ВОЗДУШНАЯ РАЗВЕДКА ПОГОДЫ ВРП

Главная » Статьи » ВОЗДУШНАЯ РАЗВЕДКА ПОГОДЫ ВРП

ВОЗДУШНАЯ РАЗВЕДКА ПОГОДЫ ВРП

Позволяет получить следующие данные: * высота нижней и верхней границ облаков и количество облачных слоев; * видимость под облаками, в облаках, в осадках, за облаками, ' а также видимость ориентиров при заходе на посадку;

* данные о наличии опасных явлений погоды (обледенение, болтанка, грозовая деятельность и др.), их интенсивности и влиянии на полёт;
* ветер по высотам,
* температура воздуха по высотам,
* условия полетов,
* орнитологическая обстановка в районе аэродрома и полётов.

ВРП организует командир авиационной части. ВРП может быть самолетная, с помощью автоматических аэростатов и метеорологических ракет При визуальной разведке экипаж в полёте ведёт непрерывное наблюдение за облаками, осадками, обледенением, грозовой деятельностью, болтанкой, видимостью, туманом, дымкой, мглой, оптическими явлениями и конденсационными следами, не пользуясь при этом какой-либо аппаратурой. Визуально-инструментальная разведка погоды проводится экипажем для более полного анализа метеообстановки. В этом случае визуальные наблюдения необходимо производить в комплексе с некоторыми инструментальными измерениями, используя штатную бортовую или специальную аппаратуру По времени выполнения ВРП подразделяется на предварительную, предполетную и доразведку (в ходе полётов).

Предварительная воздушная разведка проводится за несколько часов, а в некоторых случаях за сутки и более до начала полётов для уточнения общей метеорологической и орнитологической обстановки в интересах обеспечения учений, воздушных парадов, особо важных и специальных перелётов и других мероприятий, если имеющихся сведений недостаточно для определения возможных изменений атмосферных процессов.

Предполетная воздушная разведка погоды проводится непосредственно перед летной сменой до начала предполётных указаний для уточнения фактической погоды и орнитологической обстановки в районе (на маршрутах) предстоящих полётов и в направлениях, откуда ожидается их изменение, а также в целях уточнения расчётных данных для захода на посадку и проверки работоспособности средств связи и РТО полётов. Она выполняется с таким расчётом, чтобы до начала предполетных указаний были получены погоде и орнитологической обстановке в районе (на маршрутах) полётов для принятия решения командиром и информации лётного состава перед полетами.

Предполётная ВРП проводится за 1,5-2 часа до начала полетов и должна заканчиваться за 30 - 50 минут до начала полётов. При полетах в несколько лётных смен предполётная ВРП для последующей смены может не проводиться, когда достаточно данных о метеорологической и орнитологической обстановке в районе (на маршрутах) полетов, полученных от находящихся в воздухе экипажей предшествующей смены. Предполетная ВРП может не проводиться и в устойчивых простых метеоусловиях. В указанных случаях полеты должны начинаться с доразведки погоды. Совмещать предполётную ВРП в районе аэродрома с выполнением других полётных заданий запрещается. Доразведка погоды организуется и- проводится в процессе полётов по указание командира авиационной части (руководителя полётов); в ПМУ не реже, чем через 2 часа, в СМУ - ежечасно, при минимуме погоды -через 30 минут (может совмещаться с полетным заданием).

Она проводится в целях своевременного обнаружения опасных явлений погоды и оповещения о них или уточнения метеорологической обстановки в районе аэродрома. При необходимости на направление, откуда ожидается ухудшение погоды, может высылаться экипаж -разведчик погоды для дежурства в воздухе. По направлению разведка погоды подразделяется в зависимости от состояния погоды и задач, которые поставлены командиром авиачасти на данные полёты.

Она может проводиться в районе аэродрома для определения метеоусловий взлёта и посадки самолетов (вертолетов) или в районе полётов для определения условий погоды в аэродромных зонах, на полигонах, т.е. в районе предстоящих полётов, или по маршруту полёта (перелёта) и на аэродроме посадки, или, наконец, в сторону изменения (ухудшения, улучшения) погоды - с целью уточнения данных для расчёта времени наступления этих изменений погоды в интересующем районе, а также на маршруте.

Влияние погоды на полеты ракет

Записаться на пробный урок 0
Помощь 0

Из-за блокировщика рекламы некоторые функции на сайте могут работать некорректно! Пожалуйста, отключите блокировщик рекламы на этом сайте.

Международный день полёта человека в космос /
Космос и экологические проблемы /
Влияние пусков ракет на атмосферу Земли

ВЛИЯНИЕ ПУСКОВ ТРАНСПОРТНЫХ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА АТМОСФЕРУ ЗЕМЛИ

Обсуждая перспективы развития космонавтики, в том числе решение таких крупномасштабных задач, как развертывание многоцелевых орбитальных комплексов, спутниковых солнечных электростанций, создание лунной базы-станции, нельзя забывать об экологии окружающей среды. Интенсивное освоение космоса может привести к весьма ощутимым воздействиям на околоземную среду.

Прежде всего это касается транспортных космических систем (ракет носителей и космических буксиров) объем операций которых продолжает расти и расширяться. Реализуемый в настоящее время мировой грузопоток в космос требует ежегодно около 100 – 120 пусков ракет носителей различной грузоподъемности. В перспективе при решении новых задач возможно его увеличение в несколько раз. Массовые пуски ракет-носителей, сопровождаемые выбросом большого количества продуктов сгорания, будут влиять на атмосферу Земли. Необходима оценка уровня такого воздействия, чтобы избежать в будущем нежелательных последствий.

В таблице приведены состав и количество выбросов продуктов сгорания в атмосферу при пускал различных РН.

Выбросы, т	Состав продуктов сгорания
Выбросы, т	Н₂О	СО	CO₂	H₂	Окислы N₂	HCl	А1₂О₃
РН	Н₂О	СО	CO₂	H₂	Окислы N₂	HCl	А1₂О₃
«Зенит»	115	98	186	2
«Атлас-Центавр»	51	23,5	45	0,9
«Ариан-4»	83	99	68	1,4	94	7,8	10,7
«Энергия»	1084	340	649	27
«Шаттл»	727	326	13	52	88	225	310

Для рассмотрения экологического воздействия ракетных продуктов сгорания на атмосферу Земли в зависимости от высоты выбросов целесообразно разделить ее на три слоя (сферы) тропосферу, стратосферу и ионосферу.

Тропосфера – нижняя, основная часть атмосферы простирается от поверхности Земли до высоты 16 – 18 км в тропиках, до 10 – 12 км в умеренных и до 8 – 10 км в полярных широтах. Характеризуется понижением температуры с высотой со средним вертикальным градиентом 6,5 град/км и развитой турбулентностью, которая обеспечивает быстрое перемешивание загрязнений как по горизонтали, так и по вертикали.

Стратосфера – слой атмосферы, находящийся над тропосферой и простирающийся до высоты 50 км. Со стратосферой практически совпадает озоносфера – слой с повышенной концентрацией озона, который надежно экранирует поверхность Земли и все живое от вредного воздействия коротковолновой ультрафиолетовой солнечной радиации. Максимальная плотность озона (число молекул в единице объема) наблюдается в средних широтах на высоте 24 – 26 км. Характерной особенностью стратосферы являются аэрозольные слои, оказывающие влияние на тепловой и динамический режимы атмосферы.

Ионосфера простирается от высот 60 – 80 км до высоты около 400 км. В ней наблюдаются заряженные частицы (ионы и электроны), относительное содержание которых возрастает с высотой. Особенностью ионосферы является ее способность влиять на распространение радиоволн различных частотных диапазонов. С этой точки зрения важными характеристиками ионосферы следует считать концентрацию и эффективную частоту соударений свободных электронов.

Основными вредными факторами, влияющими на состояние окружающей среды при пусках РН, являются большие выбросы продуктов сгорания при старте в приземном слое атмосферы (тропосферы), уменьшение концентрации озона в стратосфере и свободных электронов в ионосфере. Рассмотрим это влияние на примере эксплуатации наиболее мощных ракет-носителей типа «Энергия» и «Шаттл». О степени воздействия выбросов продуктов сгорания ракетных топлив на тропосферу можно судить в сравнении с другими источниками загрязнения.

Двуокись углерода (СО₂₎, находящаяся в атмосфере, влияет на радиационный баланс Земли, увеличение ее содержания может привести к парниковому эффекту – повышению температуры воздуха и поверхности Земли. Ежегодно с продуктами сгорания в тропосферу поступает около млн. т СО₂ (от сжигания нефти – 8200, угля – 2300, газа – 2700 и древесины – 1800 млн. т/год). Вклад двуокиси углерода, содержащейся в продуктах сгорания ракетных топлив, в общий тропосферный баланс СО₂ (около 1011 т/год) пренебрежимо мал даже при реализации перспективных грузопотоков в космос (порядка 3 ∙ 10 4 т/год для 50 пусков РН «Энергия») и не может оказывать влияния на процессы, протекающие в тропосфере.

Природные источники окиси углерода (СО) – лесные пожары (11 млн. т/год) и выделения океанов (10 млн. т/год) – составляют лишь 5 – 10% от общего потока СО в тропосферу. Основным источником СО (300 млн. т/год) является неполное сгорание топлива в промышленных печах, котельных и автомобильных двигателях. Так, по усредненным подсчетам одна автомашина потребляет в год 2 т бензина и выбрасывает в тропосферу 0,7 т СО. Следовательно, пуск одного носителя «Энергия» по объему выделяемой окиси углерода можно приравнять к годовой эксплуатации лишь нескольких сотен автомашин, т. е. СО, содержащаяся в продуктах сгорания ракетных топлив, даже при массовых пусках РН «Энергия» не дает заметного вклада в общее антропогенное загрязнение тропосферы.

Вода и водород вообще не оказывают вредного влияния на тропосферу. Молекулярный азот является естественной составляющей атмосферного воздуха, а выделяемый при пусках РН аммиак разбавляется окружающим воздухом, и его концентрация быстро уменьшается до предельно допустимой.

К нежелательным локальным последствиям в районе старта ракет-носителей могут привести выбросы хлористого водорода и окислов алюминия, содержащиеся в продуктах сгорания некоторых носителей, в частности «Шаттла». Эти выбросы могут вызвать выпадение кислотных дождей, увеличение содержания в воздухе взвешенных частиц, токсичное загрязнение облачного покрова, изменение погодных условий на прилегающих к стартовой площадке территориях. Однако отмеченные эффекты кратковременны, поскольку турбулентные течения в приземной атмосфере приводят к быстрому перемешиванию выброшенных химических компонентов и снижению их концентрации до безопасного уровня. Следует отметить, что эти составляющие выбросов образуются при сгорании твердых ракетных топлив и не содержатся в продуктах сгорания отечественных ракет-носителей.

