Радиус действия - Солнечная система

Над материками и океанами

Над материками и океанами

ПИГАП. - Тропический и Барбадосский эксперименты. - Двадцать пять кругосветных путешествий воздушного шара. - "Эол". - Метеорологический полигон в штате Миссури. - Атмосфера в опасности! - Аэростаты-океанологи

В конце шестидесятых годов Всемирная метеорологическая организация разработала Программу исследований глобальных атмосферных процессов (ПИГАП), в реализации которой принимают участие ученые многих стран мира.

В этих исследованиях используются разветвленная сеть наземных метеорологических станций, самолеты, научно-исследовательские суда и автоматические буйковые метеостанции, Кроме того, намечено запустить пять искусственных спутников, синхронизированных с суточным вращением Земли, для наблюдений за облачностью в соответствующих районах планеты и дистанционного зондирования атмосферы в инфракрасных лучах для построения профилей температуры и влажности. Два спутника будут выведены на полярные орбиты для зондирования атмосферы в микроволновой и инфракрасной частях спектра и фотографирования облачного покрова. Задачей спутников является также "опрашивание" дрейфующих шаров-зондов, начиненных аппаратурой для метеорологических наблюдений. По проекту ПИГАП предполагается запустить несколько тысяч (!) автоматических аэростатов, которые будут дрейфовать на заданных высотах, фиксируя давление, температуру, влажность и скорость перемещения воздушных масс.

В июне 1969 года в Женеве Исполнительный комитет Всемирной метеорологической организации одобрил программу Первого тропического эксперимента (ТРОПЭКСа) - одной из начальных стадий проекта ПИГАП. Ученые надеются, что этот эксперимент даст ответ на многие, еще не вполне ясные вопросы тропической метеорологии. Взаимодействие масс воды и атмосферы в экваториальных водах Атлантического, Тихого и Индийского океанов, структура пограничного с океаном слоя атмосферы в экваториальной зоне, зарождение, развитие и перемещение тропических циклонов - вот только некоторые из этих вопросов. Поскольку зона ТРОПЭКСа известна как одна из самых активных "кухонь" тайфунов, то, считают ученые, можно ожидать большого прогресса в анализе причин зарождения циклонов и их развития.

"Тропический эксперимент, в частности, поможет нам выяснить, каким путем конвективные движения, вызывающие образование кучевых облаков, взаимодействуют с окружающими макромасштабными процессами. По всей вероятности, эти исследования окажутся интересны не только по отношению к тропикам. Но тропическая конвекция действительно отличается особой интенсивностью. Главной целью эксперимента является изучение внутренней структуры облачных скоплений, исследование факторов, определяющих их размеры, форму и продолжительность существования, изучение характера взаимодействия этих мезомасштабных явлений с явлениями синоптического масштаба", - излагал программу ТРОПЭКСа В. А. Бугаев, бывший в то время директором Гидрометцентра СССР.

Тропический эксперимент проводился в июле - октябре 1974 года. Только в его "небесных маневрах", помимо спутника, вращение которого синхронизировано с вращением Земли, и специально оборудованных самолетов, участвовало до 600 автоматических аэростатов, плававших в атмосфере на разных уровнях, а также привязные аэростаты, поднимавшиеся на высоту до 1500 метров.

Своеобразной репетицией ТРОПЭКСа явился Барбадосский океанографический и метеорологический эксперимент, проведенный американскими специалистами. В США разработана обширная национальная программа исследований взаимодействия гидросферы и атмосферы, и Барбадосский эксперимент - одна из частей ее.

Исследования, продолжавшиеся с мая по август 1968 года, охватили район площадью 90000 квадратных миль в Атлантическом океане, вблизи Барбадоса. При этом были использованы несколько искусственных спутников Земли, два десятка самолетов, эскадра научно-исследовательских судов и целая сеть океанографических автоматически действующих буев. За это время с борта кораблей и с наземной станции на Барбадосе было запущено в верхние слои атмосферы 2400 воздушных шаров!..

