3.1.3. Ракетне зондування

Ракетне зондування застосовується для дослідження верхніх шарів атмосфери: шар від 15-20 до 80-120 км (стратосфера і мезосфера), в якому розміщена практично вся озоносфера і нижня іоносфера, і більш високі шари термосфери і екзосфери.

Для вивчення середньої атмосфери використовуються метеорологічні ракети, що піднімаються до висот 80-100 км. Основними параметрами, вимірюваними за допомогою метеорологічних ракет є тиск, температура, густина і газовий склад повітря. У залежності від програми досліджень можуть вимірюватись і інші характеристики.

Для вивчення верхньої атмосфери застосовуються потужні геофізичні ракети, що піднімаються до висот біль ніж 100-150 км. Виконуються вимірювання інтенсивності сонячного і космічного випромінювання, оптичних, електричних і термодинамічних властивостей повітря, параметрів магнітного поля Землі тощо. Поряд із ракетним зондуванням, що відноситься до прямих методів вимірювань, для вивчення верхньої атмосфери застосовуються і непрямі (дистанційні) методи з використанням радіолокаторів, лідарів, НВЧ (надвисокочастотний), оптичної техніки тощо.

Система ракетного зондування включає саму ракету, споряджену вимірювальними приладами, і наземний вимірювальний комплекс, що представляє собою сукупність наземних радіотехнічних засобів, призначених для прийому телеметричної інформації про параметри атмосфериі для вимірювання координат ракети під час польоту. Контейнер з приладами доставляється з ракети на землю за допомогою парашута.

3.2. Дистанційні методи визначення метеорологічних параметрів

Дистанційні методи використовують фізичні властивості електромагнітних хвиль для вимірювання параметрів атмосфери. Суть цих вимірювань базується на реєстрації на певній відстані від досліджуваного об'єкта характеристик електромагнітного поля. Досліджуваний об'єкт трансформує електромагнітні хвилі, що падають на нього або генерує власні і це дозволяє досліджувати його стан. Справа в тому, що характеристики взаємодії об'єкта з цими хвилями (або генерація цих хвиль) залежать від його власного стану. Вимірювання цих хвиль можуть здійснюватися на різних відстанях від об'єкта. При цьому ці відстані можуть бути досить великі - у разі супутникових вимірювань вони можуть становити від сотень до десятків тисяч кілометрів.

На цій основі сконструйовані радіометри водяної пари, лідарні (лазерні) системи, технічне обладнання метеосупутників тощо.

3.2.1. Радіометри водяної пари

Принцип роботи радіометрів водяної пари базується на використанні власного теплового випромінювання метеорологічних об’єктів (атмосфера, хмари, опади) у різних діапазонах хвиль, насамперед у діапазоні надвисоких частот. Міліметровий діапазон хвиль (f = 30 ... 300 ГГц) характеризується низкою особливостей при поширенні в атмосфері Землі. Повітря поглинає випромінювання міліметрового діапазону молекулами кисню і водяної пари. Відзначають максимуми поглинання (резонансні поглинання) водяної пари на частотах 26 і 188 ГГц. Дослідження властивостей і особливостей розподілу водяної пари в атмосфері проводять якраз за допомогою радіометрів.

Перепади температури і вологості в приповерхневому шарі атмосфери можна виміряти, використовуючи радіометри водяної пари. Радіометр являє собою дуже чутливий радіоприймач, який вимірює яскравісну температуру (тобто енергію випромінювання) всіх молекул парів води уздовж напрямку, за яким направлена антена. Зазвичай вони працюють на двох частотах: 23,8 ГГц для вимірювання вмісту водяної пари, і 31,4 ГГц для вимірювання вмісту рідкої води у хмарах. Різниця яскравісних температур на цих хвилях визначається інтегральним вмістом і температурою водяної пари уздовж променя.

Вологу складову тропосферної затримки можна обчислити за вмістом водяної пари. Повна кількість водяної пари і кількість осаджуваної води є в метеорології величинами, що зазвичай використовуються для вираження об'єму атмосферної водяної пари і води в зенітному напрямку (див. розділ “Фізика ГНСС-метеорології”).

Повна кількість водяної пари зазвичай виражається в кг/м або г/см, а вміст осаджуваної води виражається в мм або см.

Волога складова тропосферної затримки приблизно пропорційна інтегральному вмісту водяної пари і кількості осаджуваної води.

Замість оцінювання інтегрального вмісту водяної пари або кількості опадів, вологу складову зенітної тропосферної затримки можна оцінювати безпосередньо, як лінійну комбінацію спостережуваних яскравісних температур. Для цього використовуються виведені коефіцієнти, які повинні бути приведені у відповідність зі специфічними умовами пункту спостережень, використаною статистичною інформацією (наприклад, вимірювань радіозондами).

Однією з переваг радіометрів на відміну від аерологічного зондування є можливість отримання профілю розподілу водяної пари уздовж будь-якого напрямку, який можна поєднати з напрямком на супутник. Таким чином, може бути встановлена в​​олога складова тропосферної затримки для заданого напрямку з точністю, не гірше ніж 10 мм. Для отримання такої точності радіометри калібрують за результатами диференційних вимірювань показника заломлення з використанням спектральних гігрометрів, радіозондів або інших методів вимірювань кількості водяної пари, щоб врахувати можливі систематичні помилки. Вимірювання базових ліній при врахуванні вологої складової за радіометричними спостереженнями можуть отримуватись з міліметровою точністю.

Теоретична точність оцінювання величини в​​ологої складової зенітної тропосферної затримки при допомозі радіометрів знаходиться на рівні 2 мм, однак результати експериментальних досліджень оцінюють точність цієї величини, отриманої за допомогою радіометра, приблизно на порядок гірше.

Зазначають, що до істотних недоліків використання радіометрів при точному ГНСС-позиціюванні слід віднести їх стаціонарність, високу вартісність, труднощі калібрування, широкий кут прийому сигналів (в загальному випадку не збігається з напрямком на супутник) і неможливість одночасно вести вимірювання в напрямках декількох рухомих супутників. Окрім того, радіометри не в змозі працювати при насиченні довкілля вологою (сильний туман, дощ, щільна хмарність).