НА ГЛАВНУЮТЕКСТЫ КНИГ БКАУДИОКНИГИ БКПОЛИТ-ИНФОСОВЕТСКИЕ УЧЕБНИКИЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКАФОТО-ПИТЕРНАСТРОИ СЫТИНАРАДИОСПЕКТАКЛИКНИЖНАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ

Библиотечка «За страницами учебника»

Радиолокатор наблюдает за погодой. Баттан Л. Дж. — 1964 г.

Л. Дж. Баттан

Радиолокатор
наблюдает
за погодой

*** 1964 ***


DjVu


PEKЛAMA Заказать почтой 500 советских радиоспектаклей на 9-ти DVD. Подробности...

Выставлен на продажу домен
mp3-kniga.ru
Обращаться: r01.ru
(аукцион доменов)



 

      Полный текст книги

 


      Перевод с английского и редакция канд физ -мат. наук Е. М САЛЬМАНА
     
      В целом книга, написанная простым языком, богато иллюстрированная, дает хорошее представление о современном уровне развития сравнительно молодого раздела науки — радиолокационной метеорологии. Книга может быть полезна для инженеров, занимающихся проектированием промышленных предприятий, контролем эксплуатации промышленных установок, для работников службы охраны и гигиены труда, специалистов аэрологов, синоптиков и наблюдателей метеостанций, а также для учащихся вузов и гидрометтехникумов.


ОГЛАВЛЕНИЕ

От редактора 3
Предисловие 5

Глава 1. Введение 7
Применение радиолокатора в метеорологии 9

Глава 2. Принцип работы радиолокатора 11
Типы индикаторов 14
Радиолокаторы, используемые для метеорологических наблюдений 18

Глава 3. Радиолокатор обнаруживает дождевые капли 23
Отражение от единичной дождевой капли 24
Отражение от группы дождевых капель 25

Глава 4. Радиолокатор обнаруживает град 29
Теория Ми 33
Интенсивность радиоэхо 35

Глава 5. Измерение жидких осадков с помощью радиолокатора 36
Радиолокационные измерения интенсивности осадков 39
Измерения осадков на малой площади 42

Глава 6. Образование дождя и снега 48
Летние ливни и грозы 50
Некоторые свойства конвективных облаков 52
Зимние осадки 54

Глава 7. Грозы, торнадо и ураганы 58
Грозы 60
Молнии 63
Торнадо 70
Ураганы 73

Глава 8. Радиолокатор помогает пилоту 75
Получение контуров изоэхо 78
Некоторые новые разработки 81

Глава 9. Радиолокатор видит землю и «ангелов» 83
Радиоэхо от земной поверхности 84
«Ангелы» 90

Глава 10. Некоторые специальные радиолокационные методы 96
Форма частиц 99
Турбулентность в облаках 102
Некоторые специальные вопросы измерения ветра 103
Заключение 104
Рекомендуемая редактором литература 106


      ОТ РЕДАКТОРА
      То, что мы называем в обыденной жизни погодой, представляет собой совокупность многих метеорологических элементов и атмосферных явлений.
      Современная наука о погоде — метеорология — располагает весьма совершенными приборами для измерения таких метеорологических элементов, как температура, влажность, давление, ветер и т. п. Однако этих данных недостаточно для характеристики погоды. Необходимо еще уметь наблюдать за атмосферными явлениями, которые являются составной частью погоды. К их числу относятся облака, осадки, грозы, шквалы и т. д. Известно, что образование их в данном районе или вторжение, связанное с движением другой воздушной массы, вызывает изменения погоды, трудно поддающиеся предсказанию. Поэтому для ряда отраслей народного хозяйства, как, например, авиации, сельского хозяйства, транспорта и др., чрезвычайно важно знать местоположение, скорость и направление перемещения, тенденцию развития облачных полей и связанных с ними зон осадков и штормовых явлений типа интенсивных ливней, гроз и шквалов.
      Более 10 лет назад за такими явлениями наблюдали только визуально. Имея ограниченный радиус действия, визуальный метод требовал для получения необходимых сведений на больших площадях огромного числа метеорологических станиий и наблюдательных постов. Из-за неоперативности способов сбора и обработки информации, обладающей большой пространственной и временной изменчивостью, практическая ценность ее резко снижалась.
      Применение радиолокации явилось настоящим переворотом в метеорологии.
      Возможность практически мгновенного обзора больших площадей с помощью радиолокационных станций дала в руки метеорологов качественно новое средство наблюдений и исследований основных атмосферных явлений. В настоящее время в отечественной метеорологии широко используются такие средства в научных и оперативных целях.
      Предлагаемая научно-популярная книга американского метеоролога Л. Дж. Баттана «Радиолокатор наблюдает за погодой» знакомит читателя с вопросами применения радиолокации в метеорологии.
     
      ПРЕДИСЛОВИЕ
      Развитие большинства наук обычно идет ступенчатым путем. Периоды незначительных успехов внезапно сменяются периодами быстрых скачков. Часто такой скачок является результатом какого-либо открытия, развития новой идеи или создания прибора. Например, изобретение циклотрона привело к существенному развитию ядерной физики. В метеорологии применение шаропилотного зондирования, с помощью которого можно получить информацию о давлении, температуре и влажности, чрезвычайно расширило наши знания об атмосфере. Наконец, в последние годы использование быстродействующих электронно-вычислительных машин революционизировало почти все области научных исследований, включая и метеорологию. s
      Использование радиолокации в значительной мере способствовало совершенствованию наблюдений за облаками и осадками. После окончания второй мировой войны, когда появилась возможность использовать военные радиолокационные станции в мирных целях, были получены обширные новые данные почти о всех типах погоды. В это время впервые были созданы специальные метеорологические радиолокационные станции для наземных и самолетных наблюдений.
      Настоящая книга знакомит читателя с применением радиолокационной станции в качестве инструмента, ве-
      дущего наблюдения за погодой. При изложении автор пытался не употреблять сложные технические термины и выражения, чтобы сделать материал более доступным лицам, не подготовленным в зтой области.
      Читателям, пожелающим более подробно ознакомиться с данным вопросом, может быть рекомендована книга того же автора, под названием «Радиолокационная метеорология» 1.
      Л. Дж. Баттан
      1 Эта книга в русском переводе была издана в Гидрометеоиздате в 1962 г.
     
      ГЛАВА ПЕРВАЯ
      ВВЕДЕНИЕ
      Самолет пробивается сквозь плотные облака. Не видно плоскостей крыльев, лишь периодически на их концах загораются красные сигнальные огни.
      Еще 30 минут назад все было спокойно, а сейчас самолет часто вздрагивает и раскачивается. Включен сигнал «Застегнуть ремни». Вспышки молнии освещают небо.
      Пассажиры, настороженно всматриваясь во мглу, пытаются разглядеть грозу, притаившуюся в облаках. Ведь дождь и плохая видимость еще не причина для тревоги. Опасность таится в грозах, где восходящие и нисходящие потоки воздуха, имеющие большую скорость, подстерегают самолет. Эти потоки бросают его вверх и вниз и трясут со страшной силой. Тряска сопровождается градом и ударами молнии.
      Совсем недавно даже опытные пилоты опасались гроз. Еще вчера летчик должен был полагаться лишь на свой опыт и удачу, чтобы провести самолет сквозь грозу, не подвергая опасности себя и пассажиров. Труднейшей проблемой было обнаружение грозовых очагов, сопровождающихся плохой погодой, так как при полетах в облаках невозможно их увидеть.
      Но сейчас мы имеем средство, которое позволяет «видеть» сквозь облака. В полете современного воздушного лайнера летчику помогает радиолокатор, который обнаруживает грозы на большом расстоянии от самолета.
      Если самолет, пробивая гряду облачности, приближается к области с неблагоприятной погодой, пилот видит соответствующее изображение на экране радиолокационной станции. Наблюдая его в течение короткого промежутка времени, пилот может рассчитать оптимальный курс самолета. Должен ли пилот вести самолет вперед, выбирая путь между очагами и лишь немного отклоняясь от основного курса, или надо идти в обход, огибая очаги? На эти вопросы пилот может ответить только теперь, когда он знает истинное расположение грозовых очагов. В результате применения радиолокаторов полеты самолетов стали значительно более безопасными. Устройство, называемое радиолокатором, не только облегчает самолетовождение, но и становится обычным средством наблюдений, успешно применяющимся в метеорологии.
      Что же такое радиолокатор? Как он работает? Как он может улучшить наблюдения за погодой? Что может сказать он о процессах, происходящих в атмосфере?
      Радиолокатор использует радиоволны для обнаружения объектов и определения их местоположения. Нет сомнения, что создание радиолокатора является одним из выдающихся открытий в области электроники, сделанных во время второй мировой войны.
      Совершенно очевидно, что в военное время огромное значение приобретает возможность точно определять координаты и траектории движения самолетов и судов противника в любых метеорологических условиях и в любое время суток. При бомбометании особенно важно нахождение объектов, невидимых из-за облаков. Большие усилия были затрачены на разработку системы, которая могла бы решить такую задачу.
      В начале войны в Англии и других странах, подвергавшихся частым воздушным атакам, для обнаружения в небе самолетов противника широкое распространение получили мощные прожекторы. Однако этот способ был приемлем только ночью при ясном небе и совершенно не годился во время туманов и мглы. Кроме прожекторов, применялись способы звукового обнаружения воздушных целей, но и эти способы имели множество недостатков. Как известно, звук распространяется со скоростью всего 330 м/сек, испытывая при этом колебания скорости и направления распространения вследствие неоднородности
      атмосферы. Поэтому звуковые локаторы применяются в настоящее время лишь для обнаружения подводных объектов, например подводных лодок. Для нахождения же воздушных целей они совершенно непригодны.
      Таким образом, при отыскании объектов на поверхности земли или в воздухе радиолокация имеет огромные преимущества перед оптическими или акустическими методами, так как может использоваться в самых разнообразных условиях, в любое время суток. Обычные облака и туманы не мешают обнаружению цели. Радиолокатор «видит» объекты как на больших, так и на малых расстояниях. Поэтому во время второй мировой войны они использовались почти при всех наземных, морских и воздушных операциях. С тех пор были созданы гораздо более мощные и совершенные радиолокационные станции.
     
      ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОЛОКАТОРА В МЕТЕОРОЛОГИИ
      В процессе использования радиолокаторов во время второй мировой войны возникла одна серьезная проблема: как только между радиолокатором и целью начиналось выпадение интенсивных осадков, эффективность радиолокационного обнаружения в значительной мере уменьшалась. В тех случаях, когда самолет, который необходимо было обнаружить, пролетал внутри или в тылу области интенсивных осадков, его сигнал терялся в радиоэхо, создаваемом самими осадками, и поэтому практически был неразличим. Если же наблюдались не дождевые облака, то подобные эффекты «маскировки» сигналов самолета были незначительны.
      Таким образом, осадки, вызывающие интенсивное радиоэхо на индикаторах радиолокационных устройств, явились серьезной помехой для операторов станций военного назначения, так как создавали маскирующие «шумы» метеорологического происхождения. Однако для метеорологов такие шумы были настоящей музыкой. Впервые появилась возможность определять положение зон осадков, измерять их размеры, наблюдать за их ростом и движением. Отпала необходимость предсказывать возникновение гроз на больших расстояниях, их удаленность и скорость движения. Догадки сменились прямыми наблюдениями. В результате применения радиолокатора стало возможным решить большой круг различных проблем в области метеорологии.
      Значительный скачок вперед был сделан в области прогнозов погоды.
      Метеорологи аэропортов при грозовой ситуации решают ряд важнейших вопросов: пройдет ли гроза над данным аэродромом и если пройдет, то какой силы ветра и интенсивности осадков следует ожидать, сколько времени может продлиться шторм? Точные ответы на подобные вопросы, полученные заблаговременно, хотя бы за 30 минут до начала шторма, имеют огромное значение. Этого времени достаточно, чтобы укрыть самолеты в ангарах или закрепить их на месте и устранить опасность повреждения во время шторма.
      Как будет показано в дальнейшем, грозы не всегда движутся по направлению ветра. Следовательно, до тех пор, пока отсутствовала возможность непосредственных наблюдений за их движением и развитием, точное предсказание таких явлений, как грозы, было нереальным. Единственным средством получения необходимых данных о грозах является радиолокатор. Конечно, это только один из примеров применения радиолокации в метеорологии.
      С середины 40-х годов, когда метеорологи только начали использовать радиолокаторы,, было получено много нового о процессах формирования различного вида облаков и осадков. Сейчас авиакомпании, а также военные и гражданские службы погоды широко применяют радиолокацию. Так, в США области с особенно «плохой» погодой (например, «аллея торнадо» в центральной части США и район частых ураганов вдоль берегов Атлантического океана) покрыты сетью радиолокационных станций. Подобная сеть позволяет заблаговременно обнаруживать и давать предупреждения о возникновении неистовых штормов, прослеживая при этом их движение по территории страны. В последних главах вопросы применения радиолокации для обнаружения штормов, ураганов и торнадо будут изложены более детально. Перед тем как обсуждать возможности применения радиолокации в метеорологии, целесообразно пояснить, как работает радиолокатор и почему он обнаруживает частины роды или льда.
     