Вся полученная информация, в том числе сведения с борта аэростатов, передавалась в Экспериментальный центр НАСА в Миссисипи. Уже предварительный их анализ показал: получены интереснейшие, подчас неожиданные результаты.

Так, выбирая место для проведения Барбадосского эксперимента, его организаторы заявили, что они надеются найти здесь "идеальную" атмосферу, не загрязненную никакими твердыми частицами, переносимыми по воздуху. Но, к удивлению наблюдателей, в воздухе на высоте до пяти километров над уровнем моря была обнаружена пыль, занесенная сюда с африканского материка, за несколько тысяч миль... Любопытны результаты наблюдений за видимым излучением на различных высотах. Оказалось, что в тропическом поясе в зоне облачности поглощается в два раза больше солнечных лучей, чем считалось раньше...

Летом 1972 года подобные же исследования в тропической зоне Атлантики провели советские ученые. В экспедиции приняли участие научно-исследовательские суда "Профессор Зубов", "Профессор Визе", "Академик Курчатов" и другие.

"Чем же вызвана необходимость эксперимента? Тропическая зона Атлантики, с точки зрения метеорологии, изучена крайне слабо. Между тем влияние ее на погоду планеты, на атмосферу северного полушария огромно. Надеемся, что работа экспедиции внесет вклад в совершенствование методики долгосрочных прогнозов погоды. Собран очень ценный материал. Важно отметить, что высота зондирования атмосферы превышает 30 километров", - говорит Председатель советской комиссии международной Программы исследований глобальных атмосферных процессов Е. И. Толстиков.

Первый этап этого эксперимента получил название "синхронный меридиональный разрез". Суда, стартовав с 13-й параллели, устремились к югу, каждое по своим меридианам, ведя непрерывные исследования атмосферы и океана.

Название второго этапа - "мезометеорологический полигон". Он предусматривал запуск радиозондов, изучение пограничного слоя атмосферы и океана, гидрофизические наблюдения - за скоростью и направлением течений, соленостью, цветом воды и т. д. Океанографические исследования вели не только корабли, но и автоматические буйковые станции. Систематически принималась информация со спутников. Все данные обрабатывались на корабельных электронных вычислительных машинах. Для изучения приводного слоя атмосферы на одном из судов был поднят привязной аэростат, а заодно проверялись возможности маневра судна с поднятым аэростатом.

В течение нескольких лет в южном полушарии по программе ПИГАП проводится эксперимент Техника глобального горизонтального зондирования атмосферы с использованием воздушных шаров. Дрейфующие метеостанции запускались в Новой Каледонии, Новой Зеландии и на антарктическом материке. Путешествие по течению воздушного океана совершили несколько сотен пластиковых двухслойных аэростатов диаметром от одиннадцати метров, наполняемых газом под избыточным давлением. Одни шары запускались на высоту 6, другие - 12, третьи - 16, а четвертые - 24 километров. Максимальная высота подъема составляла 31 километр. Независимо от нагревания оболочек днем и остывания их ночью высота дрейфа аэростатов автоматически поддерживалась на заданном уровне.

Как показал опыт, аэростаты, запущенные на высоту 6 километров, живут всего несколько дней. Попадая в облачность, они, несмотря на принятые защитные меры, покрываются ледяной коркой и падают.

Куда счастливее судьба воздушных шаров, поднявшихся на 12 километров и выше. Так как здесь облачности практически нет, угроза обледенения сведена к минимуму. И шары летают по целым месяцам, нередко совершая не одно кругосветное путешествие. Проследим судьбу лишь четырех аэростатов, запущенных в высоких широтах по проекту Техника глобального горизонтального зондирования атмосферы. Два из них так и остались в высоких и пограничных с ними широтах. Третий проследовал к экватору. Интересную "экскурсию" совершил четвертый: покинув полярную область, он направился в теплые края, но затем повернул обратно и закончил путешествие в 400 километрах от Южного полюса.

