КАК ПОГОДА САМА СЕБЯ ЗАПИСЫВАЕТ?
САМОПИСЦЫ
Метеорологические наблюдения во всех странах производятся в одни и те же сроки (7 ч. утра, 1 ч. дня и 9 ч. вечера) лишь с небольшими уклонениями: в некоторых странах выбирают сроки в 8, 2 и 9 час. При этом время считается не по гражданскому времени, а по местному солнечному, потому что все метеорологические элементы изменяются в зависимости от движения солнца на небесном своде, и чтобы наблюдения были между собой сравнимы, нужно производить их в одно и то же время относительно положения солнца, независимо от долготы места.
Сроки эти выбраны так, чтобы, с одной стороны, среднее, вычисленное из них, ближе всего подходило к 24-часовой суточной средней, с другой — так, чтобы не слишком связывать лиц, ведущих наблюдения.
Сроки среди ночи были бы в этом отношении обременительны.
Есть, однако, целый ряд интересных изменений метеорологических элементов, как случайных, при особых явлениях погоды, так и подверженных общим законам атмосферных движений. Эти изменения, конечно, не всегда приходятся в те сроки, которые установлены для наблюдений. И вот, чтобы получить непрерывные изменения давления, влажности, температуры и др., придуман ряд приборов, посредством которых при очень малом участии человека погода "сама себя записывает".
Идея всех этих приборов — в том, чтобы записать и момент, когда метеорологический элемент имеет то или иное значение, и самое это значение. Для определения времени естественно служат часы; для определения значения элементов употребляются приемники, которые, известным образом изменяясь под влиянием внешних воздействий, передают эти изменения пишущей части прибора.
Отсюда общий вид всех этих "самописцев" такой: имеется барабан, равномерно вращающийся при помощи часового механизма, и имеются приемники, соединенные с перьями, которые, по мере вращения барабана, отмечают все изменения температуры, влажности, давления и т. п. Перо движется вверх или вниз; барабан, вращаясь, дает движение в горизонтальном направлении, — и в результате получается волнистая, кривая, на которой, зная начальное время и начальное значение данного метеорологического элемента, можно найти его значение в любой момент.
Приемником в самописце давления — барографе — служит барометрическая коробка (как в анероиде), из которой выкачан воздух. Под влиянием повышения или понижения давления, коробка соответственно сжимается или расширяется, и при помощи рычажков ее движения передаются перу.
В самописце температуры — термографе — приемником служит металлическая пластинка, спаянная из двух металлов, имеющих различный коэффициент расширения. Поэтому при изменениях температуры каждый из металлов расширяется или сжимается различно, пластинка искривляется, и ее движения также передаются перу.
В самописце ветра — анемографе — вращается Робинзонова вертушка, и известному числу ее поворотов отвечает замыкание электрического тока, рисующее на барабане зубец. Чем чаще, идут эти зубцы, тем сильнее, значит, дует ветер. Есть очень сложные анемографы, записывающие одновременно изменения и скорости, и направления ветра.
В самописце влажности — гигрографе — изменения влажности регистрируются посредством изменений длины пучка женских волос, о которых мы уже говорили.
Вращение барабана, на котором получается кривая, может быть рассчитано так, чтобы полный оборот совершался в сутки, или в неделю, или в месяц. Соответственно этому бывают "суточные", "недельные" или "месячные" самописцы. По истечений срока, на который рассчитано вращение барабана, нужно только вновь завести механизм, сменить наложенную на барабан бумагу, и прибор будет писать снова без всякой работы с нашей стороны.
Нужно только заметить, что все эти "графы" — приборы относительные, т. е. дающие не сами величины элементов, а их изменения. Куда мы поставили перо, оттуда оно и пойдет писать. Записи самописцев поэтому постоянно сравниваются с "абсолютными" приборами — барометром, термометром, психрометром и т. п., так что самописцы не освобождают человека от необходимости делать срочные метеорологические наблюдения, а лишь заменяют его на промежутки между ними. В момент наблюдения по абсолютным приборам наблюдатель делает на соответствующем самописце метку, приподнимая перо, чтобы иметь потом возможность сравнить, что наблюдалось по прибору и что дал самописец. Проверять приходится и часы барабана, которые могут, как всякие часы, и отстать, и уйти вперед. После, на основании всех этих отметок, производится "обработка" в кривых самописцев.
