История аэрологических исследований

 а) Высокогорные наблюдения

Изобретение ртутного барометра (Торричелли, 1643 г.) позволило проводить измерения атмосферного давления. Уже в 1647 г. француз Перье с помощью ртутного барометра  установил факт уменьшения давления с высотой. Однако восхождение в горы тогда было связано с большими трудностями. Лишь более чем через 100 лет швейцарский физик Соссюр (1740—1799 гг.), посвятивший всю свою жизнь исследованию гор, произвел многочисленные метеорологические наблюдения в Альпах. Однако высокогорные обсерватории были созданы гораздо позднее (1855—1900 гг.). Но наблюдения в горах не могут в полной мере характеризовать условия свободной атмосферы. Исследование свободной атмосферы возможно только с  помощью летательных аппаратов.

Б) Свободные аэростаты

Начало исследований свободной атмосферы связано с изобретением воздушных шаров. 5 июня 1783 г. французы братья Жозеф Мишель и Жак Этьен Монгольфье впервые в мире запустили в воздух тепловой аэростат - наполненную горячим воздухом полотняную оболочку, оклеенную бумагой. С тех пор тепловые аэростаты получили название "монгольфьер", а 21 ноября был совершен полет на монгольфьере продолжительностью почти полчаса. Первый газовый аэростат, наполненный водородом, изобрел тоже француз - профессор Александр Шарль. 7 января 1785 г. состоялась уже первая международная экспедиция: француз Жан-Пьер Бланшар и американец Джон Джеффри стартовали из британского города Дувра и, перелетев Ла-Манш, приземлились во французском Кале. В России аэростат без пассажиров впервые был запущен в Санкт-Петербурге 24 ноября 1783 г. Летом 1804 г. Петербургская академия наук организовала первый в мире научный полет. Аэростатом управляли фламандец Э. Робертсон и академик Я.Д. Захаров.

Однако метеорологическое значение ранних полетов воздушных шаров невелико, т.к. измеренные температуры были сильно искажены влиянием солнечной радиации.  Полет академика Захарова в 1804 г. происходил после захода солнца, поэтому  измеренные значения температуры были верными.

После изобретения Ассманом аспирационного психрометра в 1887 г., оказалось возможным производить надежные измерения температуры на воздушных шарах (аэростатах).

В России после полета академика Захарова произошел перерыв в исследованиях с помощью воздушных шаров. Они возобновились лишь в 60-х годах. Серию систематических научных полетов выполнили, начиная с 1868г. М. А. Рыкачев (впоследствии академик и директор Главной физической обсерватории), а затем преподаватель воздухоплавательной школы М. М. Поморцев, а также Д. И. Менделеев и др. Свободные аэростаты широко использовались для специальных исследований атмосферы в 1940 г. и в послевоенные годы в Центральной аэрологической обсерватории.

Оболочка свободного аэростата изготавливается из прорезиненной ткани с большим запасом прочности. К оболочке с помощью строп прикрепляется корзина. Аэростат наполняется водородом и выпускается в свободный полет. Вместе с воздушным потоком аэростат смещается по горизонтали. Скорость подъема и спуска аэростата регулируется с помощью балласта и клапана. Балластом служат мешки с  песком. Свободный аэростат при подъеме на некоторой высоте уравновешивается, после чего начинает медленно опускаться. Сбрасывание балласта заставляет его вновь подниматься. Для прекращения подъема или спуска аэростата служит клапан для выпуска водорода, установленный в вершине аэростата. Чтобы уменьшить скорость перемещения аэростата и правильно его ориентировать при посадке, применяется гайдроп, т. е. длинный толстый канат. Перед посадкой гайдроп опускают за борт аэростата, и он волочится по земле, уменьшая тем самым скорость аэростата. В аэростате имеется разрывное приспособление в виде узкой полосы, идущей от верхней части ксередине аэростата. Для быстрой посадки идущего на гайдропе аэростата необходимо   резко потянуть разрывное приспособление. Оболочка разрывается и выпускает водород. Свободные аэростаты с открытыми гондолами имеют ограниченную высоту подъема, т.к. из-за уменьшения давления с высотой работа наблюдателей на больших высотах затруднена. Аэростаты поднимаются до высоты около 5км. Для более высоких подъемов необходимо иметь кислородное оборудование.  Аэростат с герметичной гондолой, поднимающийся до больших высот, называется стратостатом. В Советском Союзе развитию воздухоплавания придавалось большое значение. 30 сентября 1933 г. Г. Прокофьев, К. Годунов и Э. Бирнбаум на стратостате поднялись на высоту 19 км, а П. Федосеенко, А. Васенко и И. Усыскин 30 января 1934 г. достигли рубежа 22 км. К 1940 г. на спортивных аэростатах было совершено свыше 1000 полетов. На начало 1941 г. из 24 официально зарегистрированных Международной авиационной федерацией  мировых рекордов 17 принадлежали советским воздухоплавателям.

Идея выполнения метеорологических исследований на воздушных шарах без людей привела к появлению шаропилотного метода и метода шаров-зондов.

В) Шаропилотный метод

Шаропилотный метод служит для определения скорости и направления ветра в атмосфере и высоты нижней границы облаков. Шар-пилот – это небольшой шар, наполненный газом легче воздуха, который выпускается в свободный полет. Шар-пилот поднимается вверх под действием свободной силы, а под действием ветра смещается в горизонтальном направлении. За шаром-пилотом наблюдают с помощью угломерного оптического прибора – теодолита, с помощью которого определяют угловые координаты шара-пилота в последовательные моменты времени. Первые выпуски бумажных шаров-пилотов были выполнены в 1806 году русскими моряками во время кругосветного плавания под руководством И.Ф. Крузенштерна. Вначале оболочки изготавливались из животной пленки, промасленной бумаги и др. материалов и аппендиксы у них оставались открытыми. Только в 1901г. Ассман начал применять резиновые шары с закрытым аппендиксом.

Г) Метод шаров-зондов

Шар, поднимающий в атмосферу прибор, измеряющий и записывающий результаты измерений, называется шаром-зондом. После разрыва оболочки метеорограф спускался на парашюте. Метеорографы находили и возвращали в обсерваторию по указанному на нем адресу. Первые опыты по подъему в атмосферу самопишущих приборов – метеорографов были осуществлены во Франции в 1892 году. Регулярные выпуски шаров-зондов в России производились с 1901 года в Павловской обсерватории. Метод шаров-зондов неприменим в малонаселенной местности. Метод имеет низкую оперативность, т.к. результаты измерений можно получить только после нахождения и возврата приборов. Поэтому данный метод непригоден для использования в оперативной работе службы погоды. Метод шаров-зондов был заменен радиозондированием атмосферы.  

Метеорографы поднимались в атмосферу также на воздушных змеях или привязных аэростатах. В этом случае высота подъема была небольшая (до 3 км). Недостаток подъема на воздушном змее заключается в том, что он не поднимается вверх при штиле или очень слабом ветре. Змейковые наблюдения нельзя проводить в городах из-за возможности замыкания контактных линий трамваев и троллейбусов.