Еще дольше живут аэростаты, запущенные на высоту 15 километров. Так, в течение целого года кружил в атмосфере метеорологический шар, запущенный американскими аэрологами 29 сентября 1967 года в Крайстчерче (Новая Зеландия). За это время аэростат, дрейфуя на высоте 16 километров, совершил двадцать пять кругосветных путешествий!

Несмотря на обильную и чрезвычайно важную информацию, поступающую с метеорологических спутников, метеорологи по-прежнему не могут получить достаточно полного представления о ветрах, дующих в стратосфере, установить пути перемещения воздушных масс. Армаду из 480 метеорологических шаров для изучения воздушных потоков наметили запустить в стратосферу южного полушария французские ученые из Национального центра космических исследований. Станции запуска аэростатов устроены в Аргентине на 34, 36 и 50° южной широты. Научная информация с шаров с помощью специального спутника, совершающего облет Земли по круговой орбите высотой 900 километров (с периодом обращения 100 минут), ретранслируется на шесть наземных станций, расположенных в Южной Америке, на Канарских островах, в Африке и во Франции, вблизи Парижа. Каждый из аэростатов снабжен приемоответчиком, который имеет свой сигнал запроса. Запрос производится либо непосредственно со спутника, либо по команде с наземной станции через спутник. При посылке сигнала запроса аэростаты передают данные об окружающей температуре, давлении, влажности, а также избыточном или, как говорят воздухоплаватели и аэрологи, сверхдавлении на оболочку шара, о расстоянии между аэростатом и спутником. Французские ученые назвали этот проект "Эол" - по имени греческого бога ветров.

Аэростаты запускаются на высоту от 14 до 20 километров. В случае, если воздушный шар столкнется с самолетом, его контейнер с аппаратурой мгновенно рассыплется на мелкие части - это специально предусмотрено конструкторами во избежание возможной катастрофы. Почти 75 тысяч километров - два кругосветных путешествия - проделал над просторами Центральной Австралии, южной частью Южной Америки и Южной Африки на высоте 24 километра огромный управляемый по радио аэростат диаметром 19 метров, запущенный американскими исследователями по проекту "Бумеранг-1". Воздушный шар стартовал в январе 1973 года с австралийского аэропорта Оки. В марте, спустя 36 суток после начала полета, по команде с земли дрейф был прекращен, и контейнер с научной аппаратурой опустился на парашюте.

В последнее время усилия ученых направлены на то, чтобы обеспечить постоянство высоты полета воздушных шаров, запущенных в верхние слои атмосферы, независимо от метеорологической обстановки. На высотах от 5500-6000 до 11000-11500 метров существует, например, как уже говорилось, постоянная угроза их обледенения.

Несколько лет назад Национальным центром метеорологических исследований США в Колорадо был предложен оригинальный метод, обеспечивающий автоматическое регулирование высоты полета воздушного шара. Запускаемые шары по существу состоят из двух баллонов: меньший наполнен гелием (без создания внутреннего избыточного давления) и помещен в оболочку больших размеров, содержащую воздух под некоторым избыточным давлением. Наружный шар оснащен специальным клапаном и насосом, а также чувствительным устройством, определяющим степень влажности окружающего воздуха. Когда влажность увеличивается сверх допустимой нормы, бортовой чувствительный элемент подает команду включить клапан - клапан открывается, выпуская часть балласта (воздуха). Вес шара при этом уменьшается, и он поднимается на такую высоту, где обледенение уже не страшно. Когда же влажность окружающего воздуха вновь уменьшается, перепускной клапан закрывается и включается бортовой насос...

Воздушные шары новой конструкции, предназначенные для проведения исследования на высоте порядка 5500-6000 метров, живут от трех месяцев до одного года. Теоретический срок службы шаров, предназначенных для исследований на высотах до 25000 метров, несколько лет...

