают их на поверхность Земли.
В последние годы советский астроном академик В. Г. Фесенков и его сотрудники заметили, что свечение ночного неба можно наблюдать и летом около 21 июня (летнее солнцестояние). С помощью спектрального анализа было доказано, что это свечение обусловлено атомами кислорода и азота. Появление такого свечения в определённые периоды времени говорило о том, что оно вызывается верхними слоями атмосферы, а не случайными облаками пыли, блуждающими в мировом пространстве. Наблюдения за этим свечением позволили заключить, что атмосфера не имеет правильной шарообразной формы. Она вытянута, главным образом, в плоскости вращения Земли вокруг Солнца. При этом растекание внешних слоёв атмосферы в плоскости земной орбиты происходит более интенсивно в направлении, противоположном Солнцу. С этой стороны верхняя часть атмосферы имеет форму газового рукава.
Спектральный анализ свечения ночного неба привёл учёных к выводу, что и в самых верхних слоях, и даже в газовом рукаве, атмосфера Земли имеет всё тот же азотнокислородный состав. Снизу атмосфера резко ограничена земной поверхностью, сверху такой границы нет — атмосфера постепенно переходит в безвоздушное межпланетное пространство.
Переходная зона называется зоной рассеяния. В этой зоне атмосфера настолько разрежена, что газовая частица может пролететь сотни километров, не встретив на своём пути другой частицы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Что же узнали мы об атмосфере?
По современным представлениям земная атмосфера подразделяется на 4 зоны: тропосферу, стратосферу, ионосферу и сферу рассеяния (рис. 18).
Рис. 18. Атмосфера Земли.
Эти зоны не имеют чётких границ, высота их изменяется в зависимости от времени года и суток. Тропосфера в средних широтах имеет среднегодовую высоту 11 километров, на полюсе — 9 километров, на экваторе—18 километров.
Над тропосферой располагается стратосфера. Её верхняя граница находится на высоте 80—100 километров. Для непосредственного исследования доступна только нижняя часть стратосферы. Зато приборы, посланные в ракете, могут подняться в любую точку стратосферы.
Выше стратосферы располагается ионосфера. Верхняя граница её находится на высоте 500—1000 километров. Ракеты с приборами стали достигать нижней границы ионосферы только несколько лет назад.
Для изучения ионосферы широко используются также наблюдения за распространением радиоволн и изучение сумерек. Особо важную роль в изучении ионосферы играют полярные сияния, наблюдаемые по всей высоте этой зоны. Ещё выше находится зона рассеяния. О ней можно судить пока только по свечению ночного неба.
Изучение земной атмосферы ведётся уже давно. Особенный интерес к ней появился с развитием воздушных сообщений. Эти два больших вопроса — изучение атмосферы и овладение воздушными путями — тесно переплетаются. Исследователи атмосферы помогают наилучшим образом проложить воздушные пути; летательные аппараты, поднимая в воздух исследователей и приборы, помогают получать всё новые сведения об атмосфере.
Для совершенствования Службы погоды, развития воздушных сообщений и радиосвязи необходимо пополнять и уточнять наши сведения об атмосфере.
Чтобы оценить перспективы развития этой области техники, проследим, как изменялись с течением времени высоты, достигнутые аэростатом, самолётом и ракетой с жидкостно-реактивным двигателем.
Аэростат, который существует уже более 200 лет, достиг высоты 22 километров. Самолёт, со дня первого полёта которого прошло около 70 лет, достиг высоты 18 километров.
В 1929 году первая жидкостная ракета достигла всего 300 метров высоты. В 1935 году ракета инженера М. К. Тихонравова поднялась на высоту 10 километров. К 1944 году ракеты уже достигли высоты 100 километров, в 1947 году — 187 километров. Составная ракета, запущенная в 1949 году, поднялась на 400 километров.
Наша Родина занимает ведущее место в области исследования и завоевания атмосферы. Всестороннее созидательное творчество русского народа, его ясный ум и умение дерзать позволили ему первому решить много важнейших задач в науке об атмосфере.
Самолёт Можайского и стратостат Менделеева, ракета Циолковского и радиозонд Молчанова — всё это изобретения, позволившие человеку активно изучать и осваивать воздушный океан. Ломоносов и Менделеев, Захаров и Рыкачёв, Поморцев и Кузнецов заложили основы метеорологии, а советские учёные, всё глубже изучая процессы, происходящие в атмосфере, продолжают штурмовать небо — разрабатывают надёжные способы составления прогнозов погоды, исследуют способы воздействия на неё в интересах народного хозяйства.
Примечания
1
Теодолит — оптический прибор, определяющий горизонтальный и вертикальный углы.
(обратно)2
Кибальчич Н. И. — революционер, «первомартовец», участник убийства Александра II. Повешен в 1881 г. Находясь в заключении в крепости, он предложил «проект воздухоплавательного прибора», основанного на реактивном принципе.
(обратно)3
Дирижабль — управляемый аэростат с двигателем, перемещающим его в воздухе в нужном направлении.
(обратно)
Комментарии к книге «Штурм неба», Виктор Константинович Щукин
Всего 0 комментариев