Температура. Степень нагретости тела оценивается по его температуре. Если незначительные изменения атмосферного давления человек не ощущает и их могут зарегистрировать только приборы, то изменения температуры более чутко воспринимаются человеком.
Наиболее распространённый способ измерения температуры основан на свойстве тел изменять при нагревании и охлаждении свой объём. Простейший прибор, называемый термометром, состоит из небольшого пустотелого шарика с трубкой. Шарик наполнен ртутью или подкрашенным спиртом, а из трубки выкачан воздух, и она запаяна. При нагревании содержимое шарика расширяется и уровень его в трубке повышается.
Изменение температуры также может отмечаться автоматически; для этой дели служит прибор, называемый термографом (рис. 6).
Рис. 6. Внешний вид термографа.
В нём изменение температуры воспринимается так называемой биметаллической пластинкой А. Она состоит из двух спаянных вместе изогнутых пластинок, сделанных из металлов, которые по-разному расширяются от тепла.
При изменении температуры биметаллическая пластинка изгибается в ту или иную сторону, так как составляющие её пластинки удлиняются или укорачиваются по-разному. Один конец пластинки закреплён неподвижно, а другой соединён с помощью рычажков с записывающим пером Б, которое отмечает изменение температуры на движущейся бумажной ленте В.
При повышении температуры пластинка распрямляется и перо перемещается кверху; при понижении температуры пластинка изгибается и перо опускается.
При измерении температуры воздуха необходимо следить, чтобы на шарик термометра не попала вода, иначе прибор будет показывать температуру более низкую, чем температура воздуха, так как испарение воды сопровождается поглощением тепла. Если же на шарик термометра падают солнечные лучи, он будет показывать завышенную температуру, так как шарик поглощает лучи и нагревается сильнее, чем воздух. Чтобы избежать этих ошибок, метеорологи помещают свои термометры вместе с другими приборами в специальные будки. Сверху будка закрыта, а боковые стенки её состоят из наклонных реек, которые свободно пропускают воздух, но препятствуют прохождению прямых солнечных лучей.
Ветер. Воздух почти всегда находится в движении. В различных точках земного шара давление воздуха неодинаково. Эта разница в давлении вызывает перемещение масс воздуха из мест с повышенным давлением в места, где давление ниже. Такое перемещение воздуха и называется ветром. Метеорологам важно знать направление и скорость ветра, для того чтобы можно было предугадать изменение погоды, так как ветер может принести воздух с облаками и дождём, или, наоборот, рассеять эти облака, и т. д.
Для определения направления ветра служит простой прибор флюгер. Это вращающаяся на вертикальной оси стрела с оперением. Носик стрелы всегда направлен туда, откуда дует ветер. На верхней части оси флюгера можно подвесить металлическую дощечку, тогда прибор будет показывать и скорость ветра. Дощечка прикреплена к флюгеру в таком положении, что ветер ударяет прямо в неё. Чем сильнее ветер, тем больше он отклоняет дощечку. По величине отклонения и определяется скорость ветра.
Для более точного определения скорости ветра применяются анемометры. На рисунке 7 показан электрический анемометр.
Рис. 7. Электрический анемометр.
На концах вращающейся крестовины укреплены 4 полушария. Выпуклая часть каждого полушария обтекается воздухом более плавно, чем вогнутая, поэтому ветер оказывает большее давление на вогнутые, и меньшее — на выпуклые части полушария, и заставляет крестовину вращаться. Крестовина вращается вместе с осью, на нижнем конце которой укреплены магниты. Вращение магнитов возбуждает электрический ток в обмотке неподвижных катушек. Напряжение тока возрастает с увеличением скорости вращения. Прибор, измеряющий напряжение тока в анемометре, показывает скорость ветра. Он может быть проградуирован в метрах в секунду и помещён на значительном расстоянии от анемометра.
Флюгер и анемометр применяются для измерения скорости ветра у поверхности Земли. Но как измерить скорость движения воздуха на разных высотах? Для этого применяются шары-пилоты, состоящие из лёгкой резиновой оболочки, наполненной водородом. Поднимаясь вверх, шар-пилот перемещается вместе с потоком воздуха, в который он попадает. В это время два наблюдателя, расположенные на заранее известном расстоянии друг от друга, следят за ним в трубы специальных угломерных приборов — теодолитов[1]. Наблюдатели каждую минуту измеряют вертикальные и горизонтальные углы, под которыми виден шар-пилот. По этим углам рассчитывают высоту шара-пилота и расстояние до него в данный момент, а затем вычисляют, какой горизонтальный путь и в каком направлении пролетел шар за одну секунду. Это и будет скорость и направление ветра на данной высоте.
Измерение с помощью шара-пилота легко проделать при безоблачном небе. Но как быть, если туман, облака или ночная тьма мешают наблюдателю? Можно ли тогда измерить скорость и направление ветра? Оказывается, можно. Здесь на помощь наблюдателю приходит прибор — радиолокатор. Для него ни ночь, ни туман не служат помехой при наблюдении.