В отличие от низких слоев атмосферы, подвергающихся сильным турбулентным процессам, в стратосфере на высотах 15 – 50 км состояние газового состава практически неизменно, поэтому любое загрязнение этих слоев будет носить долговременный характер. На этих высотах, как уже отмечалось, важную экологическую роль играет озонный слой, который образуется путем фото-диссоциации кислорода и последующего взаимодействия его атомов с молекулами. Источником разрушения озона служат каталитические реакции. Содержание озона в атмосфере весьма неоднородно вследствие различных скоростей озонообразующих и озоноразрушающих реакций на равных высотах. Из общей массы атмосферы Земли 5 ∙ 10 15 т на долю озона приходится 3 ∙ 10 9 т. Если его привести к нормальным условиям (760 мм рт. ст., 0°С), то вокруг Земли в среднем получится слой толщиной всего около 3 мм. Поэтому не следует удивляться, что озоносфера оказалась «болевой точкой» планеты. Установлено, что увеличение уровня ультрафиолетового излучения, обусловленное уменьшением содержания озона в атмосфере на 1%. ведет к увеличению заболеваемости населения раком кожи более чем на 2%. Отсюда видно, как важно сохранение постоянства озона в атмосфере.

В настоящее время считается доказанным, что в течение последних 20 лет происходит уменьшение общего содержания озона в атмосфере Земли, и наиболее вероятной причиной этого является антропогенное загрязнение стратосферы. Один из источников такого загрязнения – фреоны, используемые в аэрозольных установках и в качестве хладоагента в холодильниках и кондиционерах. Будучи химически стойкими, они в конце концов попадают вместе с воздушными потоками в стратосферу, где способствуют разрушению озона. Следует отметить, что попадающие в атмосферу примеси перераспределяются воздушными потоками и могут воздействовать на озон в районах, далеко отстоящих от мест локальных загрязнений. Так, /предполагается, что причиной возникновения озонной «дыры» над Антарктидой являются фреоны, выбрасываемые в средних широтах Северного полушария. Монреальским протоколом, подписанным многими странами, в том числе СССР, определен порядок сокращения производства и выбросов фреонов в атмосферу. Но эта мера не является исчерпывающей. Существует большое количество других веществ, выброс которых в атмосферу приводит к разрушению озонного слоя.

В частности, на озонный слой влияют продукты сгорания РН. Они не соизмеримы по своей массе с промышленными загрязнениями, но в отличие от них выбрасываются ракетами-носителями в широком диапазоне высот атмосферы. И практически при 'полете любой РН в озонном слое возникает «окно», которое со временем затягивается. Эволюция следа РН происходит под влиянием атмосферной циркуляции и химических реакций между продуктами сгорания и воздухом. Количественно оценить изменения в озонном слое под воздействием ракетных выбросов можно с помощью разработанных фотохимических моделей, достаточно подробно описывающих весь сложный комплекс фотохимических превращений в тропосфере и стратосфере. При этом необходимо знать состав и количество продуктов сгорания, выбрасываемых ракетой по высоте траектории ее полета.

Озон разрушается в результате воздействия водяных паров, содержащихся в значительных количествах в продуктах сгорания всех жидкостных ракетных двигателей, а также окислов азота, образующихся из азота и кислорода воздуха под воздействием высоких температур в факелах ракетных двигателей. Размеры таких «окон» возрастают, если в составе РН используются ракетные двигатели на твердом топливе. Кроме аналогичного образования окислов азота (из воздуха), в их реактивных струях содержится большое количество хлористого водорода, который отнесен Венской конвенцией об охране озонного слоя (март 1985 г.) к особо активным озоноразрушающим веществам. Каждый атом хлора разлагает в тысячи раз больше молекул озона, чем одна молекула окисла азота. Поэтому с экологической точки зрения для реализации больших грузопотоков в «осмос целесообразно использовать ракеты-носители на базе жидкостных ракетных двигателей типа РН «Энергия», «Зенит», «Атлас-Центавр».

Оценка влияния пусков ракет-носителей на озонный слой проводилась для одиночных пусков и для программы ежемесячных пусков РН «Энергия» в течение неограниченного времени*.

* См.: Бурлаков В. П., Еланский Н. Ф., Филин В. М. Влияние запусков ракет «Шаттл» и «Энергия» на озоновый слой // Вестник АН СССР. – 1990. – № 12.

Динамика разрушения озонного слоя при одиночном пуске РН «Энергия» протекает следующим образом. В следе ракеты диаметром несколько сотен метров озон разрушается полностью на всех высотах практически мгновенно. Под влиянием макротурбулентной диффузии выброшенные вещества перемешиваются в столбе диаметром несколько километров за несколько часов. Содержание озона в этом столбе на высотах 16 – 24 км уменьшается на 15 – 20% через 2 ч, а затем происходит постепенное затягивание образовавшегося «туннеля». Облако ракетных выбросов в стратосфере через неделю достигает размера нескольких сотен километров. Максимальное разрушение озона в облаке происходит на высотах 24 – 30 км примерно через 24 дня после старта. Одновременно в тропосфере и верхней стратосфере происходит образование озона. С учетом компенсирующего положительного эффекта общее содержание озона в районе пуска РН «Энергия» (в пределах вертикального столба диаметром 550 км) снизится через 24 дня на 1,7% или в массовом отношении уменьшится на 27 тыс. т. Для сравнения при пуске носителя «Шаттл» – на 2% или 32 тыс. т. Таким образом, одиночные пуски РН «Энергия» не оказывают заметного влияния на озонный слой в масштабе полушария.

При ежемесячных пусках РН «Энергия» в течение неограниченного времени состав атмосферы под действием циркуляции воздушных масс переходит в новое равновесное состояние через 11 лет. Наибольший дефицит озона в атмосфере (0,4 – 0,6%) отмечается к северу от 40° с. ш. При еженедельных пусках РН «Энергия», что может потребоваться в перспективе при решении, например, такой крупномасштабной задачи, как развертывание на орбите солнечной электростанции, общие потери озона еще более возрастут. Необходимы специальные исследования по уточнению этих оценок и определению предельно допустимой интенсивности пусков РН различной грузоподъемности с точки зрения сохранения равновесного состояния озонного слоя Земли.

А какие процессы сопровождают запуски ракет-носителей в ионосфере?

Еще в 60-е годы внимание специалистов привлекли необычные явления на этих высотах, происходившие при пусках мощных РН. В ионосфере вблизи следа ракеты как бы образовывалась «дыра», которая затягивалась только через несколько часов. Тогда предположили, что разреженная ионосферная плазма «выталкивается» газами, выбрасываемыми при полете ракеты.

Впечатляющий эффект воздействия ракеты на ионосферу был зарегистрирован в мае 1973 г. при выведении на околоземную орбиту американской станции «Скайлэб». Запуск осуществлялся тяжелой ракетой-носителем «Сатурн-5», двигатели которой работали до высот 300 – 400 км, а на эти высоты приходился максимум ионизации ионосферы. Было замечено, что при запуске станции концентрация электронов в ионосфере уменьшилась вдвое, причем площадь возмущения достигла 1 млн. км 2 . Так называемый скайлэб-эффект в ионосфере повторился при запуске астрофизической обсерватории ракетой-носителем «Атлас-Центавр» в сентябре 1979 г. Тогда образовалась ионосферная «дыра» площадью 1 – 3 млн. км 2 . Измерения показали, что 80% ионов и электронов исчезли в течение двух минут после прохождения ракеты.

При полете в ионосфере основным продуктом сгорания тяжелых ракет-носителей, работающих обычно на кислородно-водородном топливе, является вода. Учитывая отсутствие воды на больших высотах, это необычное явление можно также расценивать как фактор загрязнения природной среды, таящий в себе потенциальную возможность нарушения естественного равновесия. Действительно, на высотах 70 – 90 км, где наиболее низкая температура атмосферы, молекулы воды быстро конденсируются и смерзаются в кристаллики льда. В результате могут возникнуть искусственные облака, подобные серебристым, образующим самый верхний облачный покров в атмосфере Земли. На еще больших вы сотах в ионосфере, как уже говорилось, наблюдается взаимодействие водяных паров с ионосферной плазмой, в результате чего и образуются зоны с пониженной плотностью электронов, которые сопровождаются различного рода аномалиями в области свечения ионосферы, распространения радиоволн и пр.

Помимо РН, на ионосферу Земли могут оказывать влияние полеты космических буксиров на базе жидкостных и электрических ракетных двигателей, которые сопровождаются выбросом в окружающую среду молекул воды и водорода (при работе ЖРД) или ионов аргона и электронов (при работе ЭРД), что также может привести к образованию ионосферных «дыр», а в магнитосфере – к возникновению так называемых триггерных явлений – нарушению динамического равновесия волн и частиц этой неустойчивой среды.

Для оценки масштаба возможного воздействия на ионосферу космических буксиров приведем несколько цифр, полученных специалистами применительно к полетам перспективных межорбитальных транспортных аппаратов*. Так, по расчетам запуски тяжелых космических буксиров на кислородно-водородном топливе могут сопровождаться инжектированием в ионосферу 10 31 молекул Н₂ и Н₂О, что вызовет образование ионосферной «дыры» площадью до 20 млн. км 2 . В зависимости от геофизических условий длительность существования такой «дыры» может достигать 1 – 16 ч. А при регулярных запусках космических буксиров со среднеширотных полигонов в Северном полушарии может образоваться в ионосфере глобальный пояс шириной несколько тысяч километров, где степень уменьшения электронной концентрации составит не менее 10%. Таким образам, переход к массовым пускам РН и космических буксиров может привести к глобальному воздействию на ионосферу, последствия которого остаются еще до конца не изученными.

* См.. Новиков Л. С., Петров Н. Н. Романовский Ю. А. Экологические аспекты космонавтики. – М.: Знание, 1986.

Для исследования и прогноза антропогенных явлений в околоземном пространстве, в том числе ,и в атмосфере, возникающих при полетах транспортных космических систем (ТКС), проводятся активные эксперименты. В отличие от традиционных пассивных методов наблюдения, когда измеряются только параметры среды, с помощью этих экспериментов изучается реакция околоземной среды на контролируемые возмущения, производимые посредством инжекции плазмы, нейтрального газа, пучков частиц и т. п.

Различают две группы активных экспериментов. К первой относятся эксперименты типа меченых атомов, которые в основном «трассируют» происходящие в околоземной среде процессы, для чего с борта ракет проводится инжекция паров щелочных металлов, наблюдаемых в виде светящихся облаков.