      ГЛАВА ВТОРАЯ
      ПРИНЦИП РАБОТЫ РАДИОЛОКАТОРА
      Радиолокационные установки могут отличаться друг от друга по величине излучаемой ими мощности. Одни из них настолько маломощны, что энергия их меньше энергии обычной лампы накаливания. Другие же настолько мощны, что на очень короткий промежуток времени способны создать энергию, достаточную для освещения целого города.
      Несмотря на различия в мощности, устройство всех радиолокационных станций одинаково. Все они имеют передатчик, приемник, антенну и индикатор Несколько позже мы подробно опишем эти устройства, а сейчас рассмотрим, каким образом с помощью радиолокатора измеряется расстояние до некоторого объекта, например до самолета.
      Радиолокатор излучает импульс энергии в направлении самолета (рис. 1). Небольшая часть этой энергии отражается самолетом обратно и улавливается радиолокатором. Если известна скорость, с которой распространяется импульс энергии, и промежуток времени между излучаемым и принимаемым импульсами, то расстояние до самолета может быть легко вычислено. У всех радиолокационных устройств импульс энергии существует в форме электромагнитных волн. В большинстве случаев можно считать, что они распространяются с постоянной скоростью 3 108 м/сек, т. е. со скоростью, равной скорости света. Это совершенно естественно, так как свет является ни чем иным, как электромагнитными волнами, а поэтому и распространяется с той же скоростью, что и они. Строго говоря, в атмосфере электромагнитные волны, или радиоволны, как их иногда называют, распространяются несколько медленнее, чем световые, однако это различие пренебрежимо мало.
      Вернемся к нашему примеру. Если самолет удален на расстояние 30 км, то время, которое потребуется отраженному импульсу, чтобы вернуться в приемник радиолокатора, должно составлять тТоб или 0,0002 сек.
      Обычно для измерения очень коротких промежутков времени принято использовать миллионные доли секунды, или, как их называют, микросекунды (мксек). Таким образом, из общего времени 200 мксек 100 были затрачены на то, чтобы излученный импульс дошел до цели, а другие 100 — на то, чтобы , отраженный импульс вернулся обратно в приемник радиолокатора. Зная это время, оператор радиолокационной станции может легко рассчитать, что самолет был на расстоянии 30 км.
      В действительности для определения расстояния нет Рис. 2 Индикатор типа А. необходимости вычислять 1 — радиоэхо самолега, 2 — радио- затраченное ВреМЯ. ВмеСТО этого для определения расстояния до цели используются специальные радиолокационные экраны, называемые индикаторами. Среди большого многообразия используемых типов индикаторов один из простейших носит название «индикатор типа А» (рис; 2). Этот индикатор представляет собой электронно-лучевую трубку, подобную применяемым в обычных телевизорах, на экране которой вместо множества тесно расположенных горизонтальных линий, создающих кадр, имеется только одна горизонтальная линия. Эта линия создается перемещающимся пучком электронов, который, ударяясь об экран трубки, вызывает его свечение. Пучок начинает перемещаться горизонтально в тот момент времени, когда передатчик излучает импульс энергии. Часть излучаемой энергии, попадая на индикатор, вызывает вертикальное отклонение пучка электронов, создающего на экране
      светящийся выброс, называемый первичным всплеском. Скорость перемещения пучка электронов по экрану индикатора выбирается таким образом, чтобы определенное горизонтальное смещение соответствовало заданному расстоянию до цели. Так, на индикаторах, предназначенных для определения расстояния до целей, расположенных, например, на максимальном удалении до 50 км, пучок электронов должен пересекать весь экран трубки за время, равное -g 1Q5 , т. е. приблизительно за 330 мксек.
      Множитель 2 введен потому, что импульс энергии дважды проходит путь до цели. Однако нас интересует лишь половина этого пути. По этой причине экран индикатора размечается цифрами, которые непосредственно указывают расстояние до цели. Как только импульс, отраженный от самолета, достигает радиолокатора, он вызывает вертикальное отклонение электронного пучка, создающего на соответствующем расстоянии светящийся выброс, называемый вторичным всплеском. Расстояние до цели непосредственно определяется удаленностью этого всплеска.
      В большинстве радиолокационных станций используются индикаторы, у которых продолжительность существования светящихся линий и всплесков значительно больше, чем у обычных телевизионных трубок. Вещество (обычно фосфор), которым покрывается внутренняя поверхность экрана, светится значительно дольше (секунды), чем подвергается воздействию электронного пучка (микросекунды). Это свойство «послесвечения» радиолокационных индикаторов облегчает наблюдение отраженных сигналов.
      Показанный на рис. 2 радиолокационный индикатор дает нам сведения не только о расстоянии до цели. Величина вертикального всплеска, т. е. амплитуда отраженного сигнала, часто называемого радиоэхо, характеризует его мощность. Когда радиоэхо слабое, импульс, отраженный от самолета, маленький. Если радиоэхо сильное, отраженный импульс большой по амплитуде. Для обнаружения самолетов эта особенность радиолокационных отметчиков, позволяющая оценивать мощность радиоэхо, может показаться не очень важной. Однако для изучения облаков и осадков она играет огромную
      роль. Как мы увидим позже, мощность радиоэхо может быть использована для количественного определения интенсивности осадков.
     
      ТИПЫ ИНДИКАТОРОВ
      Кроме индикаторов типа А, в радиолокаторах, применяемых для метеорологических целей, широко используются и другие типы индикаторов. Наиболее распространен индикатор кругового обзора (ИКО). Как показывает само название, этот индикатор дает картину распределения радиоэхо по кругу в плоскости обзора. На рис. 3 приведен индикатор кругового обзора, на котором видно радиоэхо от самолета и небольшого очага ливневых осадков. Как видим, такой тип индикации позволяет определять не только расстояние до цели, но и направление, в котором она перемещается. В данном случае самолет находится от радиолокатора на расстоянии 20 км, азимут 45°.
      Общая яркостная картина радиоэхо на ИКО складывается из множества све-товах пятен, образующихся в результате последовательного пробегания пучка электронов от центра экрана к периферии и его вращения по кругу синхронно с вращением антенны радиолокационной станции. Для того чтобы понять, каким образом радиолокатор способен давать сведения о направлении на цель, необходимо уяснить роль, которую при этом играет антенна.
      Радиолокационные устройства могут быть сконструированы с антеннами, аналогичными антеннам, используемым в обычных телевизионных системах. Однако такие антенны не нашли широкого применения в радиолокаторах. Действительно, цель телевизионной системы — охватить максимально возможное число объектов, а поэтому излучаемая энергия должна посылаться во всех направлениях равномерно. В радиолокационных же системах, наоборот, требуется максимальная концентрация энергии в виде узкого пучка. Для этой цели в качестве радиолокационных антенн часто применяются металлические отражатели, аналогичные по форме зеркалам, которые используются в больших прожекторах.
      Рис. 4. Типы лучей, создаваемых различными антеннами. а — симметричный луч, б — асимметричный луч, вертикальные размеры которого меньше, чем горизонтальные, в — асимметричный луч, вертикальные размеры которого больше, чем горизонтальные.
      Форма отражателя зависит от тех требований, которые предъявляются к антенне радиолокационной станции (рис. 4). Если необходимо по тем или иным причинам сконцентрировать излучаемую энергию в виде узкого, «карандашного» луча, следует использовать большие овальные металлические отражатели, вогнутые внутрь. В тех случаях, когда желательно иметь луч, узкий в вертикальном, но широкий в горизонтальном направлении, отражатель должен иметь форму, напоминающую лист банана, наибольший размер которого расположен в той плоскости, где требуется наименьшая ширина луча. Обычно чем больше отражатель антенны,
      тем меньше ширина луча, внутри которого концентрируется излучаемая энергия.
      Итак, антенна радиолокатора, имеющего индикатор кругового обзора, плавно вращается вокруг вертикальной оси. По мере вращения антенны электронный пучок, пробегающий непрерывно от центра экрана ИКО к его периферии и обратно к центру, создает изображение светящейся линии, которая вращается синхронно с антенной. Когда антенна направлена в азимут 30°, светящаяся линия на экране ИКО также располагается в азимуте 30°. Если формируемый антенной луч достаточно узок и составляет, скажем, 1°, направление (азимут) на самолет или другую цель может быть определено, с большой точностью, так* как радиоэхо от целей может быть получено только в тот момент, когда вращающийся луч антенны направлен на них.
      В метеорологических целях используется также индикатор «дальность — высота» (ИДВ). Как видно на рис. 5, на этом индикаторе радиоэхо представляется в координатной сетке высота — горизонтальное удаление. Следует заметить, что термин «горизонтальное удаление» означает длину пути до цели по горизонтали. Если луч радиолокатора направлен горизонтально, то расстояние до цели равно горизонтальному удалению. С другой стороны, если объектом обнаружения является высоко летящий самолет, расстояние до него может быть много больше, чем горизонтальное удаление (рис. 6). Для того чтобы картину радиоэхо представить в координатах высота — горизонтальное удаление, антенна радиолокационной станции должна перемещаться в вертикальной плоскости (сканировать). По мере того как она поднимается и опускается по углу места, луч на экране индикатора повторяет ее движения, создавая на нем соответствующую картину радиоэхо. Индикатор «дальность — высота» обычно используется в тех случаях, когда требуется непосредственное определение высоты цели. Метеорологи часто применяют такие индикаторы для измерения высот, до которых развиваются грозовые облака.
      Как уже было показано, на индикаторе типа А мощность радиоэхо может быть определена по величине амплитуды сигналов. Для индикаторов кругового обзора и «дальность — высота» мощность радиоэхо определяется его яркостью Чем сильнее ОТраженный сигнал, тем горизонтальной дальностью
      ярче радиоэхо. Такая зависимость между мощностью радиоэхо и его яркостью сохраняется, однако, только до тех пор, пока изображение на электронно-лучевой трубке индикатора не достигает «насыщения», т. е. некоторого уровня, выше которого яркость свечения уже не меняется цаже при возрастании мощности радиоэхо.
      Несмотря на то что передатчики радиолокационных станций излучают очень большие мощности в импульсе, количество отраженной от метеорологических целей энергии ничтожно мало. Например, большинство радиолокаторов излучает мощности 100 кет и более. Как уже ранее отмечалось, излучаемая мощность концентрируется в коротких импульсах, которые следуют друг за другом через сравнительно большие промежутки времени. Обычно радиолокаторы излучают импульсы длительностью 1 мксек с интервалом времени между ними 1000 мксек. Относительно длинный промежуток между импульсахми дает возможность отраженному сигналу дойти до приемника раньше, чем будет излучен следующий импульс.
      Основное назначение приемника — усиление принятых сигналов до такой величины, которая может различаться на индикаторе визуально. Большинство радиолокационных устройств способно обнаруживать сигналы, равные миллионным долям от миллионных долей ватта, т. е. 10~12 вт. Отдельные радиолокационные станции настолько чувствительны, что могут принимать мощности 10“14 вт.
      Важнейшей характеристикой радиолокационной станции является частота используемых радиоволн. Как будет показано позднее, правильный выбор частоты радиоволн особенно важен, если радиолокационная станция предназначена для наблюдений за облачностью и осадками. Чем выше частота, тем меньше размеры капель, которые может обнаружить радиолокатор. Обычно для метеорологических радиолокаторов используются частоты в диапазоне от 1 500 000 000 до 30 000 000 000 гц. Так как скорость распространения радиоволн можно считать постоянной величиной, определяемой произведением частоты и длины волны, становится очевидным, что каждой частоте радиоволны соответствует определенная длина волны. Зная, что скорость распространения радиоволн составляет 3 1010 см/сек, можно легко вычислить, что радиолокаторы, используемые в метеорологических целях, работают в диапазоне волн от 1 до 20 см. Выбор длины волны определяется задачей исследования. Если необходимо обнаруживать мелкие водяные капельки, целесообразно использовать более короткие длины волн. Если же предметом исследования являются зоны осадков или грозы, можно использовать более длинные волны. Причины, из которых вытекают сделанные выводы, будут пояснены в последующих главах.
     
      РАДИОЛОКАТОРЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ
      Некоторые радиолокационные устройства весьма сложны, громоздки и имеют сотни радиоламп. Эксплуатация их требует специального штата обслуживающих лиц. Другие радиолокационные устройства относительно просты и менее громоздки. Обычно такие станции имеют ручное управление, которое осуществляется одним оператором. Сложность радиолокатора зависит от многих
      факторов, например от длины волны, излучаемой мощности, размеров антенны, типов и количества индикаторов.
      Все промышленные радиолокаторы построены по схеме, приведенной на рис. 7. Такая схема, называемая блок-схемой, поясняет без излишних подробностей принцип работы всего устройства и взаимодействие его основных частей — блоков, представленных на рис. 7 в виде квадратиков.
      «Сердцем» радиолокатора можно считать передатчик, который создает импульсы электромагнитных волн.
      Рис. 7. Блок-схема радиолокатора.
      1 — передатчик, 2 — приемник, 3 — индикатор, 4 — электронный переключатель, 5 — антенна.
      Большинство метеорологических радиолокаторов имеет мощности в импульсе примерно от 25 до 500 кет. После того как импульс создан, он поступает в антенну, которая излучает его в виде узкого луча. Во время излучения созданного передатчиком импульса приемник радиолокатора выключается с помощью электронного переключателя. Если бы выключение приемника на время передачи не происходило, то огромная излучаемая мощность, попадая в приемник, могла бы вывести его из строя. После излучения импульса длительностью около 1 мксек приемник вновь включается для того, чтобы отраженный сигнал, принятый антенной, мог попасть в приемный тракт. Как уже указывалось, радиолокаторы способны принимать слабые сигналы, мощность которых составляет 10-12 — 10~14 вт. Для того чтобы такие сигналы были видны на индикаторе, их необходимо многократно усилить. Усиление сигналов составляет одну из главных функций приемника. После усиления сигналы поступают на один или несколько индикаторов, где и представляются окончательно в форме, удобной для наблюдений.
      Еще в середине 40-х годов метеорологи для проведения наблюдений широко использовали военные радиолокаторы. Одной из первых станций, примененных для этих целей, была станция SCR-584. Это был 10-сантиметровый радиолокатор с антенной, смонтированной на крыше прицепа. Благодаря своей универсальности станция SCR-584 нашла широкое применение в военном деле. Так, например, она использовалась для обнаружения самолетов противника, контроля, опознавания и наведения собственных самолетов на близко расположенные позиции противника, для управления зенитной артиллерией. Первая метеорологическая задача, которая была выполнена на этой станции, — это измерение скорости и направления ветра на различных высотах с помощью воздушных шаров (шаров-пилотов) с привязанными к ним радиолокационными мишенями. Зная траекторию шара-пилота, можно было легко вычислить направление и скорость ветра.
      Широкое применение в метеорологии получили также военные радиолокационные установки AN1APQ-13 и AN1APS-2F. Обе эти станции первоначально были предназначены для целей воздушной навигации и бомбометания. Они имели в основном одинаковые параметры, за исключением того, что первая из них работала на волне 3 см, а вторая — на волне 10 см. У обеих станций излучаемая мощность составляла около 40 кет, а антенна в диаметре была около 75 см.
      Широкое использование в метеорологии получила станция военного назначения AN1TPS-10 (рис. 8). Эта 3-сантиметровая радиолокационная станция имеет вертикально сканирующую по углу места антенну. Вертикальные размеры антенны составляют около 3 м, горизонтальные — около 1 м. Такая антенна создает узкий луч, ширина которого в вертикальной плоскости 0,7Р, а в горизонтальной 2°. Как и следовало ожидать, такой радиолокатор снабжен индикатором «дальность — высота», приведенным на рис. 5.
      В 1950 г. были спроектированы еще два специальных радиолокатора метеорологического применения. Первый из них — AN1CRS-9 (рис. 9) — начали применять с 1951 г. Эта станция предназначалась для управления воздушным движением и должна была заменить устаревшую станцию AN1APQ-13, широко использовавшуюся в метеороло-
      гической службе всего мира. Станция AN1CRS-9 представляет собой 3-сантиметровый радиолокатор с круглой параболической антенной диаметром около 2,4 м, имеющей круговое вращение и вертикальное сканирование. Форма луча симметричная в обеих плоскостях, с шириной 1°. Станция снабжена индикатором кругового обзора
      Рис. 8. Антенная система 3-сантиметрового радиолокатора AN1TPS-10.
      и индикатором «дальность — высота». Излучаемая мощность станций около 250 кет, минимальная мощность — обнаруженный сигнал Г0“13 вт. Радиолокатор AN1CRS-9 чрезвычайно чувствителен и способен обнаруживать очень слабые осадки на расстоянии до 300 км.
      Новейшей радиолокационной метеорологической аппаратурой является станция WSR-57. Этот 10-сантиметровый радиолокатор был спроектирован специально для
      Бюро погоды США. Одной из главных причин выбора этой длины волны явилось целевое назначение данного радиолокатора, предназначенного для обнаружения только гроз, торнадо, ураганов, а не слабых дождей и облачности. Как будет показано в дальнейшем, радиолокаторы, работающие на более длинных волнах, способны обнаруживать только крупные частицы осадков. Мелко-
      Рис. 9. Антенная система 3-сантиметрового радиолокатора AN1CPS-9.
      капельные дожди и сплошная облачность для них прозрачны.
      Как уже отмечалось, для получения узкого луча необходимо иметь большую антенну. На рис. 10 показана антенная система станции WSR-57, представляющая собой сферическое «блюдо» диаметром 3,7 ж. Излучаемая такой антенной мощность составляет 500 кет. Чувствительность приемника станции 10 ~ 14 вг.
      Помимо рассмотренных выше станций, для метеорологических целей могут быть использованы и широко используются в настоящее время многие другие типы радиолокационных средств, включая станции военного
      назначения. Однако наибольший эффект дают спецйалЬ* ные метеорологические радиолокационные станции, выпускаемые рядом компаний в США, Англии и Италии.
      Рис. 10. Антенная система 10-сантиметрового радиолокатора штормового оповещения WSR-57. Антенна снабжена обтекателем, пропускающим радиоволны и защищающим ее от дождя, снега и ветра.
     
      ГЛАВА ТРЕТЬЯ
      РАДИОЛОКАТОР ОБНАРУЖИВАЕТ ДОЖДЕВЫЕ КАПЛИ
      Читатель легко поймет, каким образом радиолокатор обнаруживает самолет, если представит себе работу мощных прожекторов, использовавшихся во второй мировой войне для «засекания» вражеских бомбардировщиков, летавших над Лондоном. Попав в узкий, но сильный луч света, самолет становится видимым с земли. Когда говорят: «Самолет виден», подразумевают, что света, отраженного от него, достаточно, чтобы создать зрительное восприятие в глазу человека.
      При работе радиолокатора излучаемые им радиоволны, так же как и световые волны в прожекторе, концентрируются антенной в виде узкого луча. Часть излученной энергии радиоволн, достигнув самолета, отражается обратно.
      При работе прожекторов мы имеем дело с непрерывным потоком излучаемой и отражаемой энергии. Поэтому мы не в состоянии определить расстояние до самолета и можем узнать лишь направление, в котором он находится.
      При работе радиолокатора, излучающего энергию не непрерывно, а в виде коротких импульсов, можно измерить время, которое требуется импульсу энергии для достижения им самолета и возвращения обратно, а следовательно, можно определить не только направление, но и расстояние до цели.
      Независимо от того, с каким видом волн мы имеем дело — световыми или радиоволнами величины энергии, отраженной от самолета, будут примерно одинаковыми при прочих равных условиях. Это объясняется тем, что в обоих случаях длины волн малы по сравнению с разме-J рами отражающей цели. Действительно, длина световых волн порядка 0,5 10~4 см, а длина волны радиолокатора примерно 10 см, в то время как длина самолета-бомбардировщика около 30 м.
      До тех пор пока размеры цели значительно превышают длину волны, для вычисления величины отраженной электромагнитной энергии применимы законы геометрической оптики. В тех случаях, когда размеры цели соизмеримы или меньше длины волны, задача вычисления энергии становится более сложной. Такие условия имеют место при радиолокационном обнаружении капли дождя или областей с такими каплями.
     
      ОТРАЖЕНИЕ ОТ ЕДИНИЧНОЙ ДОЖДЕВОЙ КАПЛИ
      Рассмотрим вначале отдельную дождевую каплю, считая ее сферой с диаметром 0,1 см. Размер такой капли в 100 раз меньше длины волны Т0-сантиметрового радио-
      локатора. Какую же мощность способна отразить подобная капля обратно, в антенну радиолокатора?
      Эта задача была решена в 1871 г. известным английским ученым Релеем. В то время еще не было радиолокации, появившейся, как известно, почти через 60 лет. Ре-лея же интересовал вопрос о причине голубого цвета неба.
      Хорошо известно, что видимые лучи солнечного света состоят из всех цветов спектра — от фиолетового до красного. Это хорошо видно на примере радуги. Каждый цветовой оттенок радуги представляет собой электромагнитную волну определенной длины. Длины волн возрастают при переходе от фиолетовой части спектра к красной. Релей показал, что молекулы воздуха и мельчайшие частички пыли рассеивают попадающий на них свет, причем короткие волны рассеиваются более интенсивно, чем длинные. Таким образом, фиолетовые и синие компоненты солнечного света отражаются по направлению к земле сильнее, чем желтые и красные. Так как интенсивность фиолетовой части спектра мала по сравнению с синей, небо большей частью окрашено в голубой цвет. Релей вывел уравнение для расчета мощности, рассеиваемой частицами, размер которых много меньше длины волны. Так как в действительности капли дождя значительно меньше длины волны радиолокатора, уравнение Релея справедливо и в этом случае.
      Выше был использован термин «отражение», характеризующий мощность, возвращенную в приемник радиолокатора. Сейчас мы ввели новый термин — «рассеяние». Для того чтобы внести ясность в терминологию, необходимо понять, как ведут себя сферические водяные частицы, облучаемые радиоволнами. При прохождении радиоволны через капельку некоторое количество энергии волны поглощается ею. Адсорбируя энергию, вода немного нагревается. Другая часть падающей энергии мгновенно излучается каплей во всех направлениях. Доля энергии, вторично излучаемой каплей в направлении, обратном распространению волны, т. е. к радиолокатору, превышает энергию, излучаемую в направлении, перпендикулярном лучу.
      Процесс вторичного излучения захваченной каплей энергии и называется рассеиванием. Мощность, рассеянная в направлении радиолокатора, называется обратно
      рассеянной. Именно эту мощность и можно рассматривать как отраженную каплей.
      Для больших целей величина отраженной мощности пропорциональна их поперечному сечению. Закон рассеяния Релея показывает, что это условие не выполняется для очень малых целей, какими являются облачные и дождевые капли. Согласно этому закону, для данной длины волны обратно рассеянная мощность пропорциональна диаметру капли в шестой степени.
      В качестве примера рассмотрим 10-метровый радиолокатор, облучающий капельку диаметром 0,1 см. Если обозначить отраженную этой капелькой мощность через Р, то для капли вдвое большего диаметра, т. е. 0,2 см, величина отраженной мощности будет 2(6Р = 64Р. Соответственно для капли диаметром 0,3 см эта мощность будет составлять 729Р. Если бы отраженная мощность была пропорциональна площади поперечного сечения цели, как это имеет место при очень больших размерах цели по сравнению с длиной волны, величины отраженной мощности для капель диаметром 0,1, 0,2 и 0,3 см составляли бы соответственно Р, 4Р и т. д. Этот пример наглядно показывает, как сильно зависит количество отраженной каплей мощности от ее диаметра.
      Закон Релея также поясняет влияние длины волны на количество отраженной каплей энергии. Он устанавливает, что отраженная мощность обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Следовательно, если диаметр капли остается постоянным, отражение будет тем сильнее, чем короче длина волны. Так, например, мощность, отраженная 5-сантиметровой волной, была бы в 16 раз больше, чем мощность, отраженная 10-сантиметровой волной, если при этом диаметр капли оставался бы неизменным. Таким образом, можно констатировать, что для получения сильного радиоэхо от капель малого размера следует использовать радиолокатор, работающий на очень короткой длине волны.
      Однако при выборе наиболее выгодной длины волны для обнаружения дождей следует учитывать не только отражательную -способность капель, но и ряд других факторов, главным из которых является эффект ослабления мощности излучаемого и отраженного сигнала вследствие его прохождения в атмосфере, облаках и каплях дождя.
      Ослабление возрастает при переходе к более коротким волнам. По этой причине для наблюдения за обложными дождями, занимающими большие площади, желательнее применять радиолокаторы, работающие на более длинных волнах, например от 10 до 20 см. На таких волнах общее ослабление сигнала за счет поглощения и рассеяния значительно меньше, чем на волнах длиной от 1 до 3 см. Таким образом, при выборе длины волны радиолокатора, применяемого для наблюдения за дождями, приходится учитывать два противоречивых фактора. С одной стороны, желательно применять короткие волны, обеспечивающие возможность обнаружения мелких капель. С другой стороны, увеличение длины волны уменьшает общее ослабление сигнала. Очевидно, что при выборе рабочего диапазона станции следует исходить из компромиссного решения. Большинство исследователей считает оптимальной для наблюдения за дождями длину волны 5 см. Практически для разных метеорологических наблюдений используются радиолокаторы с длиной волны 1, 3, 5, ГО и 20 см. Выбор конкретной длины волны всецело определяется задачей исследования.
      До сих пор мы имели дело только с дождевыми каплями. Рассмотрим теперь, как изменится отражательная способность этих капель, если они замерзнут. Если капли малого диаметра, то их замерзание приводит к уменьшению интенсивности радиоэхо по сравнению с такими же, но жидкими каплями примерно в пять раз. Вопросы отражения от больших ледяных частиц несферической формы рассмотрены в следующей главе.
     
