Погода интересует всех

Диагноз будущего состояния атмосферы

В 1895 г. русскому физику А. С. Попову удалось создать прибор, который мог улавливать шумы и треск, создаваемые грозой. Шумы можно было слышать, даже когда грозового облака еще не было видно. Попов в том же году доложил о своем приборе, который он назвал грозоотметчиком, Русскому физико-химическому научному обществу.

Прибор Попова был предшественником современных радиотехнических устройств. С тех пор началось бурное развитие беспроволочной радиосвязи. Однако наряду с радиоволнами, излучавшимися передатчиками, радиоприемники всегда воспринимали шумы и свисты, которых радиопередатчики не излучали. Особенно сильными они становились, когда над местом приема радиосигналов проходили грозы. Каждый радиослушатель знает это по собственному опыту. Причиной помех являются тихие разряды в атмосфере, а также, конечно, и молнии.

Таким образом, к каждому радиоприемнику приходят электромагнитные волны, излучаемые различными передатчиками, и помехи, возникающие в атмосфере.

Атмосферные помехи, столь неприятные для радиосвязи, позволяют определять местоположение зон осадков и очагов гроз. В метеорологических обсерваториях всех стран непрерывно регистрируются все атмосферно-электрические характеристики, атмосферные помехи и в том числе степень интенсивности грозовой деятельности.

При ударе молнии постоянное электрическое поле в атмосфере, называемое статическим, внезапно исчезает. Электромагнитные волны, возникающие при разряде, имеют высокую частоту. Следовательно, близкие грозы можно обнаружить по внезапному исчезновению статического электрического поля и по появлению электромагнитных волн высокой частоты. Если же грозы находятся более чем в 50 км от места наблюдений, то статическое электрическое поле ослабевает незначительно, хотя электромагнитные волны с более высокими частотами преобладают. При весьма отдаленных грозах, например, над Атлантическим океаном или в тропиках, статическое электрическое поле в наших широтах не нарушается, т. е., как и в дни с хорошей погодой, разность потенциалов составляет 120 вольт на метр. В этом случае прибор регистрирует только электромагнитные волны низкой частоты. Таким образом, исследования в области атмосферного электричества могут быть полезными и для синоптической метеорологии, ибо они дают синоптику дополнительные сведения об интенсивности грозовых очагов, о расстоянии до них и о направлении их движения.

Самый обычный радиоприемник позволяет установить, находимся ли мы в области грозы, если даже грозы еще не видно визуально. Однако определить направление или расстояние до грозовых очагов в этом случае невозможно. Местоположение источника приходящих к нам электромагнитных волн можно установить специальными приборами. Например, в Главной обсерватории метеорологической и гидрологической службы ГДР в Потсдаме имеется аппаратура, регистрирующая число молний и расстояние до грозовых очагов. Благодаря этому удается, в частности, определять скорость перемещения и интенсивность холодных атмосферных фронтов, движущихся над Атлантическим океаном, ибо на таких фронтах часто наблюдаются грозы.

В последнее время для радиовещания и особенно для радиосвязи предпочитают использовать ультракороткие радиоволны, так как в этом диапазоне частот атмосферные помехи бывают наиболее слабыми. Телевизионные передачи также осуществляются на ультракоротких волнах. Однако было замечено, что качество приема, будь это чистота звука при радиопередаче или изображения при телевизионной передаче, также подвержено колебаниям. Они возникают, когда появляются наиболее сильные атмосферные возмущения.

Как известно, ультракороткие радиоволны, в отличие от более длинных, не отражаются от слоев ионосферы. Такие волны пронизывают ее и уходят в космическое пространство. Следовательно, мы воспринимаем радиоприемниками лишь те из ультракоротких радиоволн, которые распространяются в атмосфере вблизи земной поверхности. Но и эти волны ослабляются в атмосфере то в большей, то в меньшей степени. В ультракоротковолновом диапазоне такими помехами являются уже не случайные и беспорядочные шумы и свисты, как на более длинных волнах, а тесно связанные с изменениями состояния нижних слоев атмосферы и, в первую очередь, с наличием в ней облаков и зон осадков. Если расположить вокруг одного приемника несколько передатчиков и регистрировать посылаемые ими радиосигналы, то ослабление этих сигналов будет сильнее там, где в атмосфере больше зон дождя или снегопада. Однако такая методика была бы очень неэкономной, ибо потребовалось бы много передатчиков, работающих на одинаковой частоте. Поэтому на практике используется всего один передатчик, который непрерывно излучает радиосигналы в одном определенном направлении, измеряется же энергия радиосигналов, отразившихся от тех или иных атмосферных препятствий. Так устроен радиолокатор (радар).