Вторая группа экспериментов предполагает проведение локальных «дозированных» возмущений среды. Например, для изучения газодинамических, плазменных и аэродинамических процессов образования ионосферных «дыр» были выполнены активные модельные эксперименты с выпуском в ионосферу специальных компонентов (Н₂, Н₂О, СО₂ и др.), снижающих концентрацию электронов в ионосфере. Результаты этих экспериментов позволили глубже разобраться в механизме образования ионосферных «дыр» и проверить существующие модели искусственных возмущений ионосферы. Одновременно проведение активных экспериментов дает информацию для оценки масштабов антропогенных воздействий и их последствий и позволяет установить «экологические границы» для производственной деятельности в космосе, включая использование транспортных космических систем.

С целью контроля прогноза состояния верхней атмосферы, ионосферы и магнитосферы Земли у нас в стране создана специальная гелиофизическая служба, которая опирается на развитую наблюдательную сеть, включающую спутники «Прогноз», «Метеор» и различные наземные станции, в том числе станции ракетного зондирования атмосферы.

Таким образом, подводя итоги вышесказанному, следует отметить, что загрязнение атмосферы со стороны транспортных космических систем пока носит локальный характер, контролируется и сейчас не представляет опасности. В глобальном масштабе выбросы в атмосферу продуктов сгорания при полетах ТКС малы по сравнению с промышленными выбросами, однако в отличие от последних они воздействуют на атмосферу в широком диапазоне высот, особенно проявляя себя в верхних слоях – стратосфере и ионосфере. Эта особенность воздействия ракетных выбросов на атмосферу требует дальнейшего глубокого изучения с целью своевременного предотвращения нежелательных последствий, которые могут проявить себя при росте масштабов использования ракетно-космической техники. Поэтому перспективные ТКС должны проходить экологическую паспортизацию, а проектные исследования по решению крупномасштабных задач в космосе должны проводиться с оценкой экологического воздействия привлекаемых средств на окружающую среду.

НОВОЕ В ЖИЗНИ, НАУКЕ, ТЕХНИКЕ

ПОДПИСНАЯ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ СЕРИЯ

КОСМОНАВТИКА, АСТРОНОМИЯ
Издается ежемесячно с 1971 г.

Влияние температуры воздуха на полеты воздушных судов.

Температура воздуха в значительной мере влияет на производство полетов. С повышением температуры воздуха увеличивается длина разбега самолета, которая зависит от силы тяги двигателя. При повышение температуры сила тяги падает, самолет с меньшим ускорением набирает скорость, что увеличивает его пробег по взлетно-посадочной полосе (ВПП) до набора нужной скорости отрыва. Поэтому при высоких температурах, чтобы самолет смог набрать нужную скорость и оторваться от земли уменьшается его коммерческая загрузка.

При посадке самолета температура воздуха тоже влияет на длину пробега самолета. При более высоких температурах длина пробега несколько увеличивается.

Одной и важнейших летно-технических характеристик самолета является его потолок. Потолком самолета называется наибольшая высота, на которую может подняться самолет при определенном режиме полета. С увеличением температуры воздуха потолок самолета понижается.

Таким образом, сведения о температуре воздуха на уровне ВПП и на высотах является очень важной метеорологической информацией для обеспечения полетов воздушных судов.

Атмосферное давление

На все предметы, находящиеся в атмосфере и на земную поверхность атмосфера оказывает давление своим весом. Атмосферное давление – это сила, действующая на 1 см 2 горизонтальной поверхности, вызываемая весом столба воздуха находящегося над данной поверхностью. Чем больше высота этого столба и чем плотнее воздух в нем, тем больше атмосферное давление. Следовательно, значение атмосферного давления уменьшается с высотой.

Атмосферное давление измеряет барометром, в котором вес столба воздуха уравновешивается высотой столба ртути, измеряемого в миллиметрах. Следовательно, единицей измерения давления служат миллиметры ртутного столба (мм рт.ст). это величина относительная, но мм рт.ст. можно перевести в абсолютные единицы давления гектопаскали (гПа) или миллибары (Мб)

1 мм.рт.ст.=1,333 гПа или мб.

1 гПа (мб)=0,75 мм.рт.ст.

Изменение давления с высотой

Атмосферное давление изменяется с высотой по логарифмическому закону: в нижних слоях атмосферы оно уменьшается быстрее, чем в верхних. Высота, в пределах которой атмосферные давление изменяется на одну единицу (1 мм.рт.ст. или 1 мб.) называется барической ступенью.

Величина барической ступени определяется по формуле:

h= (l+ ) (2.6.)

P_ср иt_ср-средние величины атмосферного давления и температуры слоя толщиной h метров.

Из формулы (2.6.) видно, что величина барической ступени обратно пропорционально давлению воздуха. Чем меньше давление, тем больше барическая ступень. С высотой барическая ступень возрастает, т.к. давление уменьшается. Величина барической ступени прямо пропорциональна температуре воздуха. Поэтому в теплых воздушных массах уменьшение давления с высотой

происходит медленнее, чем в холодных.

Барическая ступень у поверхности земли изменяется сравнительно мало и составляет в среднем 8м на 1 мб(гПа). Однако с высотой она резко возрастает и на высоте порядка 16км (100мб) при температуре -40 0 величина барической ступени уже около 70м.

Таблица 2.1.

Барическая ступень (h м/мб) при разных значениях

Температуры и давления

Давление, мб	Температура, 0 С
-40	-20
6,7	7,4	8,0	8,6	9,3
13,4	14,7	16,0	17,3	18,6
67,2	73,6	80,0	86,4	92,8

Из данных таблицы (2.1) видно, что колебания величины барической ступени на одном и том же уровне при разной температуре воздуха менее значительны, чем изменение величины барической ступени от высоты.

Для анализа изменения давления у земли используется величина барометрической тенденции. Барометрическая тенденция – это величина и характер (повышение или понижение) давления за последние 3 часа. При понижения давления барометрическая тенденция отрицательная, при повышения давления – положительная. Барометрическая тенденция определяется по барографу (самописцу давления).

Величина давления на аэродроме измеряется до десятых долей мм.рт.ст. или вычисляется до десятых долей ГПа и округляется в меньшую сторону до ближайшего целого числа. В работе авиации используется давление не приведенное к уровню моря (QFE) в мм.рт.ст. и приведенное к уровню моря (QNH) в гПа. Давление не приведенное к уровню моря – это давление, измеренное на аэродроме.

Давление приведенное к уровню моря –это, когда в давление, измеренное на аэродроме, вводится поправка на высоту аэродрома над уровнем моря. При этом получается такое давление, которое было бы на аэродроме, если бы он находился на уровне моря.

Значение атмосферного давления на аэродроме очень важно при посадке воздушных судов. Полет происходит на эшелонах рассчитанных по среднему (стандартному) давлению над уровнем моря. Но на каждом аэродроме есть значение стандартной высоты над уровнем моря, когда приборы переключаются на фактическое давление на аэродроме. Эта высота называется эшелоном перехода. При вводе фактического давления аэродрома на эшелоне перехода летчик получает значение истинной высоты воздушного судна над поверхностью ВПП. Поэтому очень важно иметь самые точные сведения о фактическом

давление на аэродроме.

Давление воздуха зависит от его плотности. Плотность воздуха – это отношение массы воздуха к его объему. Обычно плотность воздуха (ρ) выражается в г/м 3 .

При температуре 0 0 и давления 760 мм.рт.ст. плотность сухого воздуха равна - 1293 г/м 3 .

В Европе средняя величина плотности воздуха у поверхности земли составляет 1250 г/м 3 , на высоте 5 км она равна 735 г/м 3 , а на высоте 10км равна 411 г/м 3 . У экватора значения плотности воздуха меньше чем в Европе, а у полюсов – больше. Зимой плотность воздуха больше, чем летом.

Стандартная атмосфера

Стандартная атмосфера (СА) – характеристика некоторого независимого от времени суток и года постоянного состояния атмосферы. При этом предполагается, что воздух представляет собой идеальный газ и основные его параметры имеют определенные общепринятые исходные значения.

Реальная атмосфера в конкретный момент и конкретном пункте может отличаться от стандартной, поэтому нужно иметь возможность объективного сопоставления между собой данных о летных характеристиках, полученных в различных условиях или в разное время. Это осуществляется приведением летных характеристик к условиям СА.

В практике возможны случая, когда требуется перейти от реальных наблюдавшихся условий к стандартным или наоборот. Например, в разные дни разные самолеты достигли различных максимальных высот, и требуется определить, у какого самолета выше потолок. В этом случае нужно перейти от реальной атмосферы к стандартной. Или в другом случае известна расчетная максимальная скорость полета в условиях СА, а какая может быть достигнута реальная скорость. В этом случае надо перейти к реальным условиям конкретного дня.

Введение СА позволяет получить сравнимые между собой показания приборов, данные летных испытаний, результаты аэродинамических расчетов, геофизических и метеорологических измерений. Параметры и физические характеристики СА принимаются с учетом многолетних средних значений метеорологических элементов.

Основные параметры СА на уровне моря:

Р₀= 1013,25 мб(гПа)=760 мм.рт.ст.

Для верхней тропосферы и нижней стратосферы Т=-56 0 С. Для оценки метеорологических условий полета необходимо знать климатические характеристики и реальное распределение параметров атмосферы по высотам. Очень важны при этом данные о распределение температуры и ее отклонений от стандартных. 15

Влажность воздуха

В атмосферном воздухе всегда находится водяной пар. Более 70% нашей планеты покрыто морями и океанами, с поверхности которых происходит непрерывное испарение влаги. Эта влага переносится воздушными потоками в вертикальном и горизонтальном направлениях. Таким образом, она поступает на континенты. На континентах кроме того имеются свои источники увлажнения воздуха. Это озера, реки, болота. Влага испаряется также с поверхности почвы, льда и растительного покрова. По этим причинам атмосферный воздух содержит то или иное количество водяного пара, которое называется влажностью воздуха. Причем, влажность связана не только с содержанием в воздухе водяного пара, но и с его температурой.

Различают действительную влажность воздуха на данный момент времени и максимально возможную при данной его температуре, когда будет достигнуто состояние насыщения, и станет невозможным дальнейшее увеличение в воздухе количества водяного пара, поскольку процессы испарения и конденсации водяного пара будут взаимно компенсировать друг друга.

Влажность воздуха характеризует ряд величин.

-30 -20 -10 0 +10 +20 +30

Рис. 2.2 Зависимость количества насыщающего пара А от температуры.