КАК НАУКА ИСПОЛЬЗУЕТ ВОЗДУШНЫЕ ЗМЕИ
Кто из нас в свое время не развлекался пусканием воздушных змеев, стараясь запустить их как можно выше? Нет ничего странного в том, что с пробуждением интереса к высоким слоям атмосферы ученым пришла мысль попробовать поднять на змеях метеорологические инструменты. Первая такая попытка была сделана в Англии в 1749 г. Вильсоном и Мельвиллем, которые подняли на змеях термометры особого устройства. Но настоящее научное значение получили только подъемы самопишущих инструментов, причем змеи берутся не плоские, а коробчатые, прямоугольные, треугольные или цилиндрические с полулунным сечением. Первый коробчатый змей был построен Харгрэвом, в 1890 г., и этот тип змея с различными изменениями применяется и до сих пор. Запускаются такие змеи на струнной проволоке, при помощи механических или электрических лебедок, и часто к основному "головному" змею присоединяются вспомогательные, так что в воздухе реет целая гирлянда змеев.
Рис. 56. Змей с полукруглым сечением для исследований атмосферы.
Рис. 57. Змейковый метеорограф В. В. Кузнецова.
К головному змею подвешивается и особый прибор — "метеорограф": это соединение всех уже описанных самописцев, только в более маленьком виде. Тут и барограф, и термограф, и гигрограф, и маленький анемограф с Робинзоновой мельничкой. Каждый пишет на барабане свою кривую. Когда полет окончен и прибор снят, производится обработка этих кривых, т. е. вычисление по давлению и температуре высот, на которые поднимался прибор, а затем вычисляют точнее самую температуру, влажность и ветер на каждой высоте.
На рисунках изображены две такие записи змейкового метеорографа системы В. В. Кузнецова и самый метеорограф. Первое — подъем с "инверсией" — так как температура с высотой до границы стратосферы убывает, то обычно кривая температуры в точности походит на кривую давления, воспроизводя все ее колебания; в данном же примере уже почти с начала подъема прибора кривая температуры начинает опускаться, когда кривая давления поднимается, — значит, в воздухе имеется слой потепления с высотой, или инверсия.
Рис. 58. Запись змейкового метеорографа. Верхняя кривая изображает скорость ветра, вторая — влажность, третья — температуру, четвертая — давление воздуха. Подъем с инверсией: температура возрастает с уменьшением давления, т. е. с возрастанием высоты.
Второе — подъем без инверсии; кривые давления и температуры имеют одинаковый ход. Такие инверсии всегда радуют наблюдателей во время сильных морозов, которым, кажется, конца не будет. Когда змейковый подъем приносит значительную инверсию, — значит наверху уже имеется течение теплого воздуха, которое скоро достигнет земли, и морозы кончатся.
Если же, наоборот, зимой температура сильно падает с высотой, следует ждать продолжения и даже усиления морозов. В Ленинграде, примерно, можно сказать, что температура, "наблюдаемая" днем на высоте 1000 м, часто к вечеру "спускается" к земле. Если летом на 1000 м температура ниже 0°, к вечеру можно ожидать заморозка.
В зависимости от ветра, змеи можно поднять более или менее высоко, и они достигают таких высот, которые и не снились мальчикам, поднимающим игрушечные змеи. Мировой рекорд змейкового подъема — 9740 м — почти на километр выше горы Эверест! Этот рекорд достигнут недавно в Аэронавтической обсерватории в Линденберге (близ Берлина), занимающей по аэрологическим наблюдениям первое место в мире. У нас в СССР регулярные змейковые наблюдения (и вообще аэрологические) производятся в Аэрологической обсерватории в Слуцке, под Ленинградом. Здесь в марте 1928. г. достигнута рекордная для СССР высота — 5170 м. Средняя же высота змейковых подъемов составляет 1 1 / 2 —4 км, и можно сказать, что до высоты 4 км воздух исследован довольно обстоятельно.
Рис. 59. Запись змейкового метеорографа с очень незначительной инверсией близ высшей точки подъема: кривая температуры представляет почти точную копию кривой давления.