      ОТРАЖЕНИЕ ОТ ГРУППЫ ДОЖДЕВЫХ КАПЕЛЬ
      Простые расчеты мощности, отраженной дождевой каплей, показывают, что она слишком мала, чтобы быть обнаруженной обычным радиолокационным приемником. Например, капля диаметром 0,1 см, находящаяся на расстоянии 10 км от станции, создает на входе обычно используемого для метеорологических наблюдений 10-сантиметрового радиолокатора мощность около 6-ГО-20 вт. Такая мощность много меньше мощности минимально обнаруживаемого сигнала, составляющего для большинства станций 10~~13 вт.
      В действительности в зоне, облученной радиолокатором, находится не одна, а множество капель. Исследования показали, что обычно число капель в единице объема уменьшается с ростом их диаметра, а абсолютное количество капель меняется в широких пределах. Наиболее часто в 1 куб. м воздуха содержится от 100 до 1000 капель дождя.
      Допустим, что радиолокатор имеет симметричный луч шириной 3° и излучает импульсы с пространственной длиной 300 м. Тогда все капли, заключенные в объеме луча антенны с длиной, равной половине пространственной протяженности импульса, смогут одновременно отражать падающую на них мощность в антенну радиолокатора (рис. И). Ввиду сложности объяснения причины, по которой при рассмотрении облучаемого объема во внимание принимается лишь половина пространственной длины импульса, не будем останавливаться на ней более подробно, так как это не является принципиальным. Интересующийся читатель способен самостоятельно дать подробное объяснение.
      Итак, если на расстоянии 10 км луч радиолокатора заполнен дождевыми каплями, концентрация которых равняется 50011ж3, то для расчета общего числа капель, одновременно участвующих в отражении падающей на них мощности, следует умножить их концентрацию на облученный объем. Для наиболее типичного метеорологического радиолокатора с шириной луча 3° и пространственной длиной импульса 300 м общее число таких капель в облученном объеме будет составлять около 2-10 10,
      Если принять, что мощность, отраженная отдельной каплей, 6* Ш*-20 вт, а число таких капель 2* 1010, то общая мощность, отраженная от дождя, будет 12 1010 вт. Величина такого сигнала намного превышает порог обнаружения радиолокатора, поэтому радиоэхо дождя будет отчетливо видно на индикаторе. Заметим, что в рассматриваемом нами случае мы пренебрегли аффектом ослабления. Такое приближение допустимо, однако, только до тех пор, пока используются радиоволны длиной 10 см и более. В случае применения более коротких волн при расчетах общей отраженной мощности должны быть введены соответствующие поправки на ослабление.
      Водяные частицы диаметром 0,1 см уже можно рассматривать как капли дождя, так как они, прежде чем испариться, в состоянии пройти путь в несколько тысяч метров. Для обнаружения облаков, состоящих из дождевых частиц, могут быть использованы радиолокаторы, работающие в широком диапазоне волн. Частицы размером от 0,01 до 0,001 см являются облачными каплями. Такие капли не могут быть обнаружены с помощью радиолокаторов, работающих на длине волны более 10 см. Для метеорологических наблюдений за облачностью следует использовать радиолокаторы с длиной волны около 1 см.
      В главе 5 рассмотрен вопрос об использовании радиолокатора для измерения интенсивности дождей, а.в связи с этим и задача о рассеянии радиоволн каплями дождя. Однако прежде чем рассматривать этот вопрос, полезно остановиться на особенностях отражения радиоволн от самых больших частиц, присутствующих в облаках. Такими частицами являются градины, поэтому следующая глава посвящена их взаимодействию с радиоволнами.
     
      ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
      РАДИОЛОКАТОР ОБНАРУЖИВАЕТ ГРАД
      Когда было установлено, что радиолокатор способен обнаруживать дожди, метеорологи приняли на вооружение гидрометеорологической службы радиолокационные средства. В то же время продолжались поиски новых путей применения радиолокации. Прежде всего усилия были направлены на то, чтобы разработать метод наблюденйя за градом, как наиболее опасным видбм осадков, приносящих ежегодно огромные убытки людям.
      Читатель, вероятно, представляет себе град — большие сферические ледяные частицы, выпадение которых обычно сопровождается грозовыми явлениями. Во многих частях света град — чрезвычайно редкое явление. Однако в ряде областей град выпадает регулярно. К таким градоносным районам относятся: западная часть Великой Равнины Соединенных Штатов Америки, Канада, Северная Италия, южная часть ФРГ, Кавказ. В этих местах град, достигая необычайной силы, уничтожает зерновые посевы, сбивает фрукты, разрушает строения.
      В отдельных местах отмечались градины диаметром свыше 7 — 8 см. Так, например, .на западе штата Колорадо — наиболее градоносной области — примерно каждый седьмой шторм сопровождается выпадением градин, диаметр которых превышает 2 — 3 см. На рис. 12 показана большая градина, выпавшая в этой области.
      Известно, что град опасен не только для людей и их имущества, но и для (самолетов. Эта опасность возрастает по мере увеличения скорости воздушных кораблей. Так, реактивный самолет, летящий со скоростью 800 км/час, может получить серьезные повреждения, если он встретится с градиной диаметром 5 см. Известен случай, когда в США реактивному бомбардировщику были нанесены сильные повреждения в результате попадания его на высоте 10 000 м в область града, диаметр которого превышал 5 см. Одно время считалось, что на таких больших высотах вероятность града невелика. Однако в настоящее время, когда полеты на этих высотах стали обычным
      Рис. 13. Радиоэхо грозы с гра дом на индикаторе кругового обзора 5,5-сантиметрового самолетного радиолокатора. Масштаб меток дальности 8 км. Стрелкой обозначен «палец» радиоэхо, указывающий на присутствие града.
      явлением, установлено, что град может забрасываться туда сильными восходящими потоками во время гроз.
      Очевидно, что при исследовании гроз с помощью радиолокационных средств весьма желательно различать, содержат ли они град и каковы его размеры. К сожалению, град обычно сопровождается дождем, а поэтому радиоэхо града на индикаторах кругового обзора во многих отношениях напоминает радиоэхо грозового облака, в котором имеются лишь дождевые капли (рис. 13),
      В 1955 г. директор метеорологической службы воздушного флота США Гаррисон с группой исследователей провел работы по анализу особенностей радиоэхо градовых облаков. Они пришли к заключению, что критерием наличия града в облаке является определенная форма и интенсивность его радиоэхо. На основании выполненной работы пилотам были даны практические указания, предписывающие обход подобных областей радиоэхо на расстоянии более 8 км. Имея радиолокатор на борту самолета, пилот мог легко выполнять такое указание. Начиная с 1956 г., когда этот порядок был введен в воздушном флоте США, удается избегать аварий и повреждений самолетов в результате их попадания в градовые облака.
      Несмотря на то что метод обхода самолетом градовых облаков хорошо разработан, в настоящее время исследователи продолжают поиски способов радиолокационного разделения дождевых облаков от градовых, а также способов определения размеров града. В последние годы в этом направлении получены обнадеживающие результаты.
      В 1957 г. Дональдсон провел тщательный анализ интенсивности радиоэхо грозовых облаков, сопровождающихся градом. Он нашел, что в подобных случаях интенсивность радиоэхо много выше, чем следовало бы ожидать даже при выпадении наиболее сильных дождей. Аналогичные исследования вскоре были выполнены и в Англии. Атлас, работающий совместно с Ладламом в исследовательском центре Кембриджа, предположил, что причиной возникновения интенсивного радиоэхо от града является его большая, чем у водяных капель, отражательная способность.
      Любопытно, что это предположение было высказано и проверено много раньше. Действительно, в 1946 г. Райдом в Англии была опубликована статья, в которой он теоретически доказал, что град обладает высокой радиолокационной отражаемостью. К сожалению, полученные им результаты не были обобщены. Поэтому многие исследователи, занимающиеся подобными вопросами, были в недоумении от того, что отражаемость ледяных частиц почти в пять раз меньше, чем водяных.
      В 1959 г. Атлас, Ладлам и др. провели прямое измерение обратного рассеяния градом. Их эксперимент был
      прост по замыслу. Путем замораживания воды в специальных формах были изготовлены ледяные шарики. Шарики подвесили на нейлоновой нити к привязанному аэростату на 50 м ниже его. Аэростат был отнесен примерно на 1,6 км от радиолокатора (рис. 14). Предварительно с помощью холодильных ящиков ледяные сферы доводились до температуры — 40° С. Вследствие такой низкой температуры сферы оставались сухими на высоте в несколько сотен метров в течение достаточно длительного времени, пока велись измерения. Таяние частиц начиналось только тогда, когда внешний слой льда приобретал температуру 0°С. Измерения мощности, отраженной от сухой ледяной сферы и сферы, начавшей таять, позволили выяснить влияние тонкой водяной оболочки на радиолокационную отражаемость.
     
      ТЕОРИЯ МИ
      Изучив результаты предыдущих измерений, автор и Герман провели в Аризонском университете теоретический вычисления величины обратного рассеяния от сухих и обводненных ледяных сфер. Работы выполнялись с помощью электронно-вычислительной машины, которая позволила в короткое время решить сложнейшие уравнения, относящиеся к данному вопросу. В наиболее общем виде теория рассеяния электромагнитных волн на сферических частицах произвольного размера была развита с 1908 г. ученым Ми. С тех пор она применялась к
      широкому кругу задач, в которых рассматривается обратное рассеяние сферами. Эту же теорию использовал и Райд в 1946 г. для исследования отражения от сухих градин. Независимо от Райда экспериментальное и теоретическое изучение отражения от града было выполнено вТехасском университете.
      Сравнение теоретических и экспериментальных результатов показало, что они хорошо согласуются. Таким образом, одиночная крупная градина отражает в радиолокатор в миллионы раз большую мощность, чем отдельная капля дождя. Теперь становится ясным, что очень интенсивные радиоэхо грозовых облаков, наблюденные Дональдсоном, были обусловлены присутствием в них града.
      Кроме того, .исследования показали, что в тех -случаях, когда частицы града покрыты тонким слоем воды, они отражают мощность так же, как если бы они состояли полностью из воды. Наблюдаемые сильные отражения от -крупных градин происходят из-за того, что сухой лед слабо поглощает электромагнитные волны и градина ведет себя подобно линзе. Падающая .на нее мощность фокусируется на противоположной стороне сферы и затем отражается обратно, по направлению к радиолокатору. Когда лед начинает таять, условия отражения резко меняются. Вода поглощает электромагнитную энергию гораздо сильнее,чем лед. В результате, если градина покрыта даже тонкой пленкой воды, толщина которой всего 0,0Г см, значительная часть падающей энергии будет поглощена еще до того, как произойдет фокусирование и рассеяние энергии от выпуклого переднего края сферы. Очевидно, что вследствие значительного поглощения энергии пленкой воды величина обратно рассеянной мощности для обводненной сферы будет меньше, чем для чисто ледяной такого же размера.
      На рис. 15 приведены сравнительные величины мощности, принятой 3-сантиметровым радиолокатором от водяных и ледяных сфер различных размеров. Как было отмечено в главе 2, в случае очень малых частиц величина рассеянной мощности для водяных сфер выше, чем для ледяных. Для больших частиц справедливо обратное положение. Если на ледяной частице образуется тонкий слой воды (толщина около 0,1 мм), то такая частица будет рассеивать так же, как если бы она целиком состояла из воды.
     