Радиолокатор посылает радиоволны в виде очень коротких сигналов в направлении летящего шара-пилота, к которому привязана крестовина из проволоки. Сигналы, отражённые этой крестовиной (радиоэхо), принимаются радиоприёмником локатора. По времени запаздывания радиоэхо определяют расстояние до шара. С помощью радиолокатора можно также определить и направление на шар-пилот с крестовиной. По этим данным рассчитывают путь движения шара-пилота, и, так же как при теодолитных наблюдениях, определяют скорость и направление ветра на разных высотах.
Метеорографы. Обычно метеорологов интересуют одновременно температура, давление и влажность воздуха и их изменения с высотой. Для этого применяется прибор, автоматически записывающий температуру, давление и влажность. Такой прибор называется метеорографом. Метеорограф поднимают на самолёте, воздушном змее, аэростате или небольшом резиновом шаре, наполненном водородом.
На рисунке 8 показан метеорограф СМ-43, предназначенный для подъёмов на самолёте.
Рис. 8. Самолётный метеорограф СМ-43.
Изменения давления воспринимаются двумя анероидными коробочками. Одной стороной они закреплены неподвижно на корпусе прибора, а другой соединены с пером 1. При уменьшении давления перо смещается вверх.
Температура измеряется биметаллической пластинкой, один конец которой также жёстко закреплён на корпусе, а другой соединён с пером 2. При понижении температуры перо также смещается вверх.
Изменения влажности воспринимаются пучком волос. Один конец его неподвижен, другой — перемещает перо 3. При уменьшении влажности перо опускается.
Все перья — давления, температуры и влажности — вычерчивают непрерывные линии на вращающемся барабане 4, покрытом закопчённой бумажной лентой. Барабан приводится в движение часовым механизмом.
Кроме того, в метеорографе имеется ещё одно неподвижное, контрольное перо 5. Оно вычерчивает на барабане прямую линию. Эта линия служит для расшифровки записей давления, температуры и влажности.
После спуска метеорографа на землю метеорологи тщательно обрабатывают его записи и узнают, как изменялись с высотой давление, температура и влажность воздуха.
Метеорографы, поднимаемые на змеях и привязных аэростатах, имеют ещё анемограф, автоматически записывающий скорость ветра.
Радиозонд. Радиозондом называется прибор, автоматически передающий по радио сигналы о величине давления, температуры и влажности непосредственно во время полёта. Радиозонд поднимается на резиновом шаре, наполненном водородом.
На рисунке 9 представлен общий вид радиозонда.
Рис. 9. Радиозонд.
Так же как и в метеорографе, изменения давления воспринимаются в радиозонде анероидными коробочками 1, изменения температуры — биметаллической пластинкой 2, изменения влажности — пучком волос 3.
Анероидные коробочки, биметаллическая пластинка и пучок волос связаны с перьями. Но в отличие от метеорографа в радиозонде перья не вычерчивают линии на закопчённой бумаге, а скользят по особым зубчатым металлическим гребёнкам 4; каждое перо — по своей гребёнке.
Нет в радиозонде и регистрирующего барабана. Вместо него имеется маленький радиопередатчик 5 и особое коммутаторное устройство 6, вращающееся от крыльчатки 7. Когда какое-либо из перьев находится на металлическом зубце гребёнки, оно, через коммутаторное устройство, замыкает электрическую цепь радиопередатчика, и он посылает на землю условный радиосигнал.
На месте выпуска радиозонда его сигналы принимаются радиоприёмником в течение всего полёта. Характер сигналов и порядок их чередования позволяют установить последовательные положения перьев давления, температуры и влажности на соответствующих гребёнках. А каждому положению пера давления на его гребёнке соответствует строго определённая величина давления; каждому положению пера температуры — определённая величина температуры и каждому положению пера влажности — определённая величина влажности.
Таким образом, по сигналам, передаваемым радиозондом, можно узнать, каковы давление, температура и влажность воздуха на той или иной высоте.
3. НА ДНЕ ВОЗДУШНОГО ОКЕАНА
Крушение кораблей в море во время бурь, наводнения и другие стихийные бедствия, связанные с изменением погоды, уже давно настойчиво указывали на необходимость систематического изучения атмосферных явлений.
Около двухсот лет назад великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов впервые высказал идею о необходимости организовать постоянные наблюдения за состоянием атмосферы. Он предлагал в различных частях света поставить станции с самопишущими приборами, показания которых дали бы возможность предвидеть погоду. Ломоносов писал: «Предвидеть перемены погоды подлинно претрудно и едва постижимо быть кажется. Но всё трудами приобрести возможно…».
Идея Ломоносова о постоянных наблюдениях осуществилась только через столетие. В 1849 году в Петербурге начала работать первая в мире Физическая обсерватория. Пятьдесят пять русских метеорологических станций стали посылать в Обсерваторию свои наблюдения над состоянием приземного слоя воздуха.