Определение местоположения зон осадков с помощью метеорологического радиолокатора.

Поясним действие радиолокатора с помощью совсем простого примера. Радар можно сравнить с человеком, который в очень темную ночь подает с перерывами громкие сигналы и при этом медленно поворачивается вокруг. Когда он слышит эхо, то ему ясно, что вблизи имеется препятствие — дом, забор или возвышенность. Зная направление эхо и время, за которое возвращается к нему звук, человек может определить местоположение отражающего препятствия.

То же самое происходит и с электромагнитными волнами радиолокатора. Они отражаются от любых твердых и жидких тел: от горы, от сплошного ряда домов, от корабля, плывущего в море, и от самолета, летящего в воздухе. На всех более или менее крупных судах имеются радарные установки, позволяющие даже в тумане или ночью замечать скалистые берега, плавучие айсберги и любые другие препятствия.

Ультракороткие волны длиной несколько сантиметров отражаются также от твердых и жидких частиц, взвешенных в атмосфере, и особенно от осадков. Таким образом, радар приобретает очень большое значение для обнаружения и исследования зон атмосферных осадков. Это особенно важно потому, что в наших представлениях о процессах образования осадков все еще много пробелов. До сих пор мы с помощью различных осадкомеров изучали лишь дождь, снег или град, уже выпавшие на земную поверхность, т. е. конечный результат сложных атмосферных процессов. При этом мы не имели представления о том, в каких участках облака и на каких высотах образовались эти осадки. Очаг формирования осадков не расположен непосредственно над тем местом, где они выпали, так как продолжительность их падения составляет десятки минут. Кроме того, во время падения характер осадков может измениться: снег в результате таяния превращается в дождь, а дождь — в ледяной дождь. Осадки могут полностью испариться, не достигнув земной поверхности. Только летчики могли бы получить более полное представление об условиях образования осадков в облаках. Но проведение исследований с помощью самолета ограничивается сравнительно большой его скоростью. Радиоэхо, отраженное от зон осадков, имеет различную интенсивность в зависимости от размеров капель. По интенсивности отраженных импульсов локатора можно установить, в какой части облака происходит слияние мелких облачных капель и образование крупных капель дождя. Зоны наиболее интенсивного образования таких капель чаще всего расположены ниже уровня замерзания. Они обнаруживаются на экране радиолокатора в виде светлой полосы. Зоны же образования снега, инея или крупы имеют вид отдельных светлых пятен.

Сведения о процессах возникновения дождя или снега в естественных условиях имеют особенно большое значение для решения проблемы искусственного вызывания осадков. В частности, по наземным наблюдениям нельзя решить, был ли успешным засев в облака йодистого серебра или твердой углекислоты. Даже при успешном засеве часть осадков испарится, проходя через нижние слои атмосферы. Радар позволяет точно установить, происходило ли образование осадков в облаке при введении в него ядер кристаллизации.

Непрерывное наблюдение за перемещением зон осадков представляет также очень большой интерес при составлении прогноза погоды. Поэтому были разработаны и построены специальные метеорологические радары, которыми располагают теперь метеорологические службы многих стран. Метеорологический радар работает на волне 3,2 см и имеет мощность 50 квт. Он излучает 500 или 1000 импульсов в секунду, а длительность отдельного импульса составляет миллионную долю секунды. Фокусировка импульсов производится с помощью параболического зеркала. Импульсы направляются лучевой антенной, помещенной в фокусе зеркала. Установка смонтирована на стальной мачте и вращается вокруг своей оси со скоростью 6 оборотов в минуту. Таким образом, импульсы излучаются во всех направлениях от локатора. После отражения от частиц осадков они снова улавливаются, усиливаются и появляются на экране локатора. На шкале радара интенсивность обнаруженных им осадков характеризуется в единицах, принятых в обычных метеорологических самописцах дождя.

