Измерения, которые может сделать наблюдатель метеостанции, свидетельствуют о состоянии воздуха только вблизи земной поверхности. Но воздух всё время перемешивается. На смену приземному слою приходит воздух из более высоких слоёв, а воздух, омывавший поверхность Земли, поднимается вверх. Поэтому предсказания погоды, основанные исключительно на наземных измерениях, не отличаются большой точностью. Великий русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев неоднократно указывал на необходимость изучать верхние слои атмосферы, для того чтобы сделать более совершенной Службу погоды. Он писал: «Там лаборатория погоды, там образуются облака, там они движутся и там редко помещаются измерительные приборы».
Теперь за состоянием воздуха на различных высотах следят аэрологи. Они регулярно производят метеорологические наблюдения до высоты 10–15 посылая в атмосферу приборы-самописцы и поднимаясь сами на самолётах и аэростатах.
В настоящее время значительно чаще приборы поднимаются без людей, но полёты с наблюдателем и сейчас используются как надёжное средство наиболее полного и всестороннего изучения атмосферы.
Как высоко может подняться человек со своими приборами? Какие аппараты для подъёма он может использовать?
Аэростат и стратостат. В 1731 году житель Рязани Крякутной сделал шарообразный мешок, наполнил его дымом и поднялся в воздух. Как повествует летопись, шар Крякутного поднялся «выше берёзы». Это был первый в мире полёт человека на аппарате легче воздуха.
Шар Крякутного поднялся потому, что наполнявший его тёплый дым был легче воздуха. Но дым скоро охлаждается, и подъёмная сила шара исчезает. Поэтому для подъёма человека в воздух стали применять шары, наполненные лёгким газом, обычно водородом. Такие аппараты называются аэростатами. С аэростатом связано начало штурма неба — попыток завоевания воздушного океана. Первый полёт аэростата с научной целью был организован в России Академией наук в 1804 году. Его совершил академик Я. Д. Захаров. Он так писал о цели своего полёта: «Главный предмет сего путешествия состоял в том, чтобы узнать с большей точностью о физическом состоянии атмосферы и о составляющих её частях в разных определённых возвышениях оной».
Захаров взял с собой в полёт сосуды для проб воздуха, барометр, термометры, компас и другие приборы. Подъём аэростата состоялся в Петербурге, полёт продолжался около 4 часов. Наибольшая высота, достигнутая аэростатом, составила 2480 метров.
В воздухе Захаров произвёл много интересных наблюдений, проследил, как изменялась температура воздуха с изменением высоты полёта, установил, что направление ветра на разных высотах неодинаково. Во время полёта были взяты пробы воздуха на различных высотах.
В 1868–1873 годах подобные полёты были организованы академиком М. А. Рыкачёвым.
Несколько позднее систематические полёты на аэростатах с целью изучения атмосферы организовал один из пионеров русской аэрологии М. М. Поморцев. Он собрал ценный материал об изменении температуры и влажности с увеличением высоты и в 1891 году подверг этот материал серьёзной научной обработке. М. М. Поморцев сделал одну из первых попыток применить сведения, полученные при полётах, к решению задач о предсказании погоды.
Д. И. Менделеев упорно доказывал необходимость исследовательских полётов. «Для ползающих на дне морском, — говорил он, — неведомы бури поверхности; так же и нам почти неизвестны явления, в верхних слоях атмосферы происходящие».
Менделеев критически изучил и обработал данные, полученные об атмосфере другими исследователями, и пришёл к выводу, что температура воздуха не непрерывно уменьшается с поднятием на высоту. В верхних слоях падение температуры замедляется. Поэтому Менделеев предположил, что на некоторой высоте падение температуры прекращается, и в верхних слоях она постоянна.
В 1901 году это предположение Менделеева блестяще подтвердилось. Многочисленными исследованиями было установлено, что на высоте 9—17 километров (в зависимости от географической широты) падение температуры с высотой прекращается, и в более высоких слоях температура становится постоянной.
Нижний слой воздуха, в котором температура с высотой уменьшается, называется тропосферой. В тропосфере воздух перемешивается как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Именно в этом слое разыгрываются явления погоды: образуются облака и туманы, выпадают осадки, возникают грозы.
Наибольшая высота тропосферы у экватора (17 километров), наименьшая — у полюсов (9 километров). У экватора поверхность Земли имеет наибольшую температуру. Это обеспечивает прогревание и перемешивание воздуха до больших высот, чем над другими участками земной поверхности.
У полюсов, наоборот, господствуют низкие температуры, и поэтому прогревание воздуха распространяется здесь до меньших высот.
Слой, расположенный над тропосферой, называется стратосферой. В нижней части этого слоя темпера-тура по высоте не изменяется. Как теперь найдено, постоянство температуры наблюдается до высоты примерно 30 километров.
Менделеев лично принимал участие в исследовательских полётах. В 1887 году он решил воспользоваться воздушным шаром для исследования атмосферы во время солнечного затмения. В последнюю минуту оказалось, что шар не сможет поднять и Менделеева и пилота. Тогда учёный решил совершить полёт один. Он поднялся в воздух и выполнил намеченные наблюдения.
В 1875 году, для достижения больших высот, Менделеев предложил прикрепить к аэростату «герметически закрытый оплетённый упругий прибор для помещения наблюдателя, который будет тогда обеспечен сжатым воздухом и может безопасно для себя делать определения и управлять шаром». На таком аэростате можно подниматься значительно выше, чем на обычном. Аэростат с герметически закрытой кабиной для наблюдателей получил название стратостата.
Менделеев составил план работы по изучению больших высот, которые можно выполнить с помощью стратостата. Но царское правительство не предоставило учёному необходимых средств, и он не смог осуществить своей идеи. Только через полвека появились первые стратостаты.