Воздух, окружающий нас на поверхности Земли, кажется прозрачным из-за несовершенства нашего зрения. Но стоит сравнить его с действительно чистым, разреженным воздухом на больших высотах, над зоной облаков, как убеждаешься, по выражению одного американского аэронавта, что воздух у поверхности земли похож на густой гороховый суп.

Воздух у поверхности Земли - это своего рода отстой атмосферы, причем нижние слои особенно уплотнены. Кроме газов, из которых состоит воздух, в нижних слоях скапливаются водяные пары, пыль с частицами солей и минералов, твердые частицы дыма, споры растений. Грозную опасность представляет накапливание в атмосфере различных ядовитых аэрозолей. Если количество их и впредь будет увеличиваться такими темпами, как сейчас, то это может привести к катастрофическим последствиям. Например, в 1952 году в Лондоне из-за ядовитого смога в течение нескольких дней умерло 4000 жителей.

Но воздух загрязняют не только наземные предприятия. Даже изменение количества водяного пара может вызвать местное изменение климата. Реверсионные следы реактивных самолетов, выбрасывающих в разреженные верхние слои атмосферы углекислый газ, водяные пары и различные мелкие твердые частички, приводят к образованию высоких перистых облаков, которые уже увеличили облачный покров между Северной Америкой и Европой на пять-десять процентов. Опасность, связанная с образованием искусственных облаков, в значительной мере возрастет, когда начнется массовая эксплуатация сверхзвуковых пассажирских самолетов.

В шестидесятых годах в Морской научно-исследовательской лаборатории в Вашингтоне с помощью электронных счетных машин провели анализ данных, полученных с аэростатов, посланных в высокие слои атмосферы. Оказалось, что за шесть лет, пока продолжались запуски по намеченной программе, содержание влаги в стратосфере заметно возросло: в начале запусков в стратосфере в среднем содержалось две части воды на миллион частей воздуха, а под конец этого ответственного и интересного эксперимента - уже три части на миллион.

Облака покрывают земной шар примерно на одну треть. По мнению ряда видных специалистов, увеличение облачного покрова на малых высотах всего на пять процентов может вызвать понижение температуры поверхности Земли настолько, что возникнет угроза нового мощного наступления ледников... Пока природные процессы очищения атмосферы действуют все еще достаточно эффективно. Однако оказанное еще не означает, что возможность наступления необратимых, нежелательных для человека изменений исключена. Человечество должно осознать это и уберечь земную атмосферу от загрязнения.

Защита биосферы, и в том числе воздушной среды, от загрязнения - проблема планетарного значения. Чтобы наиболее эффективно решить ее, мировая наука нуждается в теоретической разработке многих вопросов. Ныне в развитых странах, в разных ландшафтных и климатических условиях, действуют научные центры, занятые исследованием закономерностей рассеивания промышленных выбросов в атмосферу. Ученые моделируют процессы атмосферной диффузии, причем теоретические обобщения подкрепляются конкретными рекомендациями по защите окружающей среды от загрязнения.

Несколько лет назад Национальный совет атмосферных исследований США принял решение превратить город Сент-Луис и его окрестности в штате Миссури в своеобразный метеорологический полигон. В 1971 году здесь начались комплексные исследования. Цель их - всестороннее изучение влияния, которое оказывает на атмосферу современный индустриальный центр. Этот эксперимент будет продолжаться в течение нескольких лет. И снова выходят в дозорную службу испытанные помощники ученых - аэростаты.

Серию запусков беспилотных аэростатов, несущих на борту инфракрасный сканирующий спектрометр, осуществил в 1969 году Денверский университет в штате Колорадо. Эксперименты проводились под руководством доктора Дэвида Меркрея. В четырех запусках приборы зарегистрировали в стратосфере на высоте от 20 до 30 километров наличие... азотной кислоты.

