Методы исследования свободной атмосферы

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу

Окружающей среды

 

 

В.П. Куняева

Профессиональный модуль ПМ.02

Проведение аэрологических наблюдений

 

Междисциплинарный курс МДК.02.01.

Технология аэрологических наблюдений и обработки аэрологической информации

                                                                                                   

 

Специальности: 210422 – Радиотехнические информационные системы

280403 – Метеорология

 

 

Москва 2011

Автор: В.П. Куняева, преподаватель ГОУ СПО Московский гидрометеорологический колледж.

Профессиональный модуль ПМ.02. Проведение аэрологических наблюдений.

Междисциплинарный курс 02.01. Технология аэрологических наблюдений и обработки аэрологической информации. – М.: 2011.- 140 с.

 

 

Редактор: М.С. Брусенцов -   кандидат экономических наук

 

Рецензент: А.А. Ефимов - главный инженер научно-технического центра

                                                радиозондирования ЦАО

 

 

  Курс лекций разработан в соответствии с требованиями Федерального Государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования по специальности 210422 Радиотехнические информационные системы.

В курсе рассмотрены методы исследования свободной атмосферы, которые применяются на аэрологических станциях Росгидромета, даны описания устройства и принципа работы приборов, а также методики проведения аэрологических наблюдений и обработки аэрологической информации.

 

 

    Междисциплинарный курс рекомендован учебно-методическим советом Росгидромета в качестве учебного пособия для студентов гидрометеорологических учебных заведений среднего профессионального образования.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

	Стр.
Раздел I. ПРОВЕДЕНИЕ ШАРОПИЛОТНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ Тема 1.1. ВВЕДЕНИЕ	5 5
1.1.1. Определение и содержание аэрологии ………………………..	6
1.1.2. Методы исследования свободной атмосферы ………………	6
1. 1.3. История аэрологических исследований ……………………..	9
1.1.4. Строение атмосферы Земли …………………………………..	14
1.1.5. Состав атмосферы Земли ………………………………………	17
Тема 1.2. ОБЕСПЕЧЕНИЕ АЭРОЛОГИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ ВОДОРОДОМ………………………………………………………………	19
1.2.1. Газы, применяемые для наполнения оболочек………………..	19
1.2.2. Водородный баллон……………………………………………..	20
1.2.3. Газогенераторы для получения водорода на аэрологических станциях…………………………………………………………………….	21
1.2.4. Способы получения водорода на аэрологических станциях…	24
1.2.5 Правила техники безопасности при получении водорода ……	27
Тема 1.3. ШАРОПИЛОТНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ………………………….	28
1.3.1. Шаропилотные оболочки ………………………………………	28
1.3.2. Подъемная сила шара-пилота ………………………………..	32
1.3.3. Вертикальная скорость шара-пилота (W) ……………………	33
1.3.4. Причины отклонения фактической вертикальной скорости   шара-пилота от расчетной ……………………………………….	35
1.3.5. Устройство аэрологического шаропилотного теодолита 2АШТ…………………………………………………………….	37
1.3.6. Установка теодолита 2АШТ………………………. ………….	41
1.3.7. Проверка теодолита 2АШТ……….……………………………	45
1.3.8.  Сущность метода однопунктных шаропилотных    наблюдений ……………………………………………………..	50
1.3.9. Проведение шаропилотных наблюдений ……………………	52
1.3.10. Обработка шаропилотных наблюдений ……………………	54
Раздел II.  ПРОВЕДЕНИЕ РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ И ОБРАБОТКА АЭРОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ….………..	60
Тема 2.1. УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП РАБОТЫ, ГРАДУИРОВАНИЕ И ПОДГОТОВКА РАДИОЗОНДА К ВЫПУСКУ……………………..   2.1.1. Устройство радиозонда МРЗ-3А	61 61
2.1.2. Принцип работы радиозонда МРЗ-3А ………………………..	67
2.1.3. Основные характеристики радиозонда МРЗ-3А ……………	70
2.1.4. Градуирование радиозонда МРЗ-3А ………………………….	73
2.1.5. Проверка работоспособности и технических характеристик  радиозонда МРЗ-3А …………………………………………….. Тема 2.2. ПРОВЕДЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЕТРОВОГО                         ЗОНДИРОВАНИЯ (ТВЗ) АТМОСФЕРЫ……………………………..	75   81
2.2.1. Подготовка радиозондовых оболочек ……………………… 2.2.2. Наполнение радиозондовых оболочек……………………… 2.2.3. Подготовка радиозонда к выпуску………………………….. 2.2.4. Сборка радиозонда МРЗ-3А ………………………………	81 82 82 83
2.2.5. Проведение ТВЗ атмосферы с использованием аэрологического процессора (АП)…………………………..	84
2.2.6. Правила техники безопасности при эксплуатации радиозонда Тема 2.3. ОБРАБОТКА КООРДИНАТНО-ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОМАЦИИ  ТВЗ АТМОСФЕРЫ………………………….	91   92
2.3.1. Обработка телеметрической информации …………………….	93
2.3.2. Обработка координатной информации ТВЗ атмосферы …	106
2.3.3. Кодирование аэрологической информации………………….. 2.3.4.Технический и критический контроль результатов ТВЗ атмосферы…………………………………………………… 2.3.5. Оценка качества аэрологических наблюдений 2.3.6. Сбор и хранение результатов радиозондирования……….. Тема 2.4. РАДИОПИЛОТНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ………………….. 2.4.1. Устройство радиопилота МРЗ-2………………………………. 2.4.2. Особенности обработки данных радиопилотных наблюдений 2.4.3. Кодирование результатов ветрового зондирования атмосферы……………………………………………………….. Тема 2.5. СИСТЕМА РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ МАРЛ-А – МРЗ-3АТ………………………………………… 2.5.1. Назначение, состав и характеристики МАРЛ-А…………..	115   121 124 124 126 127 127   128   131 131
Тема 2.6. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ НА АЭРОЛОГИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ  …..……………………………………………………….	133
2.6.1. Выбор места расположения АЭ ……………………………….	133
2.6.2. План территории аэрологической станции …………………	134
2.6.3. Измерительные приборы и оборудование АЭ ………………	135
2.6.4. Программа и сроки наблюдений АЭ …………………………	136
2.6.5. Штат АЭ ………………………………………………………..	137
2.6.6. Документация АЭ ………………………………………………	138
Литература ………………………………………………………………..	140