С 1872 года Обсерватория начала издавать ежедневный обзор погоды. В 1874 году академик Михаил Александрович Рыкачёв организовал в Обсерватории отдел штормовых предупреждений, а в начале XX века он организовал службу предупреждения о наводнениях и службу предупреждения о метелях и резких переменах погоды для мест, где проходили железнодорожные линии.
Годы гражданской войны и интервенции нарушили Службу погоды. Многие метеорологические станции были закрыты, многие разрушены. Советскому правительству пришлось строить Службу погоды заново. 21 апреля 1921 года Совет Народных Комиссаров под председательством В. И. Ленина издал декрет об организации метеорологической Службы в нашей стране. С тех пор метеорологические станции стали строиться по всей территории Советского Союза. Сейчас тысячи таких станций обеспечивают работу Службы погоды.
Метеорологические станции есть у нас и в тайге, и на морях, и в высокогорных районах.
Всю работу по сбору сведений о состоянии атмосферы, составлению прогнозов погоды, исследованию и изысканию новых способов, позволяющих более точно и на более длительный срок предсказывать погоду, объединяет у нас Центральный институт прогнозов, находящийся в Москве.
4. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ПОЛЁТЫ
Измерения, которые может сделать наблюдатель метеостанции, свидетельствуют о состоянии воздуха только вблизи земной поверхности. Но воздух всё время перемешивается. На смену приземному слою приходит воздух из более высоких слоёв, а воздух, омывавший поверхность Земли, поднимается вверх. Поэтому предсказания погоды, основанные исключительно на наземных измерениях, не отличаются большой точностью. Великий русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев неоднократно указывал на необходимость изучать верхние слои атмосферы, для того чтобы сделать более совершенной Службу погоды. Он писал: «Там лаборатория погоды, там образуются облака, там они движутся и там редко помещаются измерительные приборы».
Теперь за состоянием воздуха на различных высотах следят аэрологи. Они регулярно производят метеорологические наблюдения до высоты 10–15 посылая в атмосферу приборы-самописцы и поднимаясь сами на самолётах и аэростатах.
В настоящее время значительно чаще приборы поднимаются без людей, но полёты с наблюдателем и сейчас используются как надёжное средство наиболее полного и всестороннего изучения атмосферы.
Как высоко может подняться человек со своими приборами? Какие аппараты для подъёма он может использовать?
Аэростат и стратостат. В 1731 году житель Рязани Крякутной сделал шарообразный мешок, наполнил его дымом и поднялся в воздух. Как повествует летопись, шар Крякутного поднялся «выше берёзы». Это был первый в мире полёт человека на аппарате легче воздуха.
Шар Крякутного поднялся потому, что наполнявший его тёплый дым был легче воздуха. Но дым скоро охлаждается, и подъёмная сила шара исчезает. Поэтому для подъёма человека в воздух стали применять шары, наполненные лёгким газом, обычно водородом. Такие аппараты называются аэростатами. С аэростатом связано начало штурма неба — попыток завоевания воздушного океана. Первый полёт аэростата с научной целью был организован в России Академией наук в 1804 году. Его совершил академик Я. Д. Захаров. Он так писал о цели своего полёта: «Главный предмет сего путешествия состоял в том, чтобы узнать с большей точностью о физическом состоянии атмосферы и о составляющих её частях в разных определённых возвышениях оной».
Захаров взял с собой в полёт сосуды для проб воздуха, барометр, термометры, компас и другие приборы. Подъём аэростата состоялся в Петербурге, полёт продолжался около 4 часов. Наибольшая высота, достигнутая аэростатом, составила 2480 метров.
В воздухе Захаров произвёл много интересных наблюдений, проследил, как изменялась температура воздуха с изменением высоты полёта, установил, что направление ветра на разных высотах неодинаково. Во время полёта были взяты пробы воздуха на различных высотах.
В 1868–1873 годах подобные полёты были организованы академиком М. А. Рыкачёвым.
Несколько позднее систематические полёты на аэростатах с целью изучения атмосферы организовал один из пионеров русской аэрологии М. М. Поморцев. Он собрал ценный материал об изменении температуры и влажности с увеличением высоты и в 1891 году подверг этот материал серьёзной научной обработке. М. М. Поморцев сделал одну из первых попыток применить сведения, полученные при полётах, к решению задач о предсказании погоды.
Д. И. Менделеев упорно доказывал необходимость исследовательских полётов. «Для ползающих на дне морском, — говорил он, — неведомы бури поверхности; так же и нам почти неизвестны явления, в верхних слоях атмосферы происходящие».
Менделеев критически изучил и обработал данные, полученные об атмосфере другими исследователями, и пришёл к выводу, что температура воздуха не непрерывно уменьшается с поднятием на высоту. В верхних слоях падение температуры замедляется. Поэтому Менделеев предположил, что на некоторой высоте падение температуры прекращается, и в верхних слоях она постоянна.