ЧТО ДАЮТ АЭРОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ
Одно из практических применений аэрологические данные находят в артиллерии. Сопротивление воздуха летящему снаряду зависит от плотности, а та, в свою очередь, от температуры. Поэтому очень важно знать распределение температуры в разных слоях над поверхностью земли.
Не менее важное значение имеют аэрологические данные для всех видов воздушного транспорта. Не зная условий, с которыми он встретится на высоте, летчик летит, можно сказать, "вслепую". Во всех странах существует специальная служба погоды для авиации.
Важное применение находят они и в астрономии. Тут, как известно, большую роль играет преломление лучей небесных светил в земной атмосфере, или рефракция, в силу которой и Луна, и Солнце, и звезды кажутся нам выше над горизонтом, чем они находятся в действительности. Степень преломления лучей в атмосфере зависит от ее плотности, и здесь метеорология оказывает большую услугу астрономии, позволяя точно определить чередование в воздухе более или менее плотных слоев.
Но, конечно, и помимо подобных приложений, аэрологические данные имеют большое научное значение. Знать их необходимо для выяснения условий образования дождя и снега, облаков, различных движений воздуха, тесно связанных с погодой. "Ключ" к погоде лежит не у самой земли, а именно в верхних слоях атмосферы.
Рис. 60. Рекордные высоты, достигнутые в атмосфере. (Стратостат "Осоавиахим 1" достиг высоты 22 км, на рисунке не обозначено.)
Аэрология — наука еще молодая: ей не насчитывается и полвека; но будущность ее — большая и многосторонняя.
ШАРЫ-ЗОНДЫ
Высота полета змеев по необходимости ограничена: чем выше полет, тем длиннее проволока, на которой они держатся, и ее тяжесть в конце-концов притянет их к земле, даже если взять змеи очень большие.
О научных подъемах на воздушных шарах мы уже упоминали. На этих шарах были достигнуты высоты, которых в то время нельзя было и думать достигнуть на змеях. Но, конечно, помимо средств, эти подъемы на свободных шарах требовали и большой предприимчивости и риска, иногда даже самопожертвования. Некоторые главы "Научных воздушных полетов" Ассмана и Берсона, где описаны эти путешествия, читаются с захватывающим интересом. Достигнутая Берсоном и Зюрингом высота на шаре с открытой гондолой в 1901 г., 10800 м, не превзойдена до сих пор. У нас целый ряд научных свободных полетов организовал и совершил В. В. Кузнецов, под руководством которого были вообще созданы первые русские аэрологические наблюдения.
Авиация вытеснила воздухоплавание, и наука тотчас же постаралась воспользоваться ее достижениями. Самопишущие приборы стали прикреплять к крылу аэроплана, и таким способом при полетах в разных странах получено много ценных записей. Наибольшая высота, достигнутая аэропланом, — 14 км.
Рассчитанные специально на очень высокие слои воздуха "стратостаты" с герметически закрытой гондолой достигают, как было указано выше, значительно больших высот: мы видели, что "Осоавиахим 1" поднялся на высоту около 22 км; это рекордная высота, выше которой не был еще ни один человек.
Однако, если человеку пока не дано залетать так высоко, это удается шарам-зондам, которые пускаются на произвол ветра одни, без пассажиров и без привязи. Первоначально такие шары делались из бумаги; сейчас проще и дешевле применять резиновые шары. Зонды раздуваются водородом до 500–600 см в окружности; в диаметре такой шар имеет, стало быть, почти целых 2 метра. К нему привешивается прибор, по существу такой же, как и на змеях, но с некоторыми отличиями. Во-первых, зондовый прибор не записывает влажности, потому что на больших высотах влажность очень маленькая, и гигрометр показывает неточно.[11] Во-вторых, — на нем не бывает записи ветра: ведь шар сам летит по ветру и, стало быть, его не испытывает. Наконец, так как чернила на большой высоте замерзают, то барабан зондового прибора оборачивается закопченной бумагой и перья чертят свои кривые остриями на саже.
Самый высокий шар-зонд поднялся в 1912 г. в Италии, в Павии: он долетел до высоты 36 км. Это наибольшая высота, которой удалось достигнуть в атмосфере. Выше этого еще никаких наблюдений не делалось. Но шаг за шагом человек завоевывает высоты: на земле ему осталось всего 250 м, чтоб водрузить свое знамя на высочайшей из гор — Эвересте; в воздухе предела его устремлениям не положено, и трудно сказать, какие еще достижения могут принести даже ближайшие годы, v тем более — десятилетия.