Секрет успешного воспитания

лежит  в  уважении к ученику. 

Р.У. Эмерсон

Раздел I . ПРОВЕДЕНИЕ ШАРОПИЛОТНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

Тема 1.1. ВВЕДЕНИЕ

Нет на Земле стихии более подвижной, непостоянной, разнообразной и капризной, чем воздушный океан. Воздух – это вечный странник, путешествующий над континентами и океанами. Тот воздух, которым вы дышите в эту минуту, уже успел побывать во многих уголках Земли, многократно нагреться и остыть; им дышали многие другие жители планеты, а также животные и растения.

Жизнь людей, растительного и животного мира на суше развивается на дне воздушного океана, называемого атмосферой. Изменения условий в атмосфере влияют на настроение, здоровье, образ жизни людей и их хозяйственную деятельность, а иногда и на ход исторических событий.

Поводом для организации службы погоды в Англии, Франции и России послужила буря на Черном море 14 ноября 1854 года. Шла Крымская война, в которой России противостояла Европа. Англо-французская эскадра, осаждавшая Севастополь, бросила якоря в Балаклавской бухте. Неожиданная буря побила суда друг о друга и о скалы. Погиб почти весь флот. Эта самая буря зародилась над Францией и прошла через всю южную Европу до Черного моря. Флот можно было бы спасти, заблаговременно выведя суда из бухты, если бы вовремя поступил прогноз.

Одним из первых письменных источников, свидетельствующих о прогнозах погоды и климата, является Библия. Пророк Илья предсказал перед народом дождь в засуху. А первый прогноз климата дал Иосиф в египетском плену, разгадывая сон фараона о семи тощих и о семи тучных коровах. Он предсказал семь сухих лет подряд после семи влажных и предложил сделать запасы зерна.

Погода – это состояние атмосферы в данном месте и в данный момент времени. В России в конце 17 века записями погоды занималась кремлевская стража в конце царствования Алексея Михайловича и при царе Федоре Алексеевиче. Отмечалась температура воздуха («зело морозно» и т.д.), осадки, состояние неба. Записи о погоде регулярно вел в полевых дневниках Петр I. Во время экспедиций Беринга в Сибирь и Америку(1725 – 1743г.) было организовано 9 метеорологических станций. Наблюдения велись по инструкции. Например, при наблюдении за температурой предлагалось «смотреть накрепко, чтобы вблизости оного инструмента термометра никакая чужая теплота, кроме той, которая по воздуху чинится, не была».

Во всем мире около 20 тысяч метеорологических станций и около 1 тысячи аэрологических станций, на которых осуществляются запуски радиозондов в атмосферу. На основе полученных данных строятся карты погоды и составляются прогнозы погоды.