При градуировке прибора основываются на том, что он обнаруживает зоны осадков только при определенном усилении импульсов. При максимальной чувствительности приемника на экране локатора обнаруживается даже морось. Изображение на экране локатора характеризует наибольшую протяженность зоны осадков. Затем чувствительность приемника постепенно уменьшают. Эхо, отраженное от самых мелких капель, уже не воспринимается усилителем, и контур зоны облаков на экране локатора сокращается. Теперь на нем изображается лишь область, в которой осадки имеют значительную интенсивность. По мере снижения чувствительности приемника размеры зоны осадков на экране уменьшаются. Теперь на нем отражается лишь зона самых интенсивных осадков. Помимо такого панорамного изображения зон осадков локатор еще дает возможность направить отраженные сигналы на осциллограф и по амплитуде колебаний получить представление об интенсивности осадков. Путем суммирования сигналов с помощью специального электронного устройства можно точно определить количество выпадающих осадков.

В настоящее время радиолокация стала неотъемлемой частью комплекса рабочих методов, используемых при прогнозировании погоды. Радиолокаторы позволяют следить за образованием зон осадков в радиусе 250 км, так что наблюдения на отдельных наземных метеостанциях могут быть теперь дополнены общими обзорами всей территории с помощью локаторов. Это особенно выгодно в тех районах, где сеть станций редкая. Кроме того, при наличии локатора нет необходимости передавать синоптику телеграфное извещение о том или ином особом атмосферном явлении — например, о выпадении ливневого дождя в той или иной местности. Хотя подобные извещения передаются очень быстро, их составление и передача все же занимают не менее 10 минут, поэтому предупреждение, адресованное промышленному предприятию или транспортной конторе, может оказаться устаревшим.

Помимо этого радиолокация имеет еще одно преимущество. Ночью, когда визуальные (зрительные) наблюдения за состоянием атмосферы производятся лишь в ближайших окрестностях метеорологической станции, радар работает так же, как днем, и дает метеорологу полное представление о поле осадков в большом районе вокруг станции.

Следует, однако, отметить, что измерения с помощью метеорологических радиолокаторов не могут как-то улучшить долгосрочные прогнозы погоды. Это связано с тем, что зоны осадков и атмосферные фронты представляют собой лишь особые формы превращения энергии в атмосфере. Они сравнительно кратковременны и не имеют решающего значения для развития воздушных течений в следующие дни.

Но краткосрочный прогноз погоды, безусловно, может быть детализирован с помощью радиолокационных наблюдений. Это является преимуществом для метеорологического обслуживания промышленности, сельского хозяйства и транспорта. Конечно, невозможно утром точно указать, в какой час дня выпадет ливень над Берлином или каким-либо другим городом. Но время прохождения над данным пунктом грозы, находящейся сейчас в 50 км от места установки радара, может быть определено совершенно точно. Поэтому становится вполне возможным краткосрочное штормовое оповещение потребителей. Это чрезвычайно важно, поскольку в суточных прогнозах погоды часто говорится лишь, что «возможны кратковременные ливневые осадки», причем уточнение территории, на которой выпадут осадки, не дается — эти прогнозы одинаково относятся как к южным возвышенным районам, так и к Северо-Германской низменности. Такие прогнозы мало устраивают потребителей, которые нуждаются в более конкретных данных. Правда, точный прогноз с помощью радиолокационных наблюдений может быть составлен только на 1–2 часа, но и это полезно для правильной организации работ и в ряде отраслей промышленности, и в сельском хозяйстве. Используя эту методику, служба погоды могла бы в будущем перейти к специализированным двухчасовым прогнозам погоды для разных отраслей народного хозяйства и передавать их по радио или по телевидению.