Рис. 61. Летящий шар-зонд с метеорографом.
ИЩИТЕ ШАР-ЗОНД!
Зондовый прибор помещается в легкий металлический ящичек или в корзинку и привязывается к шару. К нему же привязывается другой шар, раздутый гораздо меньше, или парашют. Когда на большой высоте главный шар не выдержит и лопнет, другой, менее раздутый, сам по себе еще мог бы подниматься, но не может тянуть прибор; поэтому он плавно спускает его на землю. Это удобнее, чем парашют, потому что шар болтается в воздухе и привлекает внимание проходящих, а парашют можно и не заметить.
На футляре прибора имеется надпись с адресом обсерватории и просьбой доставить туда шар и прибор, обычно — за премию. Большая часть приборов, выпущенных таким образом, отыскивается.
Случаи порчи записи нашедшими бывают очень редко, но часть шаров просто теряется, залетая в лес, в болота, в море. И все-таки, даже в Слуцке (б. Павловске), расположенном очень неблагоприятно, — кругом болота, Ладожское озеро, Финский залив, — отыскивается до 70 % всех пущенных шаров.
КАК ВЫСОКО И КАК ДАЛЕКО ЗАЛЕТАЮТ ШАРЫ
Чем легче груз, подвешенный к шару, тем выше поднимается шар. Поэтому очень важно, чтобы прибор был возможно легче. А самое тяжелое, да и самое дорогое в зондовом приборе — это часовой механизм. Нашему аэрологу П. А. Молчанову удалось построить зондовый самописец без часов: в нем барабан вращается особым пропеллером, который вертится от того только, что шар поднимается вверх.
Однако, чем выше, тем ветер сильнее, и шар поэтому может улететь очень далеко: это тоже не всегда бывает выгодно, особенно у нас, где есть большие малонаселенные пространства. Поэтому в нашей Аэрологической обсерватории часто пускают зонды с зажигательным шнуром, который на известной высоте пережигает веревочку, связывающую оба шара. Большой шар улетает выше, а маленький с прибором спускается вниз.
Рис. 62. Метеорограф для зондов системы П. А. Молчанова. Слева — прибор без чехла: виден закопченный барабан, связанный с ним пропеллер и перья давления и температуры. Справа — прибор в защитном чехле.
В отдельных случаях свободно пущенный шар-зонд может улететь за сотни километров. Так, однажды шар, пущенный из Слуцка (Павловска), был найден в 300 км на Варшавской жел. дороге; в другой раз шар спустился в Олонецкой губ., пролетев около 600 км. Это было в довоенное время; теперь трудно достать такие большие и дорогие резиновые оболочки, шары делаются меньше, поэтому не поднимаются так высоко и не залетают так далеко. В виду большого значения исследований на больших высотах, в настоящее время поставлен вопрос о выделке оболочек еще большего размера. На "Кр. треугольнике" освоена в последнее время выделка оболочек диаметром в 1 метр в нераздутом виде.
Дальность, впрочем, зависит также и от ветра в тот момент, когда шар пускают. Самый высокий зонд, долетевший до высоты более 36 км, спустился очень близко от того места, откуда вылетел, так как в этот день было тихо.
БЕСПАСПОРТНЫЕ ГОСТИ ИЗ-ЗА ГРАНИЦЫ
Иногда в местностях близ границы, особенно на юге, находят неожиданно шары, пущенные из Англии или из Германии. Такие "беспаспортные гости", со всеми мерами предосторожности, чтоб не попортить записей, отправляются почтой обратно. Недавно, например, на Украине, близ Конотопа, на глазах девочки пастушки упал шар с листком на немецком языке. Крестьяне снесли его в Конотопскую метеорологическую станцию. Там разобрали надпись, и оказалось, что шар пущен из Хемница (в Саксонии). Немецкому аэрологу, конечно, сообщили о находке. Шар пролетел, следовательно, около 1500 км.
