Текст книги "Штурм неба (Как изучается атмосфера)"
Автор книги: Виктор Щукин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 3 страниц)
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]1
Теодолит – оптический прибор, определяющий горизонтальный и вертикальный углы.
[Закрыть]. 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.