 

1.1.1. Определение и содержание аэрологии

Аэрология  (от греч. аэро – воздух, логия - наука) - это наука о воздухе. Аэрология - это раздел метеорологии, изучающий физические процессы и явления, происходящие в свободной атмосфере и методы их исследования. (К свободной атмосфере можно отнести всю толщу атмосферы, за исключением нижнего сравнительно тонкого приземного слоя воздуха).

В аэрологии применяются следующие термины и определения:

Зондирование атмосферы - измерение различных метеорологических параметров с помощью поднимаемых в атмосферу приборов.

Ветровое зондирование – это измерение в атмосфере скорости и направления ветра.

Температурно-ветровое зондирование - это определение в атмосфере пяти основных метеопараметров: температуры, влажности, давления, скорости и направления ветра.

Радиозондирование – это измерение метеопараметров атмосферы с помощью поднимаемых в атмосферу радиозондов.

Вертикальное зондирование – это измерение в атмосфере вертикальных профилей метеопараметров, т.е. определение метеопараметров на различных высотах.

Горизонтальное зондирование - это определение метеопараметров в атмосфере на определенной высоте.

Специальное зондирование – это измерение дополнительных характеристик состояния атмосферы: газового состава атмосферы, микроструктуры облаков, потоков радиации, содержания озона и др.

Методы  исследования атмосферы называются в зависимости от применяемых подъемных средств. Если измерительные приборы поднимаются в атмосферу на самолете, то метод называют самолетное зондирование, на ракете – ракетное зондирование, на аэростате - аэростатное и т.д. Эти разнообразные методы исследования атмосферы и определяют содержание современной аэрологии.

 

Методы исследования свободной атмосферы

 Методы исследования свободной атмосферы можно разделить на три группы:

· Контактные методы -  основаны на применении приборов, поднимаемых на ту высоту, на которой необходимо провести измерение. К контактным методам относятся радиозондирование, аэростатное, стратостатное, самолетное,  ракетное зондирование атмосферы и др. Приборы можно поднимать в атмосферу на воздушных змеях, аэростатах, стратостатах, воздушных шарах, самолетах, вертолетах, ракетах, искусственных спутниках Земли, космических кораблях. Достоинством этих методов является надежность получаемых результатов наблюдений, возможность систематического повторения этих наблюдений.

· Активные косвенные методы основаны на том, что в атмосферу посылаются различные сигналы и по их прохождению в атмосфере (поглощение, отражение, рассеяние) с помощью специальной аппаратуры измеряются различные параметры.

а) Акустический метод – в атмосферу посылают звуковой сигнал, и по скорости распространения звука определяют температуру воздуха.

б) Прожекторный метод – в атмосферу посылают световой сигнал, который отражается от нижней границы облаков.  По времени прохождения сигнала и скорости света определяют высоту нижней границы облаков.

в) Радиолокационный метод – в атмосферу посылают радиосигналы, которые отражаются от частиц облаков и осадков. Этим методом исследуют облака и связанные с ними явления погоды (метеорологическая радиолокация).

 

· Пассивные косвенные методы основаны на изучении различных атмосферных явлений, не вмешиваясь в их природу.  Изучение явлений, зависящих от состояния атмосферы, позволяет судить о температуре, давлении, плотности, составе, электрическом состоянии атмосферы и т. п.

К таким явлениям относятся: аномальное распространение звука, метеоры, полярные сияния, свечение ночного неба, серебристые облака, сумеречные явления и некоторые другие.

а)    Аномальное распространение звука. Слышимость источников звука не уменьшается непрерывно с увеличением расстояния по горизонтали. Сначала сила звука уменьшается при увеличении расстояния, затем звук не слышен, а потом сила звука снова возрастает и достигает максимума на расстоянии несколько сотен километров от источника звука. Таким образом, было установлено, что существуют две зоны слышимости — нормальная, непосредственно прилегающая к  источнику звука, и аномальная, располагающаяся от источника на очень большом расстоянии и отделенная от нормальной зоны слышимости широкой зоной молчания.Было установлено, что это явление вызывается наличием в атмосфере (стратосфере) теплого слоя воздуха, в котором скорость распространения звука возрастает с высотой.  

б)    Метеоры. Метеоры возникают в верхних слоях атмосферы при вторжении в нее из межпланетного пространства метеорных тел. Двигаясь с космической скоростью (12км/с и более), метеорное тело сталкивается с молекулами воздуха, происходит их диссоциация (распад молекулы на атомы) и ионизация молекул и атомов газов. Метеорное тело от трения о воздух нагревается и сгорает (испаряется) в атмосфере, оставляя за собой метеорный след  - ионизированные облака, от которых отражаются радиоволны. Они располагаются на высоте 80—120 км. Метеорная ионизация обнаруживается с помощью радиолокаторов. Изучение высот возгорания и затухания метеоров, скорости их перемещения  и других метеорных явленийпривело к ряду важных выводов о строении и параметрах атмосферы.  

