Как изучают атмосферу? Значение атмосферы для Земли. Наука, изучающая атмосферу

Значение атмосферы для Земли было осознано человечеством давно. Ее воздушные слои служат щитом от жесткого космического излучения и метеоритов, не составляя преграды для солнечных лучей, не пропускают обратно тепловое излучение поверхности планеты.

Зачем нужно изучать процессы в атмосфере

Можно ли было предотвратить потопление эскадры из шестидесяти британских и французских военных кораблей в Черном море? Это случилось четырнадцатого ноября 1854 года во время Крымской Войны. После изучения предоставленных метеорологических сводок Урбен Леверье (Парижская обсерватория) пришел к выводу, что можно было предвидеть ураган (значит, не давать приказа выходить в открытое море), спрогнозировать это явление.

Этот исторический пример доказывает неизбежность развития науки, позволяющей наблюдать за атмосферой и прогнозировать ее поведение.

От того, как изучают атмосферу сегодня метеорологи, зависит определение оптимальных погодных сроков работы на полях, авиация без срочных прогнозов поведения воздушных масс становится не безопасной. Подтопления, град, ураганы, засухи — это неполный список природных явлений, происходящих в атмосфере.

Чем и как изучают атмосферу: первые исторические попытки организации наблюдений

Аристотель еще в четвертом столетии до нашей эры написал труд, названный им «Метеорологика» (Ликейский период Аристотеля — с 334 по 322 год до н. э.). Поэтому наука, изучающаяя атмосферу, называется метеорология.

Возможность изучения метеоусловий возникла после изобретений в 17 веке Галилео Галилеем термометра (фиксация температуры) и барометра (измерение давления) Отто фон Герике. Флюгер (измерение направления ветра), анемометр (измерение скорости движения воздуха), гигрометр (измерение влажности), плювиограф (измерение количества осадков), созданные в этом же веке, расширили список фиксируемых параметров атмосферы.

Сеть из девяти метеостанций (самая первая в истории) в Италии с 1854 по 1667 собирала информацию о параметрах атмосферы.

Вторая европейская сеть метеостанций (1723-1735) работала по инструкции, содержащей стандартные таблицы измерений с методическими указаниями по пользованию приборами, написанной Джеймсом Джурином (Лондон).

Одновременно в России на двадцати четырех метеостанциях (1733-1744) велись наблюдения за атмосферой (инструкция Даниила Бернулли).

Строение атмосферы

В зависимости от процентного состава газообразных составляющих, их температуры воздушную оболочку планеты принято делить послойно.

Тропосфера — воздушная масса, прилегающая к поверхности. Высота нижнего слоя меняется от полюсов к экватору — над полюсами до 8 километров, над экватором до 17. Нагрев воздуха в нем происходит от поверхности планеты, через каждые сто метров температура понижается на 0,6 градуса Цельсия. На верхней границе слоя температура равна приблизительно минус 55 градусов.

Воздушные массы в тропосфере самые плотные (действует притяжение Земли), они находятся в постоянном движении, именно здесь образуются облака из маленьких капелек испаряющейся с поверхности воды.

Стратосфера — следующий большой воздушный слой, его высота — до пятидесяти пяти километров. Воздух разрежен, температура сначала падает, затем подымается с высоты в двадцать пять километров (на один-два градуса на каждый километр высоты).

Мезосфера — высота до восьмидесяти-восьмидесяти пяти километров, рост температуры продолжается.

Термосфера — ее высота — восемьсот километров.

Мезосфера и термосфера — это ионосфера. Атмосферное явление — полярное сияние — формируется именно в ионосфере.

Самый дальний от поверхности планеты слой с температурой в две тысячи градусов — экзосфера.

Какими способами изучают атмосферу

Количество параметров, характеризующих воздушные массы, известны давно. Ученые разных стран еще в девятнадцатом веке пришли к соглашению о единой системе, в которой должны производиться измерения.

К методам изучения атмосферы относятся наземные (метеорологические станции), аэродинамические (радиозонды, ракеты), спутниковые и орбитальные (искусственные спутники Земли и орбитальные космические станции).