      ИНТЕНСИВНОСТЬ РАДИОЭХО
      Теория Ми, а также экспериментальные результаты, полученные для сфер большого размера, наглядно показывают, что, если размеры частиц равны или больше длины волны радиолокатора, простой закон рассеяния, удовлетворяющий уравнению Релея, становится неприменимым. Рассеивающие свойства таких частиц не могут быть описаны простым уравнением с несколькими членами. Математическое выражение для интенсивности рассеяния этими частицами достаточно сложно и графически может быть представлено в виде кривой колебательного характера (рис. 15).
      Таким образом становится очевидным, что в некоторых случаях нельзя судить о наличии града только на основании измерения интенсивности радиоэхо. Предполагать наличие града в облаке можно лишь тогда, когда мощность радиоэхо превосходит значение, которое можно было бы ожидать от дождя максимальной интенсивности.
      Данные о наличии града в грозовом облаке могут быть получены и из другого вида радиолокационной информации. Дональдсон, а затем и Дуглас, работающие в Мак-Джилльском университете, показали, что, чем больше вертикальная протяженность радиоэхо грозового облака, тем выше вероятность образования в нем града. Этот критерий основывается на том, что для образования града в грозовом облаке должны существовать достаточно сильные восходящие потоки. Для того чтобы диаметр градины мог увеличиться до нескольких сантиметров, градина должна удерживаться в верхней части грозового облака в течение ГО — 20 минут. Для этого и необходимы мощные восходящие потоки, способные поддерживать градины в верхней части облака.
      Можно констатировать, что грозовые облака очень большой вертикальной мощности, простирающиеся до стратосферы и создающие очень интенсивное радиоэхо, содержат град. Следует также отметить, что, чем выше интенсивность радиоэхо, тем больше размеры градин.
      Основываясь на результатах теоретических и экспериментальных исследований особенностей обратного рассеяния града, Атлас и Ладлам предложили метод, позволяющий определять размеры градин и их число в единице объема облака. Этот метод предусматривает измерение интенсивности радиоэхо с помощью трех радиолокаторов, работающих на разных длинах волн. Для каждой длины волны снимается кривая, подобная изображенной на рис. 15. Различие между этими кривыми будет состоять лишь в том, что в зависимости от длины волны они будут смещены вправо или влево. Сравнивая измеренные значения отраженной мощности, с помощью трех кривых можно определить наиболее вероятные размеры присутствующих в облаке градин. В настоящее время этот новый метод проходит испытания.
      Все вышесказанное поясняет, каким образом град, обычно замаскированный дождем, может быть обнаружен с помощью радиолокационных средств.
     
      ГЛАВА ПЯТАЯ
      ИЗМЕРЕНИЕ ЖИДКИХ ОСАДКОВ С ПОМОЩЬЮ РАДИОЛОКАТОРА
      Атмосферная вода играет очень важную роль почти во всех сферах человеческой деятельности. Поэтому уже с давних пор люди научились измерять количество выпавших осадков. К счастью, сведения о количестве жидких осадков, выпадающих в определенной точке, получить весьма несложно. В качестве дождемера может быть использовано обыкновенное ведро; поместить его следует на определенном расстоянии от деревьев и строений. В настоящее время большая часть данных о выпавших осадках получена с помощью аналогичных приборов.
      Так, например, стандартный дождемер Бюро погоды США (рис. 16) представляет собой цилиндрический сосуд с заборным отверстием диаметром 200 мм. Попавшая в него дождевая вода сливается в узкий внутренний цилиндр. Количество жидких осадков определяется путем погружения в такой цилиндр измерительной планки. Площадь поперечного сечения узкого цилиндра составляет одну десятую площади заборного отверстия. Поэтому, если погруженная в узкий цилиндр планка показывает, что уровень воды 5 см, нетрудно пересчитать действительное количество осадков: оно равно 0,5 см. Для упрощения и быстроты отсчета измерительная планка обычно градуируется в единицах измерения осадков.
      В других странах применяются дождемеры, работающие на этом же принципе; они различаются лишь деталями, например площадью заборного отверстия.
      Если осадки выпадают в виде снега, количество их измеряется высотой Ри?- 16- Стандарт-* г о Л ныи дождемер Бю-
      столба воды, получаемой после его ро погоды США.
      таяния. Как правило, высота снежного столба в 10 раз больше высоты столба воды, получаемой после таяния снега. Так, например, высоте снежного покрова 25 см соответствует слой воды примерно 2,5 см.
      Рассмотренные нами типы дождемеров дают показания лишь в тех случаях, когда количество собранной ими воды достаточно для производства отсчета с помощью измерительной планки. Другими словами подобные дождемеры пригодны для измерения осадков, выпавших за достаточно длинный промежуток времени. Подобный метод обычно используется, когда измерения проводятся с интервалами в несколько часов. В результате такие измерения не характеризуют интенсивности осадков, т. е. количество дождя, выпадающего в минуту или в час. Для измерения интенсивности осадков в метеорологии применяются специальные дождемеры. В этих приборах, как и
      в обычных дождемерах, тоже имеется отверстие для сбора осадков, однако способ измерения несколько иной. В настоящее время наиболее широко распространены два типа дождемеров, измеряющих интенсивность осадков: 1) дождемер с опрокидывающимся ведром и 2) весовой дождемер.
      В дождемере с опрокидывающимся ведром вода через воронку и узкое отверстие попадает в одно из двух маленьких ведер, подвешенных на концах коромысла. Ведро вмещает количество воды, эквивалентное слою дождя 0,025 см. Ведро закреплено так, что когда оно наполняется водой, то переворачивается и вода выливается. В этот момент дождевая вода начинает заполнять второе ведро. Когда и второе ведро оказывается заполненным, оно также опрокидывается и освобождается от воды, в то время как первое ведро возвращается в исходную позицию. Число опрокидываний ведер регистрируется самописцем. Так как количество дождевой воды, необходимой для заполнения одного ведра, известно, общее количество осадков может быть получено умножением количества воды в ведре на число опрокидываний за определенный интервал времени, например за час.
      Как показывает само название, в весовом дождемере используется принцип измерения выпавших осадков. Осадки, попадающие сквозь верхнее заборное отверстие дождемера, поступают в сосуд, связанный с весами. Движение весов регистрируется на движущейся бумажной ленте. По мере накопления воды или снега в сосуде перо самописца перемещается на бумаге, приводимой в свою очередь в движение часовым механизмом. Зная вес единицы объема воды, нетрудно вычислить и толщину слоя выпавших осадков по общему весу собранной воды, а принимая во внимание скорость перемещения диаграммной бумаги, — и интенсивность осадков.
      В тех случаях, когда интерес представляет лишь общее количество осадков, приходящееся на данную площадь, все три способа измерения дают удовлетворительные результаты. Однако следует заметить, что данные, которые будут получены с помощью таких дождемеров, приложимы к очень малой площади. Точнее, эта информация достоверна лишь для площади, равной поверхности верхнего заборного отверстия дождемера. Зимой интенсивность осадков часто мало меняется на небольших расстояниях, поэтому измерения в одной точке могут характеризовать интенсивность выпадающих осадков в радиусе нескольких километров вокруг дождемера. Однако для летних осадков типа ливней и гроз колебания интенсивности дождя даже в очень малых расстояниях могут быть весьма значительными. Например, диаметр зоны ливней может быть равен всего 2 — 3 км с очень резкими границами между областями выпадающих осадков. Зачастую при ливнях в одной части города идет сильный дождь, а в другой осадки совсем отсутствуют. В этом случае одиночный дождемер, находящийся, например, в центре города, будет характеризовать очень малую площадь, охваченную осадками. Практически невозможно создать сеть дождемеров, расположенных через 1 — 2 км по всей территории. Поэтому до настоящего времени метеорологи были вынуждены удовлетворяться недостаточно эффективным методом измерения осадков. Однако радиолокация сделала возможным произвести коренные изменения в этой области.
     
      РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ОСАДКОВ
      В главе 3 было показано, что мощность, отраженная от облака, содержащего водяные капли, зависит от размеров этих капель. Если параметры радиолокатора точно известны, для определенной мощности можно записать следующее уравнение: ...
      В уравнении (1) Р — средняя мощность, рассеянная обратно областью дождевых капель со средним диаметром D, расположенной на расстоянии г от радиолокатора. Чтобы получить значение среднего диаметра капли Д необходимо подсчитать величину Ц6 для всех размеров капель, просуммировать их, разделить на общее число капель и, наконец, извлечь корень шестой степени. Коэффициент Л в уравнении (1) — постоянный множитель, главным образом зависящий от параметров радиолокатора, а N — число капель дождя, приходящееся на единицу объема. Уравнение (1) применимо до тех пор, пока длина волны радиолокатора много больше диаметра дождевых частиц. При использовании 10-сантиметрового радиолокатора это уравнение применимо ко всем дождям, так как обычно дождевые капли редко имеют диаметр более 0,8 см.
      Можно показать, что существует корреляционная связь между произведением ND6 и интенсивностью дождя 1. В этом случае уравнение (1) может быть представлено в виде зависимости Р от 1. Если бы все капли имели одинаковые размеры, такое преобразование можно было бы выполнить весьма легко. К сожалению, это почти никогда не имеет места. Известно, что крупных капель в дожде всегда много меньше, чем мелких. На рис. 17 показано, каким образом меняется число капель в зависимости от их .размеров для одного .из типичных дождей. Многочисленными измерениями было показано, что спектр распределения капель по размерам меняется от дождя к дождю и что эти изменения особенно велики при переходе от одного типа дождя к другому. Так, например, дожди, выпадающие в горах тропических островов, значительно отличаются своей микроструктурой от грозовых дождей на континентах. Значительные вариации в спектрах размеров капель различных дождей затрудняют нахождение корреляционной связи между Р и 1. Однако такая связь все же существует.
      Измерения диаметров капель дождя и интенсивности осадков были выполнены многочисленными исследователями в различных частях света. Статистический анализ этих данных позволил найти различные корреляционные соотношения между D и 1. В результате исследований было показано, что для большинства дождей, кроме некоторых типов тропических ливней и мороси, удовлетворительные результаты получаются, если применить следующее уравнение:
      ND6 = 200116. (2)
      Если теперь подставить уравнение (2) в уравнение (1), то получим, что
      где С — постоянная, равная 200 Л.
      Уравнение (2) позволяет вычислять интенсивность дождя J, если известно его удаление г и величина отраженной от него мощности Р. Оба эти параметра можно получить из радиолокационных измерений. Подобное уравнение может быть выведено и для снега.
      Уравнение (3) было тщательно исследовано путем непосредственного измерения осадков, выпадающих над заданной площадкой, находящейся на известном расстоянии, и синхронного радиолокационного измерения мощности, рассеянной объемом, заполненным каплями и расположенным непосредственно над той же площадкой. Если луч радиолокатора направлен слишком высоко, показания радиолокатора могут не дать истинной интенсивности осадков, так как дождевые капли в процессе их падения на землю меняют свои размеры как за счет слияния при столкновении с другими каплями, так и за счет разбрызгивания.
      Остин с группой сотрудников в Массачусетсском технологическом институте выполнила весьма интересную работу по сравнению радиолокационных и дождемерных измерений осадков. При выполнении этой работы были приняты меры к уменьшению возможных ошибок измерений. С этой целью использовались специальные дождемеры и весьма чувствительные приборы для измерения мощности отраженных сигналов.
      Величина Р в уравнении (3) характеризует среднее значение мощности сигнала, отраженного от капель над дождемером. В то же время дождевые капли находятся в постоянном движении под действием сил гравитации и турбулентного перемешивания. В результате величина Р быстро меняется во времени. На индикаторе типа А радиоэхо дождя похоже на травку, которая колеблется
      вверх и вниз. Наблюдая за индикатором, можно отметить уровень, около которого происходит колебание сигналов, и таким образом установить точное значение средней мощности отраженного сигнала.
      Наилучший путь измерения Р состоит в использовании специального устройства, получившего название «интегратор импульсов». Это устройство суммирует напряжение сигналов от большого числа импульсов и вычисляет их среднее значение. Зная среднее напряжение, можно получить Р, так как средняя мощность приблизительно равна квадрату среднего напряжения сигнала. Этим методом, например, пользовалась Остин в своих исследованиях.
      Измерения, проведенные в Массачусетсском технологическом институте и других исследовательских центрах, показали, что тщательно откалиброванный радиолокатор, работающий на длине волны, для которой ослабление незначительно, дает несколько заниженные значения интенсивности осадков по сравнению с дождемерными измерениями. К сожалению, до сих пор еще не найдено удовлетворительного объяснения этому явлению. Однако, так как это расхождение всегда лишь в одну сторону, его можно учесть умножением правой части уравнения (3) на соответствующий поправочный множитель. Для 10-сантиметрового радиолокатора такой множитель равен 0,2. При введении поправки интенсивность осадков может быть измерена радиолокационным способом с удовлетворительной точностью.
     