в)    Полярные сияния. Полярными сияниями называются явления свечения высоких слоев атмосферы (100 – 1000 км), наблюдаемые в полярных областях.  Полярные сияния возникают вследствие ионизации атмосферы при ее бомбардировке электронами и протонами, испускаемыми Солнцем. Попадая в верхний слой атмосферы, частицы движутся вдоль силовых линий магнитного поля Земли, сталкиваются с молекулами и атомами газов воздуха и ионизируют их. Полярные сияния тесно связаны с так называемыми магнитными бурями, т. е. с возмущениями магнитного поля Земли. Спектры полярных сияний позволяют получить сведения о температуре и составе верхней атмосферы. Изучение спектров позволило определить значения температуры вблизи верхней границы полярных сияний порядка 500—750°К.

г)  Свечение ночного неба.  Было замечено, что меньше половины всего света, посылаемого ночным небом, принадлежит звездам и туманностям. Больше половины яркости ночного неба связано со свечением самой атмосферы. Свечение атмосферыпроисходит в результатепоглощения ультрафиолетовой радиации молекулами газов воздуха в ионосфере на высотах 200 – 300 км. При этом происходит их диссоциация и ионизация, и последующее воссоединение.  По спектрам  свечения атмосферы можно определить ее состав и температуру. В основном собственное свечение ночного неба связано с излучением атомарного кислорода и молекулярного азота.  Собственное свечение атмосферы, так же как и полярные сияния, тесно связано с магнитными бурями и с ультрафиолетовым излучением Солнца.

д)  Серебристые облака. Серебристые (мезосферные) облака являются самыми высокими облачными образованиями. Их средняя высота около 80км. Впервые обнаружил серебристые облака 13 июня 1885 г. в Москве астроном В. К. Церасский. Эти облака наблюдаются на широтах 45 - 70°, когда Солнце, опустившись за горизонт,  еще освещает верхние слои атмосферы.  Серебристые облака появляются около периода летнего солнцестояния (в северном полушарии – в июне - июле, в южном полушарии -  в декабре). Серебристые облака наблюдаются более часто в период максимума солнечной активности. Облака, похожие на серебристые, наблюдались также после извержения некоторых вулканов и при падении в 1908 г. тунгусского метеорита. По внешнему виду они похожи на конденсационные следы самолетов, состоят из ледяных кристаллов и  радиус облачных частиц примерно 0,1мк.  Но для образования серебристых облаков путем сублимации (переход водяного пара в твердое состояние) нужны центры кристаллизации (космическая или вулканическая пыль), наличие температуры ниже точки инея и соответствующие условия освещения. Вся эта совокупность условий одновременно редко выполняется. Однако на высоте около 80 км существуют условия, благоприятные для сублимации водяного пара и образования ледяных кристаллов. Космические и метеорные пылинки при определенных условиях могут привести к образованию серебристых облаков.  Наблюдения за серебристыми облаками подтвердили наличие на уровне 80 километровнизких температур (около 200° К) и сильного ветра. Серебристые облака представляют угрозу для керамических плиток тепловой защиты космических аппаратов многоразового использования. При сверхзвуковых скоростях перегрев и разрушение керамических плиток могут иметь катастрофические последствия. Кроме того, серебристые облака отрицательно воздействуют на процесс управления космическим аппаратом при входе в плотные слои атмосферы. Природа серебристых облаков по-прежнему до конца не разгадана.

е) Сумерки – это освещение небесного свода (и земной поверхности) рассеянным светом после того, как солнце уже зашло за горизонт.  Фотометрические исследования сумеречных явлений позволяют судить по оптической плотности различных слоев атмосферы о концентрации молекул на этих высотах.

 ж)   Утечка гелия.  Известно, что гелий непрерывно поступает в атмосферу из недр Земли, но общее его количество в атмосфере постоянно. Это может быть объяснено тем, что происходит непрерывная утечка гелия из верхних слоев атмосферы в межпланетное пространство.  Это предположение было использовано для оценки температуры самых верхних слоев атмосферы. Оказалось, что для того чтобы скорость утечки гелия сравнялась со скоростью поступления его с поверхности Земли, необходимо, чтобы температура в слое F ионосферы достигала 1500°К.