Упругость водяного пара – эта та часть атмосферного давления которая создается водяным паром, обладающим, как и всякий газ некоторой упругостью. Выражается упругость в миллибарах или миллиметрах ртутного столба. Различают фактическую упругость водяного пара (е) и максимально возможную приданной температуре (Е).

Удельная влажность –количество водяного пара в граммах, содержащееся в одном килограмме воздуха. Удельная влажность воздуха остается неизменной при любых процессах (нагревание, охлаждение, расширение или

уменьшение объема).Меняется она лишь, когда происходит конденсация или

дополнительное испарение. Поэтому эта характеристика удобна для теоретических расчетов. Обозначается удельная влажность буквой S и измеряется в г/кг. Удельная влажность связана с упругостью водяного пара следующим образом:

(2,7)

P- давление воздуха;

е- упругость водяного пара

Абсолютная влажность(а) – это количество водяного пара в граммах, содержащееся в одном кубическом метре воздуха (г/кг). Если в воздухе содержится максимальное количество водяного пара, которое может содержаться при данной температуре, то такое пространство считается насыщенным и обозначается буквой А

Анализируя зависимость максимального количества водяного пара, которое может содержаться в воздухе, от температуры (рис. 2.2) видим, что при низких температурах -30 0 -20 0 в воздухе может содержаться ничтожное количество водяного пара (до 1 г/м 3 ), а при температурах положительных эта величина резко возрастает: до 18 г/м 3 при температуре +20 0 и до 30г/м 3 при температуре +30 0 .

Связь между абсолютной влажностью (а) и упругостью водяного пара (е) выражается соотношениями:

- при измерении е в мм.рт.ст.

(2.8)

- при измерении е в мб.

(2.9)

α- коэффициент объемного расширения воздуха равный 0,004;

t- температура воздуха в 0 С.

Величина близка к единице, поэтому значения е, выраженные в мм.рт.ст., и значенияα,выраженные в г/м 3 ,различаются очень мало, а при температуре 16,5 0 равны между собой.

Кроме упругости водяного пара, удельной и абсолютной влажности важной характеристикой влажности воздуха является относительная влажность.

Относительная влажность – это отношение фактического содержания водяного пара к максимально возможному при данной температуре, выраженное в процентах:

(2.10)

Относительная влажность является одной из важнейших гидрометеорологических характеристик воздушной массы при практическом

метеообеспечении авиации и составлении прогнозов погоды любого назначения. Приближение относительной влажности воздуха к 100% является признаком увеличения опасности возникновения тумана и низкой облачности, которые в значительной мере усложняют выполнение полетов.

Измерение относительной влажности на метеорологических станциях производится с помощью гигрометра.

Влажность воздуха характеризуется соотношением температуры воздуха и температуры точки росы.

Точка росы (Тd) – это температура до которой надо охладить имеющийся воздух, чтобы он достиг состояния насыщения водяным паром, т.е. чтобы соотношение стало равно единице, а относительная влажность -100%.

Разность между фактической температурой воздуха и температурой точки росы называетсядефицитом точки росы.

d = T-Td (2.11)

Дефицит точки росы показывает на сколько градусов надо охладиться воздуху, чтобы количество водяного пара в нем стало максимальным, т.е. воздух стал насыщенным водяным паром.

Основным процессом, приводящим к насыщению атмосферного воздуха водяным паром является процесс понижения температуры воздуха. Когда рассматривается вопрос о максимальном количестве водяного пара, которое может содержаться при разных температурах, то оказывается при более низких температурах надо гораздо меньше водяного пара, чтобы воздух стал насыщенным. Поэтому с понижением температуры воздух приближается к состоянию насыщение, а при повышение температуры удаляется от состояния насыщения водяным паром. При этом реальное количество водяного пара в воздухе не изменяется.

Например абсолютная влажность воздуха равна 10 г/м 3 . При температуре t 10 0 С и такой абсолютной влажности воздух полностью насыщен водяным паром, так как это максимальное количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе при температуре +10 0 . При этом относительная влажность равна 100%, так как

Если те температура воздуха повысится до +20 0 , то при той же абсолютной влажности 10г/м 3 воздух в значительной мере удалится от состояния насыщения водяным паром, так как при температуре +20 0 , чтобы воздух был насыщен водяным паром надо увеличение количество водяного пара до 18 г/м 3 . Поэтому в этом случае

Таким образом, относительная влажность является достаточно точной характеристикой влагонасыщенности воздушной массы.

Содержание водяного пара в атмосфере ввиду испарения и конденсации изменяется в довольно больших пределах, почти от нуля до 4% (по объему). С высотой его количество в среднем довольно быстро убывает, возрастая лишь под задерживающими слоями.

Водяной пар играет важную роль в атмосферных процессах. С водяным паром связаны многие явления погоды, осложняющие полеты: облака, грозы, осадки, туманы, дымки.

Глава III

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

ПОГОДА И ПОЛЕТЫ САМОЛЕТОВ И ВЕРТОЛЕТОВ

2 УДК : Ответственный редактор А. М. БАРАНОВ Книга содержит сведения об атмосфере Земли и влиянии ' погоды на полеты современных воздушных судов. В частности, рассматривается состав и строение атмосферы, основные метеорологические элементы, их пространственная и временная изменчивость. Описываются атмосферные процессы и условия погоды, имеющие важное значение для полетов в различных районах земного шара. В связи с вопросами атмосферной циркуляции кратко рассматривается классификация облаков и воздушных масс. Освещаются изменения погоды, их причины и возможности предсказания применительно к нуждам авиации. Большое внимание уделено задачам метеорологического обеспечения гражданской авиации. Важное место занимает описание, опасных для полетов явлений погоды, таких, как грозы, турбулентность воздуха и обледенение воздушных судов. Содержание книги и стиль изложения материала рассчитаны на пилотов, штурманов и диспетчерский состав гражданской авиации, а также на работников метеорологической службы. The book "The Weather and Flights of Aircrafts and Helicopters" by P. D. Astapenko, A. M. Baranov and I. М,- Schvarev contains information on the Earth atmosphere and influence of the weather on flights of modern aircraft. Several chapters of the book dwell upon the physics and structure of the atmosphere and describe main characters and their variations in space and time. Other chapters describe the atmospherical processes and weather conditions of importance to the flights over different regions of the. Globe, The classification of clouds, air masses in connection with the atmospheric circulation are also shortly being discussed. The nature of the weather changes is described in connection with the problem of the weather forecasting. The book also deals with the questions of meteorological services to the civil aviation. Special attention is given to the dangerous phenomena, such as thunderstorm, air turbulence, icing of aircraft. The book is adressed to the pilots, navigators, operators as well as meteorologists. Павел Дмитриевич Астапенко, Александр Михайлович Баранов, Иван. Михайлович Шварев погода и полеты самолетов it вертолетов ИБ 1244 " Редактор Г. Я- Русакова. Художник С. Я. Гесин. Художественный редактор Б. А. Денисовский. Технический редактор Л. М. Шишкова. Корректор И. В. Жмакина. Сдано в набор 'Подписано в печать М Формат бохэо'/и, бумага кн. журн. Гарнитура литературная. Печать в.ысокая. Печ. л. 17,5. Уч.-изд. л. 18,21. Тираж экз. Индекс МЛ-238. Заказ 61. Цена 3 р. 10 к. Гидрометеоиздат Ленинград, 2-я линия, д. 23. Ленинградская типография 8 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли , г. Ленинград, Прачечный переулок, 6. А з 04 Гидрометеоиздат, 1980 г. 069(02)-80 [Гадй> г "' Ленинградский,-гккй., V--- «i > м,. ' нски» Др»> ии-т

3 Введение -. Состояние воздушной среды, или, иными словами, погода, один из решающих факторов, определяющих возможность выполнения полетов самолетов и вертолетов. Зависимость полетов от погоды четко проявилась еще на заре авиации. Сначала при полетах учитывался только ветер, затем потребовались сведения об осадках, облаках и всех метеорологических явлениях, ухудшающих видимость. По мере увеличения дальности и продолжительности, полетов необходимость учитывать погоду становилась все очевиднее, круг метеорологических характеристик и явлений, требующих постоянного внимания, расширялся, понадобилась организация специальной службы для сбора информации о погоде, и не только о фактическом состоянии погоды, но и об ее изменениях в будущем, т. е. потребовалось составление специальных прогнозов погоды для авиации. " Выявились опасные для полетов метеорологические явления грозы, обледенение в облаках и осадках, сильная турбулентность воздуха, вызывающая болтанку самолетов, а также туманы, метели, сильные осадки и другие явления, резко снижающие видимость (в том числе пыльные и песчаные бури, морозные дымки и т. д.). Оказалось обязательным определить минимально необходимые для безопасности полетов метеорологические условия так называемые минимумы погоды (по горизонтальной видимости, высоте нижней границы облаков, отсутствию опасных для полетов явлений погоды). Таким образом, с самого начала развития авиации стали обязательными ограничения цолетов по погоде, которые сохранились до сегодняшнего дня, несмотря на совершенствование авиационной техники и технического оснащения аэродромов. Что же такое погода? Почему она такая непостоянная и такая разная зимой и летом в различных районах? Можно ли научиться предвидеть все изменения погоды достаточно точно, так, как, скажем, предвидят астрономы затмения Солнца и Луны, изменения в положении планеты? На какой срок можно предвычислять состояние погоды с помощью современных 3

4 быстродействующих вычислительных машин, пользуясь новейшими методами прогноза? Почему все еще бывают авиационные происшествия из-за погоды? Эти и подобные им вопросы возникают у людей, причастных к гражданской авиации или пользующихся ее услугами. Чтобы ответить на эти вопросы, нужны определенные знания, некий минимум метеорологической подготовки, необходимо иметь представление о процессах, протекающих в земной атмосфере и обусловливающих погоду в каждый момент времени в любой точке земного шара. Людям, работающим в авиации, особенно пилотам и штурманам, знать метеорологию науку об атмосфере жизненно необходимо. Данная книга и преследует цель помочь широкому кругу авиаторов усвоить основы метеорологии, разобраться в практических и проблемных вопросах метеорологического обеспечения безопасности и регулярности полетов, его экономической эффективности. Материал книги, охватывающий практически все основные вопросы зависимости полетов от погоды и требования к метеорологическому обеспечению полетов, излагается в форме, доступной любому читателю, знакомому с физикой и математикой в объеме средней школы. Вместе с тем содержание книги отражает современные взгляды на те проблемы метеорологии, которые связаны с обеспечением авиации. В наше время авиация развивается стремительными темпами, что проявляется как в увеличении интенсивности, даль-, ности, скорости и высоты полета, так и в совершенствовании авиационной техники и технического оснащения аэродромов. В таких условиях состояние окружающей среды атмосферы, в которой осуществляются полеты, необходимо изучать и учитывать со все возрастающей полнотой и тщательностью, поскольку это развитие не уменьшает, а расширяет круг параметров состояния атмосферы, от которых зависят полеты. Например, лет назад авиация могла не считаться в той мере, в какой это необходимо делать теперь, с такими явлениями, как заряжение воздушных судов в полете статическим электричеством в облаках или резкое изменение ветра с высотой (вертикальный сдвиг ветра). Тогда в авиации не было нужды учитывать изменение температуры воздуха с высотой с точностью до десятых долей градуса Цельсия, как это требуется теперь при расчете интенсивности звуковых ударных волн, вызываемых сверхзвуко;выми самолетами; не было необходимости скрупулезно анализировать условия в стратосфере, на высотах, доступных ныне сверхзвуковым самолетам; понятия «взрывные стратосферные потепления» или «уровень солнечного корпускулярного излучения» не были актуальными для авиации, ими интересовались лишь ученые, работающие над проблемами физики атмосферы. 4