      ИЗМЕРЕНИЯ ОСАДКОВ НА МАЛОЙ ПЛОЩАДИ
      Гидрологов, изучающих течение рек, обычно не интересует интенсивность осадков в одной точке. Напротив, они хотят знать, какое количество дождя выпало над водной поверхностью за прошедший час или несколько часов. Имея такие сведения, можно вычислить скорость, с которой вода будет стекать в ручьи и реки. Таким образом можно предсказать уровень воды в различных каналах, а также прогнозировать паводки и наводнения. Зная количество осадков, выпадающих в данной местности в определенное время года, гидротехники могут предотвращать наводнения, отводя воду с помощью плотин и дамб, для того чтобы следующие порции выпавшей
      воды могли быть запасены в водоемах и далее реализованы.
      В районе большинства водоемов имеется сеть плювиографов, расположенных на расстоянии в несколько десятков километров друг от друга. Их данные используются для нанесения на карты изогиет — линий равной интенсивности дождей. Для того чтобы правильно провести изогиеты. необходимо иметь достаточное количество данных наблюдений. Так, например, на карте, приведенной на рис. 18, положение изогиеты 1,25 см недостаточно определенно. Действительно, на одной станции толщина слоя выпавших осадков равна 2,5 см, а на другой, удаленной от нее на 20 км, осадки совсем не выпадали. Можно только предполагать, что в этом случае изогиета 1,25 см проходит между этими двумя станциями. Такая неопределенность особенно затрудняет построение изогиет для ливневых осадков во время гроз. Возможность ошибок в этом случае очень велика. В тех случаях, когда дождь более или менее однороден на большой территории, построение изогиет облегчается вследствие меньших изменений дождя на малых расстояниях. Опытный исследователь, много лет имеющий дело с осадками и хорошо знакомый с характеристиками различных облачных систем, из которых они выпадают, обычно может выполнить весьма точный анализ положения зон осадков. Однако в тех случаях, когда изолированное грозовое облако дает интенсивные осадки, даже очень опытные специалисты могут допустить при построении изогиет серьезные ошибки.
      Как только гидролог, прогнозирующий паводки, построил карту изогиет, он может оценить и общее количество осадков. Для этого необходимо умножить площадь, заключенную между двумя соседними изогиетами, на соответствующую им среднюю интенсивность осадков. Например, если площадь заштрихованной на рис. Г8 зоны составляет 22 кв. км, то общее количество выпавших на нее осадков может быть получено путем умножения 22 кв. км на среднюю интенсивность осадков, равную 1,8 см. Общее количество осадков составит в данном случае около 400 000 т воды. Производя подобные вычисления для каждой зоны, заключенной между изогиетами, и суммируя далее полученные результаты, можно найти общее количество воды, выпавшее на всю площадь, охваченную дождем. Очевидно, что если изо-гиеты проведены неправильно, то и общее количество воды, вычисленное таким способом, окажется ошибочным.
      Радиолокатор может дать общую картину распределения осадков, а также некоторые дополнительные сведения, в значительной мере облегчающие построение изогиет. Данные о площадном распределении осадков могут быть использованы наряду с обычными дождемерными наблюдениями. Однако радиолокация может применяться и как самостоятельное средство для определения общего количества осадков на малых площадях.
      В 1948 г. Байерс показал, что радиолокатор может давать сведения об общем количестве осадков на малой площади в том случае, если он соответствующим образом откалиброван. Метод Байерса сводится к измерению площади радиоэхо через пятиминутные интервалы, определению среднего значения этих площадей и затем умножению его на общую продолжительность осадков. Полученная таким образом величина сравнивалась графическим путем с истинным количеством осадков, выпавших на заданной площади. Истинное количество осадков было получено с помощью густой сети плювиографов, расположенных на расстоянии 1 км друг от друга. Такой метод
      Пбзйолил построить «калибровочную кривую», графически выражающую зависимость общего количества осадков от площади радиоэхо. Если подобная кривая получена, в дальнейшем можно определять общее количество осадков путем измерения площади радиоэхо. Подобный метод носит чисто статистический характер. Интенсивность радиоэхо при этом не принимается во внимание.
      Более точный способ измерения осадков был предложен Рокнеем. Этот способ был детально разработан Хай-зером и сотрудниками Майамского университета, которые осредняли площадь радиоэхо фотографическим методом, учитывая одновременно и его интенсивность. После того как радиолокатор был тщательно откалиброван, производилось фотографирование экрана индикатора кругового обзора с очень длительными экспозициями. Например, при определении количества осадков, выпавших на данной площади за период с 12 до 15 часов, продолжительность экспозиции равнялась этому периоду. Для радиолокатора, антенна которого вращается со скоростью 10 оборотов в минуту, за время экспозиции на пленку будет наложено Г8 000 отдельных изображений. Вследствие движения радиоэхо по экрану его изображение на фотографии будет размазанным. Плотность почернения в любой точке пленки будет зависеть от двух факторов: 1) интенсивности радиоэхо и 2) длительности его существования. Для использования этого метода необходимо иметь специальную пленку и тщательным образом ее обработать.
      После того как получена негативная пленка, степень ее почернения измеряется с помощью специального устройства, носящего название «фотоденситометр». Этот прибор определяет плотность почернения пленки по количеству света, проходящего сквозь нее. Если измерить плотность почернения пленки в тех местах, где расположены дождемеры, то, зная расстояние от них до радиолокатора, можно построить семейство кривых интенсивности осадков. На рис. 19 показаны графические результаты подобного рода градуировки. По горизонтальной оси отложена плотность почернения пленки в условных единицах, по вертикальной — расстояние. В каждой точке графика, соответствующей положению дождемера, отложено количество выпавших осадков, измеренное за
      определенный период, например от 12 до 15 часов. В тех случаях, когда на данной площади имеется достаточное количество дождемеров, можно провести линии равного количества осадков. Каждая линия характеризует комбинацию расстояния и плотности почернения пленки, соответствующую данному количеству осадков. Такая диаграмма представляет собой калибровочную карту для радиолокатора и пленки. Получив один раз подобную диаграмму, можно в дальнейшем по степени потемнения пленки определять количество осадков и в тех точках, где не было дождемеров. Для этого необходимо знать расстояние до интересующего нас места, измерить плотность почернения пленки и найти на диаграмме точку пересечения соответствующих горизонтальной и вертикальной линий. Этот способ можно использовать и для вычисления количества осадков во многих точках, что позволит построить более точную карту изогиет общего количества осадков, а затем рассчитать по ней общее количество осадков, выпавших над водоемом.
      Для измерения количества жидких осадков на заданной площади было разработано несколько электронных схем. Так, доктор Остин предложила метод измерения осадков в одной точке, основанный на применении интегратора импульсов для измерения средней мощности, отраженной от осадков над площадью около 30 кв. км. Для перевода отсчетов мощности в величины средней интенсивности осадков было использовано уравнение, подобное (3). Повторив серию подобных наблюдений, можно получить удовлетворительные сведения об общем количестве выпавших осадков.
      В одном из специальных ведомств штата Иллинойс была разработана электронная аппаратура для автоматического измерения площадей радиоэхо. При фиксированной чувствительности радиолокационного приемника край радиоэхо соответствует определенной величине отраженной мощности. Это значение мощности может быть сопоставлено с величиной интенсивности осадков, которая вычисляется из уравнения (3). Изменяя ступенями чувствительность радиолокационного приемника, можно получить данные о распределении интенсивности осадков по площади. Работа электронной схемы рассчитана таким образом, что для получения среднего количества осадков над всем водоемом следует лишь умножить полученные данные на соответствующую константу. Пре-имущества электронных схем, употребляющихся для измерения общего количества осадков, имеют принципиальный характер. С одной стороны, применение подобных схем для получения количества осадков исключает какую-либо ручную обработку данных. С другой стороны, этот метод более сложен, дорогостоящ и не всегда достаточно надежен в эксплуатации. Фотографический метод длинных экспозиций значительно проще, чем электронный, и более надежен в работе.
      Необходимо отметить, что все описанные методы требуют, чтобы луч радиолокатора сканировал как можно ближе к земле. Это обстоятельство чрезвычайно затрудняет использование радиолокации для измерений осадков в горных районах. Радиолокационные методы измерения осадков более перспективны на равнинной или слегка холмистой местности.
      В настоящее время применение радиолокационной техники для измерения жидких осадков задерживается в значительной мере уровнем развития самих радиолокационных средств. До последнего времени радиолокационные данные использовались лишь в качестве дополнительной информации, облегчающей построение карт изогиет. Более совершенные методы, к сожалению, еще мало используются на практике. Однако начиная с 1951 г. наблюдается сильный сдвиг в направлении более полного и эффективного использования средств радиолокации для измерения осадков. Можно ожидать, что в ближайшем будущем радиолокатор станет важнейшим средством наблюдений и измерений осадков.
     
      ГЛАВА ШЕСТАЯ
      ОБРАЗОВАНИЕ ДОЖДЯ И СНЕГА
      Обычно под естественными природными богатствами понимают лишь минералы, добываемые из недр Земли. Однако в последние годы ученые стали уделять много внимания «богатствам атмосферы», а именно дождю и снегу. Все чаще из разных частей света приходят сообщения о нехватке воды. Это явление особенно характерно для засушливых и полузасушливых районов. К сожалению, оно не ограничивается только этими местами. В связи с увеличением населения Земли в сельском хозяйстве более широко применяется ирригация, растет, распространяясь по всему земному шару, промышленность. А это с каждым годом увеличивает потребность в пресной воде. В ряде областей недостаток дешевой воды является важнейшим фактором, ограничивающим рост экономики.
      В настоящее время имеется всего два основных источника пресной воды: 1) накопленная вода в озерах и подземных слоях, 2) вода в атмосфере в виде дождя и снега.
      В последнее время были предприняты большие усилия по разработке средств опреснения воды в океанах. Однако вода, получаемая подобным путем, еще слишком дорога, чтобы ее можно было использовать для агротехнических и промышленных целей.
      Воды озер имеют большое значение для близрасполо-женных населенных пунктов. Но если озера удалены от населенных пунктов на несколько сотен километров, значение их почти полностью утрачивается, так как прокладка труб, установка и эксплуатация насосов слишком удорожают стоимость доставляемой воды. Вероятно, может показаться удивительным тот факт, что в периоды продолжительной жаркой погоды с малым количеством осадков некоторые пригороды Чикаго испытывают серьезную нехватку воды, несмотря на то что они находятся менее чем в 80 км от одного из величайших хранилищ пресной воды — озера Мичиган.
      В некоторых районах, например в южной части штата Аризона, большая доля воды, используемой для ирригации и городского хозяйства, добывается из подземных
      водоносных слоев. К сожалению, водоносные слои пополняются просачивающейся дождевой водой весьма незначительно. Та вода, которая добывается в настоящее время из-под земли, весьма древнего происхождения: она осталась там еще со времен обледенения. Количество такой воды, называемой реликтовой, ограничено. Естественно, что при интенсивной добыче воды с помощью насосов уровень ее все время понижается. Несомненно, что общее количество подземной воды достаточно велико. Однако с чем больших глубин добывается вода, тем она дороже. Поэтому для некоторых районов должны изыскиваться другие, более рентабельные источники пресной воды.
      Одним из таких источников является атмосфера. Благодаря испарению с морей и океанов в атмосфере существует большое количество влаги. Как часто говорят, атмосфера представляет собой океан с низкой плотностью воды. Если взять столб воздуха, простирающийся от поверхности земли до высоты 10 км, и сконденсировать весь водяной пар, содержащийся в нем, то толщина слоя полученной воды будет лежать в диапазоне от нескольких десятых долей сантиметра до 5 см. Наименьший слой воды дает холодный и сухой воздух, наибольший — теплый и влажный. Например, в южной части штата Аризона в июле и августе толщина слоя воды, содержащейся в столбе атмосферы, составляет в среднем более 2,5 см. На первый взгляд это количество воды кажется небольшим. Однако если учесть общую площадь, занимаемую штатом Аризона, то получится весьма внушительная цифра. Следует также заметить, что запасы этой воды практически неисчерпаемы, так как во время ветров воздух штата Аризона постоянно насыщен влагой.
      Естественно возникает жизненно важный вопрос: какое же количество водяного пара может выпасть в виде дождя или снега в данной местности? Метеорологи формулируют этот вопрос несколько иначе. Они спрашивают, насколько эффективны в этом районе процессы образования дождя. Другими словами, какая часть воды (в процентах), находящейся над данной поверхностью в виде пара, действительно достигнет земли? Эффективность процессов образования дождя различна в разных частях земного шара.
      В холодных и влажных районах, как, например, на полуострове Аляска, эффективность близка к 100%. С другой стороны, для таких засушливых районов, как штат Аризона, эффективность в течение сезона летних дождей составляет всего около 5%. Если бы удалось увеличить эффективность даже на очень малую величину, .скажем, до 6%, выпадение дождей возросло бы на 20%. К сожалению, пока мы еще не знаем, как этого достичь. Данная задача — проблема преобразования природы, которую ученые всего мира пытаются решить в течение многих лет. Попытки активных воздействий с целью стимулирования процессов образования дождя начались еще в 1946 г., когда Ленгмюр и Шефер показали, что возможно искусственно вызывать осадки из определенных типов облаков, засевая их ядрами сухого льда. С тех пор в методах воздействия па облака достигнут определенный прогресс. Однако еще нет достаточных оснований считать, что количество осадков из какой-либо системы облаков может быть искусственно увеличено.
      Основная причина, по которой метеорологи в настоящее время еще не могут изменять погоду, заключается в недостаточном знании процессов образования осадков. К сожалению, мы еще не всегда знаем природу образования дождя в различных случаях.
     
