Штурм неба

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.