5 Таким образом, зависимость авиации от состояния воздушной среды с годами в целом не уменьшается, о чем объективно свидетельствуют данные об авиационных происшествиях (АП) из-за погоды в гражданской авиации мира. В последнюю четверть века число АП из-за погоды «от года к году колебалось в пределах 6 20 % от общего количества АП. Если же учесть, авиационные происшествия, когда погода не была прямой их причиной, но, затрудняя действия экипажа, косвенно им способствовала, то доля АП, связанных с погодой, увеличивается до %. Экспериментами установлено, что в сложную погоду, близкую к установленному минимуму, пилоты допускают ошибки пилотирования в 50% случаев при сильной болтанке самолета в зонах грозовой деятельности, в 25 % случаев лри очень низкой облачности и в 25 % случаев из-за ограниченной видимости в осадках или тумане. Статистика АП по погоде в гражданской авиации мира свидетельствует, что 80 % происшествий случается во время посадки и взлета самолетов, т. е. они происходят на аэродромах, и лишь 20 % на маршрутах полетов. В последнем случае из-за плохой; видимости бывает около 70 % АП, а оставшиеся 30% приходятся на другие опасные для полетов явления погоды, которые по степени их отрицательного воздействия можно расположить в следующей очередности: грозы, сильная турбулентность, вызывающая болтанку, и, наконец, интенсивное обледенение судов. Полеты воздушных судов без метеорологической информации невозможны. Это правило касается всех без исключения самолетов и вертолетов во всех странах мира независимо от протяженности маршрутов. Прежде чем поднять самолет в воздух, пилот должен убедиться в том, что условия погоды позволяют осуществить полет, получить необходимую информацию о фактической и ожидаемой погоде на маршруте полета, на аэродроме назначения, а также на запасных аэродромах. Поскольку полеты происходят не только в пределах воздушного пространства какой-либо отдельной страны, но и между разными странами, возникла потребность в международном обмене информацией о погоде и в международном метеорологическом обеспечении полетов. Этими вопросами занимаются такие международные организации, как Всемирная метеорологическая организация (ВМО) и Международная организация * гражданской авиации (ИКАО) (последняя свое сокращенное. название получила от заглавных букв полного наименования организации на английском языке International Civil Aviation Organization). Всемирная метеорологическая организация была создана в 1873 г., еще до появления авиации, как орган, координирующий работу метеорологических служб всех государств 5

6 в интересах потребителей информации о погоде морского транспорта, сельского хозяйства и т. д. В настоящее время основным потребителем информации о Погоде является авиация, поскольку от погоды она зависит больше, чем другие виды транспорта. Поэтому ВМО тесно сотрудничает с ИКАО во всех вопросах организации метеорологических наблюдений, сбора, распространения, обработки метеорологической информации, необходимой для обеспечения безопасности полетов воздушных судов гражданской авиации. Между этими международными организациями существуют специальные рабочие соглашения, регулирующие их взаимоотношения. ИКАО определяет требования к метеорологической информации, вытекающие из запросов гражданской авиации, разрабатывает рекомендации практического характера по метеорологическому обеспечению полетов. ВМО определяет научно обоснованные возможности удовлетворения этих требований, разрабатывает свои рекомендации и правила; а также- различные инструктивные материалы для национальных метеорологических служб, облегчающие использование "данных о погоде в масштабах земного шара. Всемирная метеорологическая организация разрабатывает стандартные формы метеорологической документации, цифровые и буквенные коды и способы передачи метеорологической информации, терминологию прогнозов погоды, сроки производства наблюдений за погодой, требования к точности измерений характеристик погоды, к приборам и аппаратуре, используемой для этих целей. ВМО заботится о развитии сети метеорологических станций там, где их еще недостаточно, об организации наблюдений за-погодой над океанами, в полярных областях, в пустынях, горах и других малонаселенных районах земного шара. Научно-техническая революция в третьей четверти XX в. с ее быстрым развитием научных знаний и невиданным ранее прогрессом техники привела к значительным изменениям в методах наблюдений за погодой, к внедрению в метеорологию последних достижений радиоэлектроники, радиолокации, кибернетики, к использованию для метеорологических наблюдений, сбора и обработки их результатов самых современных технических средств, включая искусственные спутники Земли, быстродействующие проводные и беспроводные средства связи, электронные вычислительные машины, автоматику. Реализация последних достижений науки и техники в метеорологии осуществляется по единой для всего мира программе, подготовленной ВМО при консультации ИКАО и других международных организаций (Международного союза электросвязи, Международной ассоциации метеорологии и физики атмосферы и т. д.). Эта программа получила название «Всемирная служба погоды» (ВСП). 6

7 Согласно программе ВСП начата работа по автоматизации всех метеорологических наблюдений, их сбора и обработки. В Москве (СССР), Вашингтоне (США) и Мельбурне (Австралия) созданы мировые метеорологические центры (ММЦ), связанные между собой быстродействующими линиями связи, обеспечивающими обмен метеорологической информацией в пределах всего земного шара. Кроме ММЦ, создаются региональные метеорологические центры, оснащенные электронными вычислительными машинами, которые используются для Обработки метеорологической информации и составления прогнозов погоды для авиации. Программа ВСП предусматривает использование, помимо обычной сети метеорологических станций, расположенных на суше, специальной сети -станций в Мировом океане (суда погоды, буйковые станции), а также нескольких метеорологических искусственных спутников Земли, летающих на различных орбитах и «обозревающих» всю поверхность нашей планеты. Естественно, что в программе ВСП значительное место занимают вопросы усовершенствования метеорологического обеспечения авиации, в частности расширение комплекса сведений о погоде, повышение их точности, ускорение передачи метеорологической информации в любую точку земного шара, любому, экипажу самолета или вертолета гражданской авиации, совершающего полет. Научные основы метеорологического обеспечения полетов разрабатываются специальной наукой авиационной метеорологией, которая изучает также влияние метеорологических факторов на полеты, на эксплуатацию авиационной техники и аэродромного оборудования. Авиационная метеорология прикладная отрасль метеорологии возникла вместе с авиацией и развивалась вместе с ней. " В Советском Союзе развитие авиационной метеорологии шло вместе с ростом воздушного флота страны. Становление этой науки связано с трудами видных советских ученых А. А. Фридмана, П. А. Молчанова, С. И. Троицкого и др., известных своими работами и в других областях знаний. В е годы значительный вклад в развитие авиационной метеорологии внесли И. Г. Пчелко, С. В. Солонин и другие советские ученые, связавшие свою жизнь с проблемам^ метеорологии и авиации. В первые десятилетия существования авиационной метеорологии, когда еще не было прямых измерений метеорологических характеристик на высотах и о погоде в свободной атмосфере можно было судить лишь по косвенным данным (например, но форме облаков и их движению), эта наука развивалась на базе использования информации о погоде у земной поверхности и анализа приземных карт погоды. 7

8 В 40-е годы, когда получил широкое применение изобретенный П. А, Молчановым радиозонд, позволяющий измерять на высотах температуру и влажность воздуха, атмосферное давление, и когда в метеорологии стали использовать радиотехнические средства, авиационная метеорология вступила во второй период развития период внедрения высотных карт погоды и метода барической топографии. Этот период охватывает примерно 20 лет (40 60-е годы). В 60-е годы началось широкое использование электронной вычислительной техники для составления авиационных прогностических карт погоды, получили большое распространение факсимильные передачи этих карт Из крупных прогностических центров на аэродромные метеорологические станции. Почти одновременно исследователи приступили к разработке приемов практического использования для метеорологического обеспечения полетов информации метеорологических искусственных спутников Земли. Дальнейшее развитие авиационной метеорологии зависит от успехов всей метеорологической науки и технического прогресса, которые должны обеспечить повышение точности и полноту информации как о фактическом состоянии погоды на всем земном шаре, так и об ожидаемых изменениях погоды. В перспективе разработка ивнедрение в практику методов измерения параметров состояния атмосферы с помощью лазерной техники, способов измерения важных для авиации характеристик и явлений, пока недоступных технике (например, дальность наклонной видимости вдоль глиссады снижения самолета, вертикальный сдвиг ветра, зоны турбулентности и т. д.). Предстоит создать новые расчетные методы прогноза опасных для полетов явлений погоды, методы предвычисления полей облачности и осадков, таких элементов, как высота нижней границы облаков и дальность горизонтальной видимости, а также других важных для авиации характеристик (высота обнаружения посадочных огней, дальность видимости огней высокой интенсивности и т. п.). * * * В данной книге введение, глава 5 написаны П. Д. Астапенко^ главы 2, 4, 8 А. М. Барановым, главы 1, 3, 6 И. М. Шваревым, глава 7 совместно П. Д. Астапенко и А. М. Барановым. Авторы выражают благодарность А. А. Васильеву и Ю. М. Здорику за тщательное рецензирование рукописи, ценные критические замечания и пожелания, способствовавшие улучшению книги.