      ЛЕТНИЕ ЛИВНИ И ГРОЗЫ
      Еще не так давно метеорологи считали, что все осадки образуются в виде твердых частиц. Попадая в теплый воздух вблизи поверхности земли, ледяные кристаллы или снежинки тают и превращаются в капли дождя. Такое представление основывалось на фундаментальной работе.Бержерона, опубликованной им в начале 30-х годов. В настоящий момент мы уверены в том, что процесс образования осадков, описанный Бержероном, действительно имеет место в большинстве случаев, но не является единственно возможным.
      Однако возможен и иной процесс, известный под названием коагуляции. При этом процессе дождевые капли растут за счет их столкновения и слияния с более мелкими облачными частицами. Для образования дождя за счет коагуляции наличие ледяных кристаллов уже необязательно. Напротив, в этом случае должны существовать крупные частицы, которые падают быстрее, чем остальные, и производят много соударений.
      Радиолокация сыграла важную роль в подтверждении того обстоятельства, что процесс коагуляции в облаках конвективного развития протекает весьма эффективно. Конвективные облака, напоминающие цветную капусту, иногда перерастают в грозовые. С помощью радиолокаторов с вертикально сканирующими антеннами можно наблюдать процесс развития таких облаков и отметить, на каких высотах появляются первые частицы осадков.
      Исследование роста области крупных частиц вверх и вниз может быть выполнено только при непрерывном наблюдении за одним и тем же облаком. Таким методом были получены серии наблюдений, одна из которых показана на рис. 20. Серия состоит из 11 различных радиолокационных наблюдений, иллюстрированных фотограммами с интервалами от 10 до 80 секунд.
      Как видно из приведенной на рис. 20 серии наблюдений, первичное радиоэхо простиралось до высоты около 3000 м, где температура была 10° С. Далее радиоэхо быстро развивалось как вверх, так и вниз. Однако даже тогда, когда оно достигло максимальных размеров, вершина его не превышала 6000 ж, где температура составляла около 0°С. Очевидно, нет оснований считать, что
      дождь в этом облаке мог образоваться из ледяных кристаллов, так как зона осадков возникла в области положительных температур.
      Большое количество подобных радиолокационных наблюдений было произведено в разных районах США, Австралии и Англии. Такие наблюдения позволяют считать, что в образовании ливневых осадков -процесс коагуляции играет главную роль. Возникает вопрос, почему этот важный факт не был установлен до применения радиолокации. Одна из главных причин, объясняющих это обстоятельство, состоит в том, что невозможно определить, где и когда возникают в облаке первые частицы осадков. Следует заметить, что при выпадении дождя вершина облака может простираться до высоты в несколько тысяч метров, достигая области с температурами — 15° С и ниже, где существует множество ледяных кристаллов. Это обстоятельство и приводило ранее к ошибочному заключению, что ледяные кристаллы являются источниками осадков.
      В настоящее время мы, к сожалению, еще не знаем относительной роли обоих механизмов образования дождя. Более детальное изучение этого вопроса поможет метеорологам успешнее развивать методы искусственного воздействия на облака.
     
      НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКОВ
      Радиолокационные наблюдения позволили более детально исследовать конвективные облака. Применяя различные типы радиолокаторов, исследователи обнаружили, что в ряде случаев отдельные «башни» радиоэхо развиваются до очень больших высот. Так, например, в некоторых случаях облака, имеющие диаметр 2 — 3 км, простираются до 12 — 13 км.
      Мощные грозы обычно развиваются ступенчато. Вначале одна из башен радиоэхо растет, достигая высоты около 8000 м, затем снижается. Спустя несколько минут рядом с этой башней начинает вытягиваться вверх другая, которая достигает большей высоты — примерно 12 км. Ступенчатый рост радиоэхо продолжается до тех пор, пока грозовое облако не достигнет стратосферы.
      Таким образом, каждая башенка радиоэхо может рассматриваться как отдельный кирпич в общем здании или как единичная ячейка всей системы — грозового облака. Существование таких ячеек в грозовом облаке было постулировано в свое время Байерсом и Брехемом на основании результатов анализа большого количества метеорологических наблюдений, проведенных за различными характеристиками гроз. Байерс и Брехем предположили, что грозовое облако состоит из одной или более таких ячеек, цикл жизни которых весьма непродолжителен. В то же время группа английских исследователей во главе со Скорером и Ладламом выдвинула свою теорию образования грозы. Они считали, что в каждом грозовом облаке есть большие пузыри воздуха, поднимающиеся от земли в верхние слои. Несмотря на различия в теориях образования грозы, обе эти теории все же предполагают, что развитие грозового облака происходит ступенчато.
      Исследования показали, что средние скорости роста башен радиоэхо в конвективных облаках составляют от 5 до 10 м/сек, а в некоторых типах грозовых облаков они могут быть и в два-три раза больше. Ясно, что в этом случае самолеты, попадающие в такие облака, испытывают значительную болтанку и перегрузки под действием сильных восходящих потоков и интенсивной турбулентности.
      Каждому, кто пережидал грозу, известно, что она может длиться час или более. В то же время жизнь отдельной башенки или ячейки весьма коротка: как показывают радиолокационные наблюдения, примерно 23 минуты. Очевидно, что в большом грозовом облаке может быть множество ячеек, развивающихся последовательно одна за другой. В этом случае от момента появления дождя до его окончания может пройти значительно больше времени, чем 23 минуты. В течение грозы, которая может продолжаться и несколько часов, интенсивность дождя не остается постоянной. Напротив, она то достигает максимума, то уменьшается почти до полного исчезновения дождя. Каждое такое увеличение интенсивности дождя соответствует развитию очередной ячейки или башении. Нетрудно убедиться в вышесказанном самому, если проследить с часами в руках за чередованием максимумов и минимумов интенсивности ливневого дождя.
      В теплое время года значительная часть осадков выпадает из ливневых и грозовых облаков. Отдельные облака, простирающиеся до больших высот, дают осадки в виде локальных ливней. В образовании осадков из таких облажов важную роль играет процесс коагуляции. Как правило, отдельные облака имеют малые площади поперечного сечения, в них развиваются мощные восходящие и нисходящие потоки, а продолжительность их существования не более часа.
      Большинство осадков, выпадающих в. холодное время года, дают облака другого вида. Вместо локальных облаков в зимнее время появляются распространяющиеся по огромной площади облачные системы, существующие уже не часы, а дни. Такие облачные системы образуются вследствие очень медленного вертикального перемещения воздуха (со скоростью менее 1 м/сек, в ряде случаев даже 10 см/сек.).
      Облака, из которых выпадает большая часть осадков, называются слоисто-дождевыми. Их форма обусловлена медленными, но продолжительными восходящими движениями воздуха в циклонах, возникающих в средних широтах и перемещающихся с западными течениями. Дожди из таких облачных систем обычно называют обложными дождями. Они более однородны по своей структуре, чем дожди из конвективных облаков. Тем не менее при наблюдении за такими системами с помощью радиолокаторов внутри областей, где следовало было ожидать равномерного распределения осадков, обнаруживаются участки более высокой интенсивности осадков. Такие участки наблюдаются там, где скорости восходящих потоков заметно превышают средние значения.
      На рис. 21 приведена фотограмма типичной радиолокационной картины зимних осадков. Фотограмма получена в Мак-Джилльском университете (Канада) с помощью радиолокатора с неподвижной вертикальной антенной. Такой метод наблюдений давал разрез всей облачной системы, которая проходила над станцией. Приведенная фотограмма получалась путем экспонирования пленки, медленно двигавшейся перед экраном индикатора кругового обзора, на котором была видна одна
      только вертикальная линия развертки с изменяющейся по высоте яркостью в тех местах, где отмечалось радиоэхо. Таким образом, результирующая картина радиоэхо на фотограмме может рассматриваться как сумма мгновенных картин, состоящая из множества близко расположенных вертикальных линий.
      На фотограмме можно заметить, что на высоте более 2500 м наблюдаются наклонные стримеры, переходящие в вертикальные и правильно расположенные яркие ячейки. Группа исследователей из Мак-Джилльского университета, возглавлявшаяся Маршаллом, предположила, что яркие ячейки представляют собой области, в которых образуются кристаллы льда, а наклонные стримеры — полосы падения осадков.
      Если скорость ветра с высотой не меняется, то и скорость падения частиц осадков тоже постоянна. В этом случае нетрудно вывести простое соотношение, описывающее траекторию падения частиц. Для расчетов скоростей выпадения частиц Маршалл использовал метод наблюдений с регистрацией картины радиоэхо на медленно движущуюся пленку. Проанализировав один из наиболее четко зафиксированных случаев и определив, что средняя скорость падения частиц составляла около 1,3 м/сек, Маршалл предположил, что частицы представляют собой конгломераты ледяных кристаллов.
      При исследовании яркой линии радиоэхо (на фотограмме это полоса на высоте около 2000 м) становится очевидным, что зародившиеся частицы осадков, по крайней мере в большей своей части, являются твердыми. Яркая полоса возникает несколько ниже уровня таяния, вблизи изотермы 0°С. Явление яркой полосы радиоэхо на фотограммах зимних осадков отмечалось многими исследователями и было детально изучено в последнее время.
      Первым, кто дал удовлетворительное объяснение этому явлению, был Райд. Его гипотеза, разработанная в 1946 г., до сих пор считается правильной; позднее в нее другими исследователями были внесены некоторые уточнения.
      Райд первым показал, что в том случае, когда размеры отражающих частиц много меньше длины волны, их отражательная способность в жидком состоянии примерно в пять раз выше, чем в твердом. Резкое возрастание интенсивности радиоэхо ниже уровня нулевой изотермы происходит вследствие быстрого таяния падающих твердых частиц. Растаяв, частицы быстро превращаются в сферические водяные капли, которые падают быстрее, чем снежинки. Увеличение скорости падения частиц ниже изотермы 0°С и связанное с ним уменьшение их числа в единице объема воздуха, а следовательно, и внутри объема, освещенного лучом радиолокатора, приводят к уменьшению интенсивности радиоэхо ниже слоя таяния. На рис. 21 видно, что полосы радиоэхо, расположенные ниже яркой линии, идут несколько круче, чем полосы радиоэхо, расположенные над ней. Большая крутизна полос падения в области ниже уровня таяния свидетельствует о том, что здесь частицы падают быстрее.
      На основе анализа подобных наблюдений можно сделать вывод, что дожди, выпадающие из некоторых форм зимних облаков, возникают при очень низких температурах. Даже в совершенно изолированных облаках образуются ледяные кристаллы, которые могут расти и увеличиваться в размерах до тех пор, пока не будут выпадать. При столкновении кристаллы объединяются в снежинки, которые движутся то траектории, определяемой их скоростями падения и ветром. Проникая в нижние слои, снежинки могут попасть в облака, состоящие
      из маленьких переохлажденных капель, и продолжать свой рост за счет столкновения с ними. Сами по себе такие облака не могут быть обнаружены большинством современных радиолокаторов из-за малого размера капель. Как только твердые частицы проходят уровень нулевой изотермы, они быстро тают и увеличивают скорость своего падения. При попадании таких частиц в облака нижнего яруса они продолжают свой рост за счет столкновений и слияний с облачными каплями. Если температура у поверхности земли ниже 0°С, частицы осадков так и останутся в форме снежинок.
      Однако не у всех широко распространенных систем облаков наблюдаются ясно выраженные стримеры выше уровня замерзания, подобные приведенным на рис. 22. В ряде случаев облака создают только отчетливые и
      яркие полосы радиоэхо, выше которых отсутствуют заметные отражения. Такая картина, вероятно, возникает из-за того, что кристаллы льда, находящиеся выше яркой полосы, слишком малы, чтобы создать обнаруживаемое радиоэхо. При попадании таких кристаллов в область таяния увеличение их отражаемости происходит как за счет изменения фазового состояния, так и за счет дальнейшего роста их размеров благодаря слиянию с более мелкими каплями.
      Радиолокационные наблюдения привели к ряду важных-выводов. Было твердо установлено, что дождь, выпадающий из большинства облаков зимних форм и достигающий поверхности земли, образуется на больших высотах в форме кристаллов льда. С другой стороны, выпадение дождя из конвективных облаков зачастую происходит и при отсутствии ледяных кристаллов.
      Когда исследователям удастся установить роль твердой фазы и процесса коагуляции в образовании осадков из данного типа облаков, появится реальная возможность активно воздействовать на них с целью искусственного вызывания осадков. Нет сомнения в том, что рано или поздно человек научится управлять облаками. Метеорологи всего мира объединяют свои усилия, чтобы ускорить решение этой задачи. Научившись управлять процессом осадкообразования, они смогут внести свой вклад в разрешение проблемы мировых водных ресурсов. Можно надеяться, что, когда появится возможность искусственного регулирования осадков, будут найдены средства более эффективного их использования.
     