РАДИОСИГНАЛЫ ИЗ СВОБОДНОЙ АТМОСФЕРЫ
Развитие и усовершенствование радиотехники естественно поставило перед метеорологами вопрос: нельзя ли получить путем радиопередачи введения о состоянии погоды из областей, непосредственно труднодоступных человеку, и в частности из верхних слоев атмосферы? Сведения эти нужны постоянно, а полет на стратостате каждый день не проделаешь. Самопишущие приборы на змеях не могут подняться особенно высоко. Приборы, поднимаемые на шарах — зондах, находятся не сразу, а часто и вовсе не находятся. В малонаселенных местностях, в пустынях, тем более в полярных странах их и пускать не стоит — некому их найти. А как важно и для предсказаний погоды, и для целого ряда других вопросов практики иметь сведения о температуре, влажности, ветре — сразу, в тот момент, когда они наблюдаются!
В последние годы этой задачей занимались многие, и советские и иностранные ученые, и наконец ее удалось разрешить в форме, вполне пригодной для применения на практике. Первый в мире "радиозонд" был выпущен нашим аэрологом П. А. Молчановым из Аэрологической обсерватории в Слуцке (Павловске) 30 января 1930 года.
Один из принципов передачи метеорологических данных по радио — следующий. Представим себе циферблат, по которому посредством часового механизма движется равномерно "стрелка времени" Т. На циферблате имеется контакт А, который замыкается при прохождении над ним стрелки времени и дает определенный сигнал. По тому же циферблату перемещается стрелка температуры t, соединенная с приемником температуры; ее движение будет уже не равномерное, а будет зависеть от изменения температуры за данный промежуток времени. Проходя над этой стрелкой, стрелка времени также дает контакт. Зная промежуток времени, который прошел между постоянным контактом А (его можно для отличия сделать, например, двойным) и контактом со стрелкой температуры, можно определить, на сколько изменилась температура, и если известно, какая она была в начале, то легко вычислить и ее значение в любой момент, когда происходит контакт между стрелками. Если иметь еще несколько стрелок для давления, влажности и т. п., то можно получить значения и для этих элементов; надо только для каждого элемента установить свои сигналы. Передавая их помощью радиопередатчика, можем уловить их в любом месте, где будет поставлен радиоприемник.
Рис. 63. Схема радиозонда.
Техническое осуществление этой простой идеи оказывается однако довольно сложным, и хотя такой прибор и был построен по указаниям П. А. Молчанова, однако, как наш первый "радиозонд", так и дальнейшие, пускаемые у нас, основаны на ином принципе.[12] Там на первый взгляд дело обстоит сложнее, но построить такой прибор легче и дешевле. Первый радиозонд достиг высоты около 10 км, и уже через полчаса переданные им сведения были сообщены по телеграфу в Бюро погоды.
Прибор радиозонд вместе с батареями, передатчиком и т. п., — тяжелый, а потому приходится его поднимать на очень больших шарах или на целой гирлянде обычных зондовых оболочек. Тут-то как раз особенно хорошо иметь большие оболочки, так как только на них можно получить большую высоту. Радиозонд, поднятый на старой метровой оболочке "Кр. треугольника", дал сразу высоту больше 15 км; радиозонды на большом числе (10–12) оболочек диаметром 30 см обычно достигают не более 10–13 км высоты.
Рис. 64. Подъем радиозонда на 11 шарах.
РАДИОЗОНДЫ В АРКТИКЕ
Наша Аэрологическая обсерватория пускает теперь радиозонды ежедневно, и они нередко достигают стратосферы. Тут не приходится беспокоиться, найдется прибор или нет: он уже сделал свое дело, сообщил обо всем, что делается в высоких слоях воздуха, и хотя конечно желательно, чтоб он не пропал, но результаты и в случае пропажи получены полностью. Поэтому такие приборы незаменимы на полярных станциях, и для исследований во время Полярного года (1932–1933) их было построено множество. В 1931 г., во время полета цеппелина "LZ—127" в Арктику, П. А. Молчановым, принимавшим участие в полете, было выпущено четыре радиозонда. Три из них достигли высоты более 16 км и дали прекрасные результаты. На Земле Франца-Иосифа и на Новой Земле ежемесячно производятся наблюдения помощью радиозондов и получено много интересных данных с больших высот. С простыми зондами в Арктике ничего не поделаешь — их могли бы найти разве белые медведи: хотя сейчас наша Арктика и не представляет собой ледяной пустыни на всем протяжении, но все же мало вероятно, чтоб такой прибор попал в руки человека.