9 Земная атмосфера, ее строение и основные физические характеристики 1 Краткие сведения о Солнце, Земле и ее атмосфере Солнце центральное тело солнечной системы, в которую Ьходит Земля. Это ближайшая к нашей планете звезда с температурой поверхности около 6000 К. Солнце представляет собой газовый шар очень больших размеров: его диаметр км, т. е. он больше земного диаметра в 109 раз. Но Солнце кажется нам небольшим, так как находится на огромном удалении от Земли. Даже луч света преодолевает расстояние от Солнца до Земли за 8 мин. В Солнце сосредоточено 99,87 % всей массы солнечной системы, поэтому оно и является ее центром. Подчиняясь закону всемирного тяготения, все планеты, в том числе и Земля, движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Внутри Солнца температура достигает К за счет термоядерных процессов. Вследствие этого Солнце непрерывно излучает в космическое пространство огромное количество энергии в виде электромагнитного и корпускулярного излучения. Солнце основной источник энергии на Земле. Солнечная энергия, преобразуемая в другие виды энергии, является причиной всех многообразных физических процессов и явлений на Земле и в ее атмосфере. Воздушные течения, ураганы, грозы и шквалы возникают вследствие преобразования солнечной энергии в тепловую, а затем в механическую. Солнце испускает в окружающее пространство электромагнитное излучение всех диапазонов длин волн X рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное и радиоизлучение. Энергия излучения распределяется между основными участками спектра следующим образом: рентгеновское и ультрафиолетовое излучение (Я<4мкм) 5%; видимое излучение (4 мкм<^<7,6 мкм) 52%; инфракрасное излучение (А/>7,6 мкм) '43 %. На Землю и ее атмосферу падает лишь около одной двухмиллиардной доли излучаемой Солнцем энергии. 9

10 Корпускулярное излучение состоит из различных частиц корпускул, выбрасываемых из Солнца в межпланетное пространство с большими скоростями- Это протоны, электроны, ядра атома гелия (а-частицы) и других химических элементов. Потоки частиц с энергией от 10 до 10 4 МэВ называют солнечным космическим излучением. Солнце не остается неизменным. На его поверхности можно наблюдать ряд образований: пятна, факелы, флоккулы, протуберанцы и т. д. Они возникают под воздействием процессов, происходящих внутри Солнца, отмечаются лишь временами и в ограниченных областях поверхности Солнца. Принято говорить о солнечной активности: Солнце считается более активным тогда, когда на его поверхности много солнечных пятен и других указанных выше образований. В это время Солнце больше дает ультрафиолетового, рентгеновского и корпускулярного излучения. Бывают, продолжительные периоды, когда Солнце малоактивно:.на его поверхности образований мало или нет вовсе. Солнечная активность изменяется циклически. Продолжительность периода от одного ее максимума до другого составляет в среднем 11 лет. Это 11-летний цикл солнечной активности. В годы с повышенной солнечной активностью погода часто «капризничает»: в одних районах наблюдаются сильные засухи, в других, наоборот, выпадает много Дождей, возникают стихийные бедствия наводнения, штормы. Иногда происходят внезапные резкие изменения солнечной активности, связанные с солнечными вспышками. В этих случаях из Солнца выбрасываются мощные потоки рентгеновского излучения и корпускул. Попадая, в верхнюю атмосферу Земли, они вызывают целый.ряд интересных явлений полярные сияния, ионосферные и магнитные бури. Эти явления наиболее характерны для высоких широт обоих полушарий. При ионосферных и магнитных бурях ухудшается проходимость радиоволн теряется радиосвязь на коротких и средних волнах. Земля : одна из больших планет солнечной системы. Среднее расстояние от Земли до Солнца км. В июле Земля находится от Солнца на наибольшем расстоянии ( км),-а в январе на наименьшем ( км). Скорость движения по орбите составляет 29,8 км/с. Кроме того, Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток. Ось вращения наклонена к плоскости земной орбиты (плоскость эклиптики) под углом 66,5. По внешнему виду Земля представляет собой сжатый шар (точнее,-эллипсоид вращения). Сплюснутость шара 1/298, а это значит, что экваториальный радиус Земли больше полярного примерно на 20 км. Однако в тех сл'учаях, когда для решения практических задач не требуется высокой точности, Землю принимают за шар радиусом 6371 км. 10

11 Вокруг Земли по эллиптической орбите движется ее естественный спутник Луна, среднее расстояние до которой км. У Земли различают три оболочки -твердую (литосфера), жидкую (гидросфера) и газообразную (атмосфера). Двадцать девять процентов земной поверхности занимает суша, 71 % океаны и моря. В северном полушарии на долю водной поверхности приходится 61 % площади, в южном 81 % Неоднородность земной поверхности приводит к различиям теплового режима над континентами и океанами, что существенно влияет- на погодные условия и образование крупномасштабных воздушных течений. На воздушные течения большое влияние оказывает также рельеф земной поверхности. Горные массивы высотой 4000 м и более часто являются непреодолимыми препятствиями для масс воздуха при их перемещении из одного географического района в другой. Атмосфер а газообразная оболочка Земли. Она не имеет резкой верхней границы, а постепенно переходит в околоземное космическое пространство. Земная/атмосфера это та среда, в которой происходят полеты различных летательных аппаратов (ЛА) ракет, самолетов, вертолетов, планеров. Ее физические параметры определенным образом влияют на летно-эксплуатационные- характеристики ЛА. Так, физическое состояние атмосферы ограничивает максимальную высоту и скорость полетов самолетов. Атмосфера находится в непрерывном движении и изменении. Она движется вместе с Землей, и, кроме того, в ней происходят сложные вертикальные и горизонтальные движения разного масштаба. Под воздействием солнечной энергии, в результате атмосферных процессов и влияния земной поверхности физическое состояние атмосферы непрерывно изменяется. Качественную и количественную характеристику физического состояния атмосферы дают метеорологические элементы. Прежде всего это атмосферное давление, температура и влажность воздуха, направление, и скорость ветра, форма и количество облаков, горизонтальная видимость, количество осадков и т. д. Метеорологические явления вызываются определенными физическими процессами в атмосфере и обычно сопровождаются резким изменением состояния атмосферы. К ним относятся туманы, грозы, метели, пыльные бури, шквалы, осадки, гололед, обледенение, турбулентность и т. п. Совокупность значений метеорологических элементов и явлений в данный момент времени называют погодой. Можно говорить о погоде на аэродроме, в районе полетов, на воздушной трассе и т. д. Прежде чем более детально рассмотреть состав и строение атмосферы, ознакомимся с методами ее исследования. 11

12 Методы исследования атмосферы и получения метеорологической информации Для исследования атмосферы используют прямые и косвенные методы" (табл. 1.1). При прямых методах с помощью той или иной аппаратуры непосредственно измеряются физические параметры атмосферы, а при косвенных методах об изучаемом физическом параметре судят по измерениям других параметров. - Наблюдения за радом метеорологических элементов и явлений ведутся на обширной сети метеорологических станций. В труднодоступной местности действуют автоматические радиометеорологические станции (АРМС), которые в определенные часы суток по радио автоматически передают информацию об атмосферном давлении, температуре и влажности воздуха, ветре и др. В аэропортах устанавливаются комплексные радиотехнические автоматические метеорологические станции (КРАМС), позволяющие автоматически измерять и передавать потребителям информацию примерно о 20 метеорологических параметрах. Комплексное зондирование с помощью радиозондов является одним из наиболее распространенных и надежных методов получения метеорологических данных до высот км независимо от условий погоды. Сущность данного метода достаточно проста. К выпускаемому в свободный полет резиновому шару, наполненному легким газом, например водородом, подвешивается прибор радиозонд, состоящий из датчиков метеорологических элементов (давление, температура, влажность), преобразователя их значений в электрические сигналы (шифратор) и легкого коротковолнового радиопередатчика с электропитанием (рис. 1.1). При полете радиозонд автоматически посылает кодированные радиосигналы, соответствующие показаниям метеорологических датчиков, которые принимаются радиотехнической метеорологической станцией (РМС), расшифровываются дешифратором и регистрируются в виде цифр на бумажной ленте. Полученная информация и представляет собой данные о давлении, температуре и влажности воздуха на различных высотах атмосферы. Направление и скорость ветра определяются методом радиолокации радиозонда или радиопилота, представляющего собой шар-пилот с пассивной мишенью уголковым отражателем. При измерениях определяются угловые координаты (угол места и азимут) и наклонная дальность, по которым рассчитывается ветер на высотах. < Точность измерения метеоэлементов при радиозондировании такова: для давления ±5 мбар, температуры ±0,5 С, относительной влажности ±5 %, скорости ветра ±10 км/ч. I 12

13 Таблица 1.1 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ Высота Метод исследования измерения, Параметр км Наземные наблюдения на метеорологических станциях Наблюдения на высотных метеорологических мачтах (телевизионных башнях) Зондирование атмосферы (шары-зонды, шары-пилоты, аэростаты, стратостаты) Самолетное зондирование (летающие лаборатории) Радиозондирование (радиозонды, радиопилоты) Ракетное зондирование: метеорологические ракеты геофизические ракеты Искусственные спутники Земли и космические корабли Прямые методы Приземный слой до 0,3 04 до 40 до 30 до 40 до 120 до 1000 Во всей - толще атмосферы Температура, влажность, давление, ветер, видимость, облака, атмосферные явления Температура, влажность, ветер Температура, влажность, давление, ветер, облака, газо-. вый состав Температура, влажность, давление, микроструктура облаков, болтанка, обледенение, озон Температура, влажность, давление, ветер Температура, плотность, давление Газовый состав, плотность, излучение Солнца, параметры ионосферы Облачный покров, ветер, плотность, температура, газовый состав, параметры ионосферы и магнитного поля Земли, солнечное и космическое излучение Радиолокационные наблюдения (радиолокационные метеорологические станции) Ионосферные исследования (ионосферные станции) Спектральные исследования полярных сияний, свечения сумеречного и ночного неба Косвенные методы ДО 20 ДО 400 ' Облака, очаги гроз, ливней и града Концентрация электронов, температура, высота отражения радиоволн Газовый состав, температура Наблюдения метеорных следов Температура, плотность, ветер Исследования распространения звуковых волн (взрывов) Температура, плотность 13

14 Для изучения атмосферы применяются также специально оборудованные самолеты-зондировщики или самолеты-лаборатории. На них устанавливается аппаратура для измерения давления, температуры и влажности, а также приборы для исследования микроструктуры облаков (водности, размеров капель), обледенения, турбулентности и др. Все приборы, как правило, дистанционного действия. V s "300M/muh Рис Радиозондирование атмосферы. v B вертикальная скорость подъема. Аэростаты были одним из первых средств исследования атмосферы. Пилотируемые аэростаты довольно широко применялись для исследования газового состава, температуры и влажности воздуха, воздушных течений. В дальнейшем они уступили место беспилотным автоматическим аэростатам. На них стали устанавливать фотоаппаратуру для получения полей облачности по траектории полета. Достоинством аэростатных измерений является то, что они дают изменения характеристик одной и той же воздушной массы во времени; основной их недостаток заключается в том, что траектория полета зависит от направления воздушных течений. 14