Советские исследователи широко используют стратостат для изучения атмосферы.
30 сентября 1933 года воздухоплаватели Прокофьев, Бирнбаум и Годунов на стратостате «СССР-1» достигли высоты 19 километров. Взятые на различных высотах пробы воздуха позволили заключить, что состав его на достигнутых высотах такой же, как и у поверхности Земли.
30 января 1934 года советские воздухоплаватели Федосеенко, Васенко и Усыскин совершили исследовательский полёт на стратостате «С-ОАХ-1», построенном ленинградским Осоавиахимом, и достигли высоты 22 километров.
Более высокие слои атмосферы для стратостатов недоступны. Чем ограничена высота их подъёма?
Стратостат поднимается вверх до тех пор, пока подъёмная сила, определяемая количеством газа в оболочке, превышает его вес. Поэтому стратостат поднимается тем выше, чем больше объём его оболочки с газом и чем меньше его вес. Чтобы общий вес стратостата был как можно меньшим, для заполнения оболочки используют самый лёгкий газ водород. Оболочку делают обычно из лёгкой и прочной, непроницаемой для газов прорезиненной ткани.
Чтобы создать подъёмную силу, достаточную для поднятия в высокие слои атмосферы нескольких исследователей с приборами, нужна оболочка огромных размеров. Например, оболочка стратостата «С-ОАХ-1» имела диаметр около 36 метров и объём около 25 тысяч кубических метров. Подъём на большие высоты потребовал бы ещё больших размеров оболочки.
Чем выше предполагается подъём стратостата, тем больше должен быть размер оболочки при одинаковом количестве газа, впущенного в неё перед полётом. Однако как ни стремятся уменьшить вес стратостата, вес оболочки с увеличением её размеров возрастает и для некоторой высоты будет больше подъёмной силы газа. Это — предельная высота для стратостата.
Аэростаты и стратостаты сыграли важную роль в изучении атмосферы. Они помогли установить состав воздуха и закономерности изменения температуры и давления до высоты 22 километров. В средних широтах до высоты 11 километров температура воздуха непрерывно уменьшается, на высоте 11 километров достигает в среднем 55 градусов ниже нуля и дальше остаётся примерно постоянной. Состав воздуха до высоты 22 километров практически неизменен.
Аэростатами пользуются и сейчас для исследования атмосферы. Как средство для воздушных сообщений они не применяются, так как неуправляемы, но аэрологи используют способность их перемещаться вместе с движущейся массой воздуха.
Чтобы наблюдать, какие изменения происходят в воздухе при его перемещении, лучше всего «путешествовать» вместе с ним. Здесь неуправляемость аэростата, его покорность ветру становится очень ценным качеством.
Исследованиями этого рода занимается у нас Центральная аэрологическая обсерватория. Во время одного из исследовательских полётов пилот Б. А. Невернов и аэролог С. С. Гайгеров совершили полёт на аэростате от Москвы до Новосибирска за 69 часов. В октябре 1950 года воздухоплаватели обсерватории С. А. Зиновеев, С. С. Гайгеров и М. М. Кирпичёв провели ещё более длительные исследования на аэростате, пролетевшем за 84 часа из Москвы в район Алма-Аты.
Самолёт. Первый самолёт, способный подняться в воздух, был создан нашим соотечественником Александром Фёдоровичем Можайским. Испытание этого самолета состоялось в 1882 году.
Самолёт — аппарат тяжелее воздуха. Крылья его расположены так, что во время полёта под крыльями давление воздуха больше, чем над ними. Разность давления воздуха на нижнюю и верхнюю поверхности крыльев создаёт подъёмную силу, направленную вверх. Эта сила и держит самолёт в воздухе (рис. 10).
Рис. 10. Силы, действующие на крыло самолёта в полёте.
С каждым годом самолёты становятся всё более совершенными. Наибольшая высота подъёма — «потолок» самолёта — растёт из года в год. В 1925 году рекордная высота самолёта несколько превышала 11 километров, в 1935 году она составляла около 14, а сейчас — уже 18 километров.
Изучение атмосферы на разных высотах с точки зрения возможности пребывания на них человека показали, что подъём на высоту до 3 километров можно совершать в открытых кабинах и без кислородных масок. Подъём на высоту 7–9 километров возможен в открытых кабинах, но с кислородными приборами. Однако такой полёт требует предварительной тренировки. Полёт на высоту больше 12 километров возможен только в особых герметически закрытых кабинах или в специальных костюмах — скафандрах.
Отсутствие герметических кабин долгое время препятствовало полётам самолёта на большой высоте. Около пятнадцати лет назад советский конструктор А. Щербаков создал первую герметическую кабину. Во время полёта в кабину непрерывно подаётся из баллона кислород, а накапливающиеся в ней углекислый газ и влага поглощаются специальным аппаратом.
Метеорологи широко используют самолёты для исследований в тропосфере, где формируется погода. Самолёт помогает собирать сведения о погоде на большом пространстве в короткий срок.
Погода играет большую роль при планировании боевых операций. А для того чтобы предвидеть погоду, надо знать состояние атмосферы на огромных пространствах. Во время Великой Отечественной войны враг держал в секрете сведения о состоянии атмосферы на своей территории. Здесь большую услугу метеорологам оказали самолёты, летая во вражеский тыл для разведки погоды.
Высоту подъёма летательного аппарата можно увеличить, если использовать на нём реактивный (ракетный) двигатель, не требующий для своей работы атмосферного воздуха. Идея такого летательного аппарата была впервые высказана и обоснована в 1881 году Н. И. Кибальчичем[2]. Ракетный двигатель работает на любой высоте. Сейчас мы можем с помощью реактивных аппаратов посылать автоматически работающие приборы на очень большие высоты.