книги из ГПНТБ / Гайгеров С.С. Исследование синоптических процессов в высоких слоях атмосферы

В настоящее время из отдельных станций ракетного зондиро­ вания и региональных кустовых сетей постепенно создается гло­ бальная метеорологическая сеть ракетного зондирования. Ее плот­ ность близка к плотности радиозондовой аэрологической сети 30-х годов. Уже на первых шагах синоптического анализа ракетных данных оказалось, что по крайней мере в верхней стратосфере и нижней мезосфере имеют место крупномасштабные процессы, кото­ рые имеют много сходных черт с процессами в смежных слоях атмосферы, расположенных ниже. Это дает перспективу распро­ странения синоптических и гидродинамических методов прогноза на процессы в верхней стратосфере и мезосфере и постепенного подключения этих слоев атмосферы в общую систему прогнозов состояния атмосферы — среды, в которой развивается многооб­ разная, сложная деятельность человека.

Одновременно с развитием ракетных методов исследования атмосферы успешно ведутся поиски других, более дешевых и эф­ фективных методов глобального изучения высоких слоев атмо­ сферы. Одно из возможных решений проблемы — дистанционное зондирование атмосферы с искусственных спутников Земли путем спектральных измерений уходящего потока длинноволновой радиа­ ции. Другой путь — дистанционное зондирование с помощью луча оптических квантовых генераторов (лазеров). На основе совмест­ ного использования спутниковой и ракетной информации уже имеется опыт построения карт высоких уровней.

Настоящая книга представляет некоторые итоги исследования крупномасштабной структуры и синоптических процессов в высо­ ких слоях атмосферы по ракетным данным, в том числе обобщение

зондирования, которые являются определяющими в любом синоп- тико-аэрологическом исследовании, построенном на эмпирических данных.

Автор выражает благодарность коллективу Центральной аэро­ логической обсерватории за помощь в создании этой работы, и прежде всего сотрудникам Э. Д . Жоровой, Б. П. Зайчикову, Г. Р. Захарову, М. Я- Калихману, Л. М. Коломийцевой, Ю. П. Кошелькову, В. Е. Седову, Д. А. Тарасенко, В. В. Федорову. Особую благодарность автор выражает акад. УзССР В. А. Бугаеву и проф. И. В. Ханевской, сделавшим ряд полезных замечаний по содержанию и структуре книги.

В В Е Д Е Н И Е

1.РАЗВИТИЕ ЗОНДИРОВАНИЯ ВЫСОКИХ СЛОЕВ АТМОСФЕРЫ

СПОМОЩЬЮ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ РАКЕТ

Основы теории и практики ракетной техники были разрабо­ таны К. Э. Циолковским в конце XIX в. и в начале XX в. .Ему принадлежат теория полета ракеты с учетом изменения массы в процессе движения, элементы теории и конструкции жидкостного реактивного двигателя, идея многоступенчатых ракет (ракетных поездов). К. Э. Циолковский предложил использовать ракеты для межпланетных сообщений, создания искусственного спутника Земли, для исследования высоких слоев атмосферы [225]. В 20— 30-х годах проявляется интерес к ракетной технике в ряде стран,

Еще в 1924 г. Ф. А. Цандер включил в план работ по ракетной технике, предложенный Московскому обществу любителей астро­ номии, исследование высоких слоев атмосферы с помощью ракет [124]. В 30-х годах было положено начало решению многих вопро­ сов ракетных исследований высоких слоев атмосферы. Первая ма­ лая ракета, предназначенная для метеорологических наблюдений (типа 06), была спроектирована в 1934 г. группой инженеров, ра­ ботавшей по ракетной технике при Осоавиахиме СССР. Первый пуск этой ракеты состоялся 11 апреля 1937 г. [116, 182]. В 1934 г. на Всесоюзной конференции по изучению стратосферы в докладах С. П. Королева [125], М. В. Мачинского и А. Н. Штерна [144, 234] обсуждались теоретические проблемы реактивного движения, во­ просы, связанные с конструкцией двигателей, проблемы топлива и т. д. В докладе М. К. Тихонравова «Применение ракетных лета­ тельных аппаратов для исследования стратосферы» [199] указыва­

метода ракетного зондирования, при котором «приборы покидают ракету в высшей точке взлета и спускаются отдельно на своем ларашюте» [199]. По-видимому, неслучайно подобная схема

зондирования, подсказанная еще в 30-е годы, была впервые при­ менена в советском методе ракетного зондирования 20 лет спустя.