15 Со второй половины 40-х годов для исследования атмосферы выше 30 км стали использовать метеорологические ракеты. Запуски метеорологических ракет осуществляются в различных районах Советского Союза, а также с научно-исследовательских судов. Измерение температуры и давления производится во время спуска головной части ракеты на парашюте. Значения этих элементов на различных высотах преобразуются в электрические импульсы, которые принимаются специальной наземной установкой, расшифровываются, обрабатываются и анализируются. Широкая программа исследований верхней атмосферы (до высот 1000 км) осуществляется с помощью геофизических ракет. Они позволяют исследовать газовый состав, плотность и температуру атмосферы, характеристики ионосферы, коротковолновую солнечную радиацию, космическое излучение, радиацию, отражаемую земной поверхностью и облаками, и др. Совершенно новые перспективы исследования земной атмосферы открыли искусственные спутники Земли. В настоящее время для успешного составления прогнозов погоды, а также для метеорологического обеспечения полетов по международным воздушным трассам требуется метеорологическая информация со всего земного шара. Однако существующая густота сети метеостанций, передающих сведения о погоде, не удовлетворяет современным требованиям. Океаны и моря, горные массивы,' пустыни и малообжитые районы, где нет метеостанций, занимают около 80 % поверхности Земли. Поэтому информация только сети метеостанций не позволяет составить полное представление об атмосферных процессах и характере погоды над большими территориями, тем более в глобальном масштабе. Искусственные спутники Земли дают возможность получать метеорологическую информацию со всего земного шара. В 60-е годы в СССР и США были сконструированы специальные метеорологические ИСЗ. Аппаратура, установленная на. метеорологическом ИСЗ, позволяет получать фотоснимки облачности и ледяных полей как на дневной, так и на ночной стороне Земли, а также информацию об интенсивности потоков радиации, которая отражается и излучается Землей и ее атмосферой; по спутниковой информации об облачности можно рассчитать направление и скорость ветра и т. п. В Советском Союзе действует метеорологическая космическая система «Метеор», состоящая из нескольких метеорологических ИСЗ и наземного комплекса приема, обработки и распространения метеорологической информации. Получаемые с ИСЗ метеоданные широко используются в оперативной работе по метеорологическому обеспечению народного хозяйства, в том-числе и авиации. В ряде аэропортов гражданской авиации спутниковые данные принимаются непосредственно с ИСЗ 15

16 и после соответствующей обработки используются при метеообеспечении полетов по трассам большой протяженности. Из косвенных методов большое значение для метеорологического обеспечения авиации имеют радиолокационные наблюдения с помощью метеорологических радиолокаторов (MPJI), которые установлены во многих аэропортах страны. Оперативное получение объективной информации о фактической погоде в окрестностях аэродрома (в зоне подхода, снижения и посадки) имеет большое значение для обеспечения безопасности полетов самолетов и вертолетов. В первую оче-.редь необходимы сведения о характере облачности и опасных явлениях погоды (гроза, град и т. п.). Получение необходимой метеорологической информации с обширной территории в ограниченные сроки возможно лишь с помощью радиолокационных средств. Метеорологические радиолокаторы работают в сантиметровом диапазоне; они позволяют: 1) устанавливать местоположение, направление и скорость перемещения опасных явлений погоды грозы, града, сильных ливневых дождей; 2) определять типы облачных систем, их горизонтальную и вертикальную протяженность, скорость и направление движения, тенденцию развития; 3) обнаруживать зоны обложных осадков, выяснять тенденцию их развития и интенсивность осадков; 4) определять высоту нулевой изотермы в массиве слоистодождевых облаков и вертикальную протяженность их переохлажденной части. Максимальное расстояние обнаружения облаков различных форм зависит от их водности и размеров облачных элементов. Так, слоисто-дождевые облака с обложными осадками обнаруживаются на расстоянии до 100 км, а кучево-дождевые облака с грозами на расстоянии км. Состав атмосферы Атмосфера Земли представляет собой механическую смесь ряда газов, водяного пара, твердых и жидких частиц. Газовый состав атмосферы оказывает большое влияние на развивающиеся в ней физические процессы и явления. Например, полярное сияние связано с наличием на больших высотах атомов кислорода и,азота. По газовому составу атмосферу подразделяют на гомосферу и гетеросферу. В первом слое, простирающемся от земной поверхности до высоты около 100 км, процентное содержание основных газов и относительная молекулярная масса воздуха не изменяются с высотой. Во втором слое, рас- 16

17 положенном выше 100 км, газовый состав изменяется с высотой: количество тяжелых, газов с высотой уменьшается, а количество более легких газов увеличивается, что ведет к уменьшению относительной молекулярной массы воздуха. Под воздействием рентгеновского и ультрафиолетового излучения Солнца здесь протекают фотохимические и ионизационные процессы, молекулы газов распадаются на атомы, возникают заряженные частицы ионы и электроны. Газы, входящие в состав воздуха в нижних слоях атмосферы, принято делить на две группы группу постоянных и группу переменных составляющих. В первую группу входят: азот (78,08 %), кислород (20,95 %), аргон (0,93%), гелий, водород и инертные газы неон, криптон, ксенон. Хотя, как указывалось выше, процентное содержание газов-в единице объема до высоты 100 км остается практически постоянным, концентрация их с высотой убывает вместе с уменьшением общей плотности атмосферы. Поэтому на высотах выше 4 5 км кислорода становится мало и человек начинает испытывать кислородное голодание. Газы второй группы содержатся в атмосфере в небольшом количестве и называются атмосферными примесями. К ним относятся: водяной пар, озон, углекислый газ, окислы азота и серы и др. В зависимости от атмосферных условий концентрация примесей значительно изменяется. Атмосферные примеси играют важную роль, особенно водяной пар, углекислый газ и озон. Они очень сильно поглощают инфракрасную радиацию, излучаемую земной поверхностью и атмосферой, и существенно влияют на их температурный режим. Поглощение происходит избирательно (селективно), т. е. в отдельных участках спектра: наиболее сильно в участке 5,5 7 мкм и более 17 мкм. Волны длиной 8,5 12 мкм практически не поглощаются, уходят в космос, атмосфера для них как. бы прозрачна. Поэтому участки спектра непоглощаемых волн получили название «окна прозрачности атмосферы». > Водяной пар поступает в атмосферу путем испарения с поверхности воды, влажной почвы и растительности. Его количество переменно, уменьшается с высотой и при удалении в глубь континентов. Максимальное количество водяного пара при высоких температурах воздуха над морем может достигать 4% по объему, а минимальное, практически близкое к нулю, бывает при очень низких температурах на суше и на больших высотах. Углекислый газ образуется при горении и гниении. Среднее его количество равно 0,03% по объему; в промышленных районах оно примерно в 2 раза больше, чем в Арктике и Антарктике. Интенсивное развитие промышленности привело к тому, что за последние 100 лет содержание углекислого газа 2 Заказ 4 61 I ^Ленинградский 17! Гидрометеорологический ин-т 1 ci^c: П1у!Г\ТГ1-Г А

18 в воздухе увеличилось на 10 %". С высотой количество углекислого газа убывает. Углекислый газ, как и водяной.пар, «утепляет» атмосферу, поглощая инфракрасную радиацию, излучаемую земной поверхностью и атмосферой, но только в других участках спектра: наиболее сильно в участках 4 4,5 и мкм. Под воздействием ультрафиолетовой радиации Солнца в атмосфере образуется озон, молекулы которого состоят из трех атомов кислорода. Это бесцветный газ с характерным запахом, являющийся очень сильным окислителем.. Озон поглощает радиацию в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном участках спектра, причем особенно интенсивно в первом из них. Этот газ поглощает около 4 % солнечной энергии, падающей на Землю; поглощенная озоном энергия идет на нагревание атмосферы. Озон заключен в основном в слое от земной поверхности до высоты 50 км. Если в приземном слое его содержание незначительно (10'

6 Ю -5 % по объему), то с высотой оно возрастает; в слое км концентрация увеличивается в несколько раз, максимальная концентрация наблюдается на высоте около 25 км. Насколько мало количество озона в атмосфере, видно из следующего сравнения. Если азот, кислород и озон, содержащиеся в атмосфере, привести к нормальному давлению при температуре 0 С, то толщина слоя азота составит 6200 м, кислорода 1560 м, озона в среднем 0,3 см (от 0,15 до 0,6 см). Сильно поглощая радиацию, озон играет большую роль в атмосферных процессах: 1) он ограничивает проникновение к земной поверхности ультрафиолетовой радиации с длиной волны менее 0,29 мкм, губительно воздействующей на органический мир; 2) в результате поглощения радиации происходит нагревание воздуха, и на высоте около 50 км образуется максимум температуры (в среднем около 2,5 С); 3) благодаря озону около 20 % земного инфракрасного излучения не пропускается в космос; при отсутствии озона температура Земли была бы ниже существующей. Содержание озона имеет годовой ход и зависит от широты. В высоких широтах северного Полушария максимум содержания озона в среднем приходится на весну. В умеренных широтах минимум бывает осенью. В разных барических системах отмечается неодинаковое количество озона. В зависимости от циркуляции атмосферы происходит изменение высоты слоя максимального содержания озона. Иногда нижняя граница этого слоя оказывается на несколько километров ниже среднего положения..кроме газов, в атмосфере содержатся мельчайшие твердые и жидкие частицы, имеющие как естественное, так и индустриальное происхождение. Это частицы пыли, дыма, горных пород, 18

19 морской соли и др. Благодаря малым размерам и небольшой массе они длительное время находятся в атмосфере, вертикальными и горизонтальными течениями воздуха переносятся на большие расстояния. Частицы пыли играют большую роль в развитии ряда атмосферных явлений. Многие из них, особенно кристаллы морской соли, служат ядрами конденсации. Твердые и жидкие примеси создают запыленность атмосферы, ухудшают дальность видимости, ослабляют солнечную радиацию, приходящую на земную поверхность. Строение атмосферы Атмосфера по своим физическим свойствам неоднородна как по вертикали, так и по горизонтали. Изменяется атмосферное давление, температура и влажность воздуха, скорость и направление ветра, концентрация твердых и жидких примесей и другие характеристики. По вертикальному распределению температуры атмосферу подразделяют на пять основных слоев (табл. 1.2). Основной слой Таблица 1.2 ОСНОВНЫЕ И ПЕРЕХОДНЫЕ СЛОИ АТМОСФЕРЫ Средняя высота верхней и нижней границы, км Температура, С на нижней границе на верхней границе Переходный слой Тропосфера Стратосфера. Мезосфера Термосфера Экзо'сфера > ,5 2,5 86, ,5 2,5 86, Тропопауза Стратопауза Меэопауза Термопауза Рассмотрим основные характеристики и особенности слоев атмосферы. -. ': Тропосфера. Это нижняя часть атмосферы, простирающаяся от земной поверхности до высоты 8 10 км в полярных районах, до км в умеренных широтах и до км в тропиках. В тропосфере сосредоточено около 4 /s массы атмосферы и 90% водяного пара. Особо выделяют в тропосфере пограничный слой (слой трения), который, распространяется от земной поверхности до высоты в среднем 1000 м. В этом слое на воздушные потоки большое влияние оказывает сила трения, обусловленная воздействием шероховатостей земной поверхности. Выше данного слоя находится свободная атмосфера, где влияние трения мало и им можно пренебречь. 2* 19