Рис. 65. Радиозонд.
РАДИОЗОНДЫ И СУХОВЕИ
Одна из важнейших проблем нашего хозяйства— борьба с засухами и суховеями — требует для своего разрешения изучения хода температуры и влажности в высоких слоях воздуха. Но засушливые районы местами мало населены, пустынны; зонды там не найдутся; змеи могут быть применимы лишь отчасти. Здесь опять приходит на помощь радиозонд. Сейчас ряд змейковых и радиозондовых станций организуется на юго-востоке Союза, и таким образом радиозонд сыграет немаловажную роль в разрешении важной хозяйственной задачи.
СТАНЦИИ БЕЗ НАБЛЮДАТЕЛЕЙ
Передача метеорологических данных но радио возможна, конечно, и не только из свободной атмосферы, а из любого места на земной поверхности. В интересующем нас месте — где-нибудь на высокой горе, среди пустыни, во льдах полярных морей, — мы можем установить "автоматическую станцию", и она будет без человека отмечать состояние погоды и передавать на нашу приемную станцию. Если надо передать много элементов, это, конечно, становится делом довольно сложным, но в конце концов все это только вопрос техники. Здесь уже достигнуто многое, и надо думать, что "автоматические метеорологические станции" — дело уже близкого будущего.
Пробная автоматическая станция системы Молчанова установлена сейчас на пике Сталина экспедицией Горбунова, намечена также установка станции на Земле Франца-Иосифа.
ШАРЫ-ПИЛОТЫ
Так называются резиновые шары значительно меньшего размера, чем шары-зонды. На них не подвешивается никаких приборов, и они выпускаются, так сказать, безвозвратно, — только для того, чтоб, следя за их движением по воздуху, определить; какой дует ветер. Так по листку, брошенному в водоворот, мы можем следить за движением водяных струек.
За шарами-пилотами наблюдают при помощи особых приборов, которые называются теодолитами. Каждую минуту, смотря на шар в трубу теодолита, отсчитывают по его кругам угол, под которым шар виден над горизонтом, или "вертикальный угол", и угол, который вертикальная плоскость, проходящая через шар, составляет с плоскостью меридиана — "горизонтальный угол". Наблюдая за шаром в два таких теодолита, установленных в 1–2 км один от другого, по двум парам углов в каждую минуту можно найти высоту шара.
Рис. 66. Наполнение шара-пилота водородом из трубы.
Рис. 67. Теодолит для наблюдения за пилотами.
Прежде чем самому пускаться в воздушное путешествие, авиатор пускает шар-пилот. Зная его размеры, он может определить, на сколько метров шар поднимается за каждую минуту, а, стало быть, знает и его высоту в любой момент от начала подъема. Следя за ним в теодолит, он в те же моменты знает и его угловую высоту над горизонтом и его горизонтальный угол. Отсюда, как видно из чертежа, определяется и горизонтальное движение шара от одной минуты до другой, иными словами ветер, так как шар движется вместе с ветром. Деля путь, пройденный шаром за минуту, на 60, получаем скорость ветра в метрах в секунду. На практике все это выполняется чрезвычайно быстро при помощи разных приспособлений и таблиц, и едва успеет шар лопнуть или скрыться в облаках, как опытные наблюдатели уже сообщают летчику, на какой высоте ему ждать сильного ветра, на какой — затишья, и на какой высоте плавают облака.
Рис. 68. Как по пилоту определить ветер: вычерчивание горизонтальной проекции пути шара. Зная высоты шара и вертикальные углы (по теодолиту) в моменты отсчетов, находим длины отрезков Л 1 …Л 4; откладывая их от точки Н так, чтобы они составляли с меридианом СЮ горизонтальные углы (азимуты) a 1 …a 4, также отсчитываемые по теодолиту, получим точки П 1, П 2 … П 3, откуда уже нетрудно найти горизонтальную скорость шара, или скорость ветра, а также направление движения.
Рис. 69. Схема движения шара-пилота в воздухе: Н точка, из которой наблюдают шар, СЮ — меридиан, Ш 1, Ш 2, Ш 3 … — положения шара в моменты отчетов, Д 1, Д 2, Д 3 его высота в эти моменты.