Систематическое использование ракетной техники для исследо­ вания высоких слоев атмосферы получило развитие в СССР и за

Некоторые недостатки первых ракет были устранены в конст­ рукции ракеты «Викинг», в которой был предусмотрен отсек для научной аппаратуры и отделяющаяся головная часть. При мень­

Результаты измерения температуры на упомянутых выше боль­ ших ракетах методом акустического зондирования (ракетно-гра- натные эксперименты) позволили уточнить стандартную атмо­ сферу Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (НАСА), построенную на основании косвенных наблюдений, произведенных с Земли. Так, по ра­ кетным измерениям на высоте около 50 км на широте 30° темпера­ тура оказалась на 70—75° С ниже, чем было принято по старой стандартной атмосфере НАСА [8].

Ракетные исследования высоких слоев атмосферы в СССР на­ чались в 1947 г., когда коллективом научных работников под ру­ ководством С. Н. Вернова была запущена ракета для изучения космических лучей на больших высотах [22]. Эти исследования бы­ стро и успешно развивались в двух направлениях. Д л я первого направления характерно целевое изучение высоких слоев атмо­ сферы на мощных геофизических или исследовательских ракетах, поднимающихся на высоты более 100—150 км. В программу этих исследований входили измерения солнечного и космического излу­ чения, оптических характеристик атмосферы, изучение состава ат­ мосферного воздуха, его электрических и термодинамических характеристик, магнитного поля Земли. Второе направление со­ средоточивало усилия на изучении менее высоких слоев атмо­ сферы, преимущественно до высот 65—100 км, с помощью метео­ рологических ракет.

Еще в начале 50-х годов в СССР четко выделились эти два направления. Исследования с помощью метеорологических ракет проводились Центральной аэрологической обсерваторией [1, 230]. Была создана метеорологическая ракета (МР-1), которая позво-

К началу МГГ ракетные исследования велись уже в ряде стран. В 1956 г. были начаты ракетно-гранатные эксперименты на

мера были начаты акустические гранатные наблюдения, а также изучение структуры ветра с помощью английской ракеты «Скай-

Уайт-Сендс в 1957 г. были проведены также акустические ракетногранатные измерения ветра и температуры на о. Гуам с помощью ракет «Найке-Кеджун» и «Аэроби» [367]. Во Франции была со­ здана большая ракета «Вероника». При запуске этой ракеты в 1961 г. на полигоне в Алжире были произведены измерения дав­

Первые эпизодические наблюдения обнаружили преобладание крупномасштабных процессов в стратосфере и мезосфере. Поэтому для их изучения было необходимо организовать сеть ракетного зондирования по примеру радиозондовой сети, положив в основу синоптический принцип наблюдений.

Для создания метеорологической ракетной сети требовались небольшие и дешевые ракеты, а также упрощенная система на­ блюдения, позволяющая обходиться небольшим обслуживающим персоналом.

В создании и развитии сети метеорологического ракетного зон­ дирования можно отметить примерно те же стадии, какие прошла радиозондовая аэрологическая сеть в 30—40-х годах. Осуществля­ ется постепенный переход от разрозненных станций со случайными пусками к сравнительно регулярно действующей сети, предназна­ ченной для синоптических исследований крупномасштабных про­ цессов.

С 1964 г. начато регулярное зондирование с помощью двухсту­ пенчатой ракеты М-100, использование которой позволило распро­ странить измерения термодинамических параметров на значитель­

и «Академик Ширшов». Производя зондирования по маршрутам глобальной протяженности, упомянутые корабли осуществляли наблюдения в еще не исследованных районах атмосферы над Ти­ хим и Индийским океанами. Общее количество ракетных пусков, произведенных с этих судов, приближается к 1000. В 1969 г. вошла в строй станция ракетного зондирования Молодежная в Антарктике.

Важное место в изучении процессов в тропической зоне восточ­ ного полушария занимает индийская станция ракетного зондиро­ вания Тумба. Развивая и дополняя программу исследования