20 Для тропосферы характерно понижение температуры с высотой в среднем на 0,65 С на каждые 100 м с возможными отклонениями за сезон ±0,3 С. Понижение температуры объясняется тем, что в тропосфере воздух нагревается и охлаждается преимущественно от земной поверхности. Большинство метеорологических явлений, в том числе опасных для, авиации, формируется в тропосфере. Здесь наблюдаются туманы, облака и осадки, развивается грозовая деятельность, возникают ураганы, смерчи и т. п. Ветер в тропосфере усиливается с высотой, его скорость достигает максимума в среднем на высоте 8 10 км (умеренные широты), где она может составлять 100 км/ч и более (струйные течения). Преобладающим направлением ветра является западное. В тропосфере формируются различные воздушные массы и образуются атмосферные фронты, развиваются циклоны и антициклоны. Тропосфера является самой запыленной частью атмосферы. Между тропосферой и стратосферой расположен переходный слой тропопауза толщиной от нескольких сотен метров до 1 1,5 км. За нижнюю границу тропопаузы принимается уровень устойчивого перехода к постоянной температуре или незначительному ее изменению. Высота тропопаузы увеличивается от полюсов к экватору, а температура на ее уровне понижается. Так, над полярными районами средняя высота тропопаузы 8 9 км, температура около 50 С, в умеренных широтах км, температура от 55 до 60 С, над экватором км, температура от 75 до 80 С. Высота тропопаузы наиболее резко изменяется на широте 30 40, где тропопауза нередко имеет разрыв. Над теплыми воздушными массами наблюдается высокая тропопауза с низкой температурой, над холодными низкая тропопауза с более высокой температурой. Стратосфера. От тропопаузы до высоты 20 км температура остается постоянной, а выше она возрастает и может достигать положительных значений. Нагревание воздуха происходит главным образом из-за поглощения ультрафиолетовой солнечной радиации атмосферным озоном. Такой ход темцературы является причиной ослабления вертикального перемешивания воздуха по сравнению с тропосферой. Количество водяного пара и ядер конденсации в стратосфере незначительно, поэтому в этом слое, облака -редкое явление. К специфическим стратосферным облакам относятся перламутровые облака, образующиеся преимущественно зимой на высотах км, когда температура здесь значительно ниже среднего значения ( С). Эти облака можно наблюдать лишь в сумерки, после захода или 20 Ленинградский Гщ^кшетеоролигиЧескна ин-т БИБЛИОТЕКА

21 перед восходом Солнца. Наблюдаются они редко, преимущественно на Аляске и в Скандинавии. Ветер в стратосфере также имеет свои особенности. Скорость-западного ветра в среднем убывает с высотой, достигаяминимальных значений в слое км. Выше скорость ветра начинает вновь возрастать, а в летнее время преобладающее западное направление сменяется восточным. Восточные воздушные течения стратосферы отделяются от расположенных ниже западных течений переходным слоем со слабыми неустойчивыми ветрами, который называют в е л о п а у з о й, В стратосфере возможны резкие повышения температуры так называемые внезапные стратосферные потепления. В северном полушарии они наблюдаются в зимнее время, наиболее часто в январе и феврале, реже в ноябре, декабре и марте. Как правило, потепления сначала возникают на высотах км, а затем распространяются вниз с ослабевающей интенсивностью. Продолжительность большинства. потеплений на высотах км составляет 7 12 сут, среднее повышение температуры около 26 С. В течение зимы может наблюдаться одно или два значительных потепления. Причины стратосферных потеплений в достаточной степени еще не выявлены. Одной из особенностей стратосферы является также наличие на высотах км максимума интенсивности космических лучей, представляющих собой потоки высокоэнергичных заряженных частиц, которые приходят в земную атмосферу из космичёского пространства и частично от Солнца. Максимум интенсивности космических /лучей обусловлен взаимодействием первичных космических лучей с атомами атмосферных газов и образованием потрков вторичных элементарных частиц вторичных космических лучей. Между стратосферой и мезосферой располагается стратопауза. В этом слое наблюдается максимум температуры ( 2,5 С с возможными отклонениями ±20 С). Мезосфера. В этом слое атмосферы температура с высотой понижается. У верхней границы мезосферы наблюдается самая низкая в атмосфере температура. В среднем она равна 86,5 С, но иногда может понижаться до С. На высотах км образуются серебристые (мезосферные) облака. Они наблюдаются летом в северной части горизонта преимущественно на широтах В настоящее время большинство ученых считает, что серебристые облака аналогичны перистым и состоят из ледяных кристаллов. Термосфера. Для этого слоя атмосферы характерен быстрый рост температуры с высотой, что обусловлено поглощением коротковолновой солнечной радиации кислородом. Средняя температура от 86,5 С на высоте 90 км повышается, до 0 С на высоте 112 км, затем до 60 С на 120 км и достигает 700 С на 21

22 высоте около 150 км. Температура в термосфере это кинетическая температура, характеризующая скорость движения MQлекул и атомов атмосферных газов. Для термосферы характерны фотохимические и ионизационные процессы, образование заряженных частиц ионов и электронов, благодаря которым атмосферные газы способны проводить электричество. Концентрация ионов и электронов по высоте распределяется неравномерно, максимум ее расположен на высоте около 300 км. Область атмосферы с высокой концентрацией ионов и электронов, практически совпадающую с термосферой, называют ионосферой. Она существенно влияет на распространение радиоволн. Благодаря ей возможна радиосвязь на коротких волнах на больших расстояниях при малых мощностях передатчиков. В нижней части термосферы наблюдаются полярные сияния. Здесь наиболее часто сгорают метеоры. Высота переходного слоя между термосферой и экзосферой термопауз.ы изменяется в зависимости от активности Солнца. В годы минимума солнечной активности термопауза располагается на высоте около 600 км, а в годы максимума на высотах км. Экзосфера. Это очень сильно разреженный внешний слой атмосферы. Здесь частицы газов благодаря высокой температуре ( С и более) могут приобретать такие большие скорости движения (больше второй космической скорости 11,2 км/с), что преодолевают земное притяжение и улетают в космическое пространство. Из космического пространства в земную атмосферу могут возвращаться частицы, скорость которых из-за столкновений стала меньше второй космической скорости. В экзосфере происходит непрерывный обмен веществом между земной атмосферой и космическим пространством. Процесс этот в целом равновесный: сколько частиц уходит из атмосферы, столько же и поступает в нее. Резко выраженной границы атмосфера не имеет. Она постепенно переходит в межпланетное пространство, где в 1 см 3 содержится около 100 частиц. Это наблюдается на высоте примерно км. Однако за верхнюю границу атмосферы принято считать высоту 1000 км, т. е. высоту атомнокислородной атмосферы, где атомы кислорода преобладают над атомами гелия и водорода. Процессы нагревания воздуха Воздух летом и зимой, днем и ночью имеет разное тепловое состояние, его температура принимает различные значения. Почему это происходит? Как указывалось выше, источни- 22

23 ком энергии для Земли является Солнце. Как солнечная энергия передается земной атмосфере? Количество солнечной радиации, поступающей на верхней границе земной атмосферы в единицу времени на единичную площадку, перпендикулярную солнечным лучам, при среднем расстоянии Земли от Солнца, называется солнечной постоянной. Она равна 136 мвт/см 2. Но не вся радиация, приходящая на верхнюю границу атмосферы, достигает земной поверхности. Если энергию, поступающую на верхнюю границу атмосферы, принять за 100%, то окажется, что в космическое пространство отражается около 33% (это альбедо Земли), поглощается в атмосфере около 22 % и поглощается земной поверхностью примерно 45% (рис. 1.2). Количество солнечной радиации, поступающей в разные районы земного шара, различно. Оно зависит от высоты Солнца над горизонтом и продолжительности дня. Максимальная высота Солнца (в полдень) в свою очередь зависит от времени года и географической широты места. Она может изменяться от 0 до 90. На Земле брльшая часть солнечной радиации превращается в тепло. Земная поверхность нагревается солнечными лучами,и передает тепло в атмосферу. Степень нагревания подстилающей поверхности зависит от ее характера (суша или. вода), рельефа местности, влажности почвы. Поэтому.и воздух над 23

24 различными участками нагревается неодинаково. Передача тепла от земной поверхности к атмосфере осуществляется путем термической конвекции, турбулентных движений и длинноволнового излучения. Термическая конвекция это вертикальный подъем нагретого воздуха над отдельными участками земной поверхности. Она особенно сильно развивается в послеполуденные часы, когда поверхность наиболее прогрета. Следствием ее является формирование облаков вертикального развития и возникновение внутримассовых гроз. Термическая конвекция может распространяться от земной поверхности до тропопаузы, но если в атмосфере имеются слои инверсии или изотермии,-то они тормозят конвекцию; Из-за трения воздуха о земную поверхность, а также в результате внутреннего трения воздушных частиц в атмосфере возникают турбулентные движения, при которых воздушные частицы совершают беспорядочные вихревые движения. Этот процесс называется динамической конвекцией. В результате ее происходит вертикальный перенос тепла и влаги, твердых и жидких частиц. Наибольшую интенсивность данный процесс имеет в пограничном слое атмосферы. Следующим механизмом передачи тепла является длинноволновое излучецие земной поверхности (длина волн мкм). В этом случае воздух на высотах нагревается в результате переизлучения. Оно состоит в том, что от земной поверхности нагревается самый нижний слой воздуха, длинноволновое излучение которого в свою очередь нагревает более холодный воздух вышележащего слоя и т. д. Длинноволновое излучение "земной поверхности полти полностью поглощается в атмосфере водяным паром, углекислым газом и озоном. Земная поверхность не всегда нагревает воздух. Ночью, а зимой и днем в результате излучения она. может сильно выхолаживаться (радиационное охлаждение). Физические характеристики атмосферы Температура воздуха Температура воздуха это величина, количественно характеризующая его тепловое состояние. Она выражается или в градусах Цельсия ( С) по стоградусной шкале, или в Кельвинах (К) по абсолютной шкале. Переход от температуры в кельвинах (Т) к температуре в градусах Цельсия (t) производится по формуле 24 t=t 273.

Погода в Санкт-Петербурге | Pogoda78.ru