Примерно в то же время по инициативе НАСА отправилась в плаванье эскадра гигантских непилотируемых баллонов, стартовавших в аэропорте Доуаджиак в штате Мичиган. Первый шар-зонд диаметром 70 метров, наполненный гелием, нес аппаратуру для анализа газового состава атмосферы. Среди приборов были и два корреляционных спектрометра, обладающих способностью измерять содержание в воздухе двуокиси серы и двуокиси азота - это одни из главнейших компонентов промышленных выбросов, загрязняющих атмосферу.

Почему мы так подробно говорим об этом? Дело в том, что, по мнению ученых, подобные дистанционные измерения газового состава атмосферы с использованием аэростатов исключительно эффективны. Баллон, о котором идет речь, во время своего полета на высоте около 35 километров произвел химическую "съемку" атмосферы в зоне шириной 16 и протяженностью во многие сотни километров.

Специальную программу исследований по предотвращению опасного загрязнения верхних слоев атмосферы выхлопами сверхзвуковых самолетов разработали австралийские метеорологи. В Советском Союзе подобные исследования осуществляет Главная геофизическая обсерватория Гидрометслужбы СССР. В распоряжение научных сотрудников предоставлены новейшие технические средства - самолеты, вертолеты, телескопические мачты, актинометрические установки и, конечно, аэростаты.

В августе 1969 года на ракетодроме НАСА "Уоллопс-Айленд" в штате Виргиния начались запуски шаров-зондов для наблюдения за морскими течениями, приливами и отливами и осадкообразованием вдоль берегов восточной части Чесапикского залива. Аэростаты, имевшие диаметр около 55 метров, снабжались специальной фотографической аппаратурой, которая позволяет отчетливо фиксировать перенос осадков вдоль берегов и определять влияние приливов на осадкообразование в море. Они оказались надежными помощниками и при исследовании медленно развивающихся турбулентных процессов в толще морских вод.

Полеты воздушных шаров проходили на высоте до 30 километров. Отснятая пленка автоматически сбрасывалась на парашютах. На трехкилометровой высоте кассета подхватывалась самолетом, специально оборудованным для этой цели.

Аэростаты могут быть использованы и при изучении потока тепла, излучаемого в атмосферу от поверхности морей, озер и больших рек: на определенной высоте с помощью бортовой инфракрасной радиометрической аппаратуры производятся измерения температуры водной поверхности.

Оригинальный эксперимент провели сотрудники одной из морских лабораторий в Калифорнии, попользовав переоборудованный под аэростатоносец корабль и воздушный шар - монгольфьер диаметром 15 метров с синтетической оболочкой из дакрона. В гондоле шара, буксируемого вслед за кораблем на нейлоновом тросе, одновременно находились два биолога. Целью этого опыта было наблюдение за тихоокеанскими стаями тунцами. Подготовка к полету занимала немного времени. Баллон заполнялся с помощью 0,25-сильного электродвигателя. Для подогрева воздуха служила пропановая горелка. По окончании наблюдений включалась гидравлическая лебедка, и шар опускался на палубу корабля.

Изучение миграции морских черепах с помощью миниатюрных аэростатов, снабженных радиопередатчиками. Эксперимент осуществляется американским ученым Арчи Карром

"Тандем" корабль-аэростат действовал безупречно. Шар поднимали и с наблюдателями - на высоту 150-200 метров, и с одними только приборами. Во всех случаях аэростат имел отличную устойчивость и хорошую вертикальную маневренность. Биологи высказали конструкторам пожелание создать в дальнейшем аэростат, который позволил бы кораблю идти, не снижая скорости, а сам аэростат оборудовать устройством для дистанционного управления и телепередатчиком, который заменит наблюдателя.

Очевидно, аэростаты, способные по многу дней дрейфовать над океаном, окажутся полезными и в изучении распределения зоопланктона. Эти микроскопические животные не только служат пищей для многих обитателей Мирового океана, но в недалеком будущем станут объектом промысла специализированных флотилий.

А в промысловой разведке - и не только разведке, но и в перевозке добычи - большую помощь рыбакам в открытом океане могли бы оказать дирижабли.