Метеостанции

Во всем мире на сегодняшний момент существует порядка восьми тысяч метеоплощадок, оснащенных единообразными измерительными приборами для изучения атмосферы. Они фиксируют следующие параметры:

• температура (используются различные виды термометров, максимальный и минимальный — для измерения максимума и минимума температуры воздуха за определенный период, термометры для измерения температуры почвы, термограф (самописец) — для регистрации показаний);

• атмосферное давление (барометр и барограф — для регистрации);

• влажность воздуха (абсолютная и относительная — гигрометром и психрометром, гигрограф — для регистрации);

• скорость ветра и направление (флюгер со шкалой — анеморумбометр);

• количество осадков за период измерений (осадкомер и плювиограф — для регистрации);

• высота снежного покрова (специальная рейка).

На части метеостанций регистрируются гололед, изморось, лед.

Часть метеостанций с более высоким статусом (определяются государственными метеокомитетами) измеряю нижнюю границу облачности (направленными прожекторами), оптическую дальность, испарение почвы, солнечное излучение.

Все метеостанции свои наблюдения передают в единые центры. В России это Росгидромет.

Аэрологические станции

Скорость и направление ветра, температуру, давление на высотах от тридцати метров до сорока километров (тропосфера и часть стратосферы) регистрируют с помощью системы АРЗ-РЛС (аэрологический зонд — радиолокационная станция).

Зонд — это специальный баллон (из резины или пластика, заполненный водородом или гелием (несколько реже, хотя менее опасно) для поднятия вверх и контейнер с датчиками температуры, давления. Сигналы датчиков преобразуются в радиосигнал, затем передаются на РЛС.

Радиолокационная станция принимает сигналы и расшифровывает их. РЛС «ведет» радиозонд, отслеживая его положение по вертикали и горизонтали.

Таким образом аэрологическая станция получает самые достоверные данные о температурах, давлении и о скорости и направлении ветра на различных высотах.

Так как изучают атмосферу с помощью зондов всего лишь от двух до четырех раз в сутки, этого совершенно недостаточно для сиюминутного знания о состоянии воздушных масс (перемещение, облачность).

Для нужд ветровых станций и аэродромов в последнее время разработаны содары (работают на акустических волнах), лидары (используют оптическое излучение), радиолокаторы - радары (радиоволны) и профайдеры (радиоакустическое и электромагнитное излучение).

Метеорологические ракеты

Исследование атмосферы на высотах до ста километров проводятся с помощью запусков геофизических (метеорологических) ракет. К сегодняшнему дню многие страны создали станции для пуска ракет по всему миру (около пятидесяти).

Принципы ракетостроения, система запусков, обработки сигналов и отслеживание ракеты разработаны были еще в Советском Союзе в пятидесятых годах прошлого столетия.

То, как изучают атмосферу с помощью ракет, достаточно уникально. Суть методики изучения атмосферы данным способом состоит в следующем. В голову ракеты устанавливаются и крепятся измерительные приборы. Ракету вывозят на стартовую площадку станции, размещают в пусковой установке. После старта ракета уходит в заданном направлении, ее путь отслеживается радиолокатором. В зависимости от поставленной задачи на нужной высоте (от 70 до 80 км) головная часть отделяется от двигателя. Раскрывается парашют приблизительно на высоте около ста километров, и ракетозонд начинает падение к поверхности. Все производимые на спуске измерения передаются на наземные станции. На начальном этапе падения скорость начинает увеличиваться, достигая своего максимума на высоте около шестидесяти километров. Плотность воздуха на этой высоте достаточна для начала работы парашюта. Головная часть ракеты на парашюте плавно спускается на поверхность. Траектория падения (дрейфа в атмосфере) отслеживается локатором.

Давление, температура и, наконец, основное — скорость и направление ветра, измеряются ракетой с высокой точностью.

Научные исследования с помощью пусков ракет не ограничиваются только этими измерениями, на этих высотах предметом изучения могут быть и состав воздуха и озоновый слой, и солнечное излучение, и радио магнитное излучение.

Исследования с помощью спутников и орбитальных станций

Космическая эра наблюдений (исследований) началась с запусков искусственных спутников земли (4 октября 1957 года был запущен первый советский спутник).

На сегодняшний день спутники, облетая планету, предают информацию через каждый час-полтора, охватывая полосу поверхности планеты шириной от километра до трех. Следующий виток проходит рядом, поэтому за двенадцать-четырнадцать оборотов метеорологи получают полную (кроме полюсов) фотографическую картинку поверхности и облачных масс.