      ГЛАВА СЕДЬМАЯ
      ГРОЗЫ, ТОРНАДО И УРАГАНЫ
      Ежегодно атмосферные явления являются причиной многих человеческих жертв и огромного материального ущерба. К таким явлениям относятся интенсивные дожди, выпадающие в течение продолжительного времени, засухи, метели, резкие похолодания. Однако гораздо более гибельными и разрушительными являются грозы, ураганы и торнадо.
      Грозы могут вызывать внезапные наводнения. Они часто сопровождаются градом, который губит урожай. Грозы напоминают гигантские генераторы, выделяющие огромное количество электрических зарядов. Когда разность потенциалов между облаком и землей достигает определенной величины, происходит разряд — вспыхивает молния. Наконец, грозы зачастую сопровождаются сильным ветром, производящим большие разрушения.
      Торнадо почти всегда связано с грозами, однако оно возникает гораздо реже их. Торнадо — это большое стихийное бедствие, приносящее смерть и разрушения. Оно представляет собой узкий столб воздуха, скорость которого может превышать 500 км/час; торнадо может разрушать строения, поднимать вверх тяжелые предметы.
      Вращающийся столб воздуха, напоминающий воронку, обычно существует всего несколько минут. Диаметр воронки не более 30 м. Известно, что давление в центре такой воронки резко понижается. В некоторых случаях оно может быть на 10% ниже давления на ее наружной части. Когда торнадо проходит над зданием, давление вокруг быстро падает, в то время как давление внутри воронки -практически не меняется. Эта разность давлений вызывает силы, подобные силам взрывной волны, которые могут сорвать крышу здания пли разрушить его стены. Давление на стены может превышать 1200 кг/м2. Если такие силы прикладываются к стене высотой 2,5 м и длиной 3 л, то общая сила давления будет составлять около 8500 кг, чего вполне достаточно для сильного толчка. Сильный ветер подхватывает части разрушенного здания и несет их по воздуху. Поэтому из всех метеорологических явлений торнадо самое жестокое.
      Ураганы — тропические циклоны — также ежегодно производят огромные разрушения, а иногда приводят и к человеческим жертвам. В отличие от торнадо, которое существует лишь короткий промежуток времени, тропические циклоны наблюдаются в течение многих часов. Ветер при этом не достигает такой ужасающей силы, как при торнадо, однако зачастую скорость ветра доходит до 150 — 200 км/час. Такие сильные ветры могут охватывать большие области — до 80 км в диаметре. Еще большие области охватывают ветры скоростью 100 — 110 км/час. Приближающиеся к берегам ураганы образуют чудовищные волны, которые заливают низменное побережье. Статистика показывает, что в основном человеческие жертвы при ураганах вызваны наводнениями.
      В течение многих десятилетий метеорологи изучают сильные штормы. Одной из главных причин сравнительно небольших успехов в изучении штормовых явлений, а следовательно, и развитии методов их прогнозирования являлось отсутствие необходимых наблюдений, особенно в случае возникновения торнадо и ураганов. Для того чтобы изучить эти явления, необходимо наблюдать одновременно за большими площадями. Торнадо имеет малую протяженность, жизнь его очень коротка, поэтому чрезвычайно трудно точно предсказать место его образования. Существующие методы позволяют прогнозировать с достаточной точностью лишь возможность образования торнадо на площади с диаметром около 150 км. Поэтому для детального изучения торнадо необходимо проследить за его движением по всей площади. Несмотря на то что ураганы охватывают значительные площади и существуют продолжительное время, для изучения их также необходимы учащенные наблюдения за большими территориями.
      В настоящее время для проведения исследований, направленных на раскрытие тайн образования торнадо, ураганов и гроз, широко используются самолетные и радиозондовые методы метеорологических наблюдений. Важнейшую роль в этих исследованиях играют радиолокационные наблюдения, позволяющие получить детальную картину распределения ливней и их интенсивности на территории, охваченной сильным штормом. Эти сведения являются весьма ценными, так как характеризуют тип шторма. За последние годы радиолокационные наблюдения сыграли огромную роль в проблеме всестороннего изучения штормовых явлений.
     
      ГРОЗЫ
      При рассмотрении вопроса об осадках, выпадающих из конвективных облаков, уже отмечалось, что грозы развиваются ступенчатым путем до тех пор, пока они не проникают высоко в атмосферу. Радиолокационные наблюдения показали, что весьма часто грозовые облака достигают высоты 12 000 м. Отмечались отдельные случаи, когда вершины грозовых облаков простирались идо высоты 20 000 ж.
      Следует заметить, что область радиоэхо обычно соответствует той части облака, которая содержит наибольшее количество крупных капель или ледяных частиц. На самом деле граница облака обычно простирается несколько выше, чем вершина радиоэхо. Причина, по которой воздух внутри облаков поднимается вверх, состоит в том, что он несколько теплее и менее плотен, чем воздух снаружи облака. До тех пор пока это соблюдается, существует ускорение, направленное вверх. Обычно как только облако проникает в стратосферу, воздух в нем быстро становится холоднее и тяжелее наружного. Это охлаждение приводит к ослаблению восходящих движений и прекращению дальнейшего роста облака. Таким образом, нижняя граница стратосферы, расположенная на высотах от 13 000 до 20 000 ж, является обычно пределом развития грозовых облаков.
      В некоторых условиях скорость восходящих потоков в грозовых облаках настолько велика, что даже в тех случаях, когда облако достигает стратосферы и подвергается воздействию сил, направленных вниз, все же наблюдается общая тенденция к дальнейшему росту облака. Вершина его в этом случае будет выше нижней границы стратосферы на несколько сотен метров.
      Радиолокационные наблюдения показали, что некоторые вершины грозовых облаков проникают в стратосферу почти на 5 1сж, для чего необходимы восходящие потоки с огромной скоростью. Грубо говоря, на каждый километр подъема вершины облака в стратосферу требуется вертикальная составляющая скорости около 10 м/сек.
      Для проникновения в стратосферу на 5 км скорость восходящих потоков у нижней границы стратосферы должна составлять около 100 м/сек. Такие величины вертикальных скоростей превосходят наибольшие из когда-либо измеренных значений. К сожалению, непосредственных самолетных измерений на таких больших высотах крайне мало.
      Всем самолетам следует избегать грозовых облаков. Поэтому чрезвычайно важно научиться предсказывать появление гроз над такими объектами, как, например, аэропорты и др., а также вовремя обнаруживать штормы
      и следить за их движением, развитием или распадом. Тот факт, что грозовые облака развиваются и распадаются одновременно с процессом их движения, в значительной мере осложняет задачу предсказания скорости и направления перемещения грозы в последующие моменты времени.
      Грозовые облака представляют собой обширные области скопления капель и ледяных частиц, которые большей частью движутся по ветру. Было найдено, однако, что движение облаков не всегда точно согласуется с ветром. Действительно, в облаках вертикального развития некоторое количество воздуха обтекает их, а некоторое количество проникает сквозь облако. На наветренной стороне воздух проникает в облачную массу, а на подветренной стороне вытекает из нее. В результате облако движется несколько медленнее ветра.
      Вследствие того что грозовые облака постоянно меняют свои размеры, иногда создается впечатление, что их радиоэхо движется необычным путем. При слабом Еетре горизонтальное движение облака и капелек дождя невелико. Поэтому если вблизи существующего грозового облака возникают новые ячейки, сливающиеся с первоначальным облаком, то центр результирующего радиоэхо может смещаться почти в любом направлении в зависимости от того, где возникли новые ячейки. Следовательно, при слабом ветре даже знание его направления на верхних уровнях не может способствовать правильному предсказанию того, пройдет ли грозовое облако над аэропортом или нет. В таких случаях необходимы непрерывные радиолокационные наблюдения за состоянием и распределением радиоэхо по данной площади.
      При сильном ветре в верхних слоях атмосферы можно предсказать направление движения существующего грозового облака с.удовлетворительной точностью, при этом необходимо внимательно следить за возникновением новых облаков.
      Многочисленные исследования показали, что на высоте около 3000 м направление ветра хорошо коррелируется с направлением движения отдельных грозовых ячеек. Эту высоту иногда называют управляющим уровнем, так как ветер на этой высоте управляет движением гроз.
      Отдельное грозовое облако с чистыми белыми краями и наковальней на фоне голубого неба представляет собой прекрасное зрелище. Такие локальные облака менее опасны, чем те, которые объединяются в группы или линии. Иногда такие линии гроз простираются на сотни километров. В зоне линий выпадают ливневые дожди, град, возникают сильные ветры, опустошающие целые районы в течение нескольких часов. На рис. 23 показана радиолокационная картина линии шквалов с множеством грозовых очагов. Линии, подобные этой, зачастую могут быть радиолокационно прослежены в течение многих часов. Таким путем удается с большой точностью определить их движение и предсказать возможность появления в данном месте.
     
      МОЛНИИ
      Различие между ливневым и грозовым дождем состоит в том, что последний сопровождается громом. Если слышатся раскаты грома, то можно быть уверенным-, что
      имела место и вспышка молний. Возникновение молний означает, что электрические заряды в облаке достигли таких огромных величин, что образовалась гигантская искра или дуга. Обычно принято считать, что молния — это гигантская искра. Однако сейчас известно, что молния по целому ряду характеристик подобна электрической дуге. Это чрезвычайно протяженный в пространстве разряд огромного количества электрической энергии, вызывающий высокую температуру и ионизацию воздуха. Мы вернемся к вопросу об ионизации в свете этой проблемы в последней главе, а сейчас рассмотрим некоторые электрические свойства типичного грозового облака.
      Исследования показали, что обычно в центральной части грозового облака над уровнем замерзания располагается очаг повышенной концентрации отрицательных зарядов. Верхняя же часть облака преимущественно имеет избыточный положительный заряд. После начала дождя в нижней части облака, т. е. в зоне тяжелых капель, также иногда формируется небольшой положительный заряд. По мере того как электрические заряды, сконцентрированные в этих трех областях, накапливаются, разность потенциалов между этими областями возрастает. Если напряженность поля достигает величины пробивного потенциала воздуха, т. е. порядка 10 000 в/см, происходит внезапный разряд.
      Так как центры положительных и отрицательных зарядов могут находиться на расстоянии до 2 км, нетрудно подсчитать разность потенциалов между центрами зарядов в момент пробоя. Для этого необходимо умножить пробивное напряжение на соответствующее расстояние. В данном случае это составит около 2 109 в, или два миллиарда вольт. Обычно время накопления заряда составляет несколько десятых долей секунды. С обычной точки зрения это очень маленький отрезок времени. Однако по сравнению с длительностью электрических процессов, которая может быть измерена с помощью современных электронных устройств, это весьма продолжительное время. Разряды молний неоднократно изучались с помощью электронной и фотографической аппаратуры. В особенности тщательно изучен во многих частях земного шара разряд из облака на землю.
      Когда электрический потенциал между облаком и землей достигает пробивной величины, внезапно возникает направленный вниз импульс электрического разряда. Его длина может составлять около 50 ж, а скорость — примерно около одной шестой части скорости света (5*107 м/сек). После первого разряда наступает пауза длительностью около 100 мксек, а затем возникает второй разряд. Вследствие серии разрядов, следующих один за другим, конец светящейся области молнии движется вниз, к земле. Начальный удар молнии называется ступенчатым лидером. За его движением можно проследить с помощью специальных киноаппаратов. Оказалось, что ступенчатый лидер не несет в себе большого заряда. Как правило, он и не слишком ярок.
      Как только ступенчатый лидер достигает высоты 20 — 30 ж над землей, происходит внезапный обратный разряд огромного количества энергии в направлении, противоположном движению ступенчатого лидера. Этот разряд называется главным ударом. Менее чем за 10 мксек электрический ток может достичь максимальной величины — 200 000 а. В результате наблюдается ослепляющая вспышка света, которая при определенных условиях может быть видна на расстоянии более 160 км. Главный удар направлен вверх со скоростью около 3,5-107 м/сек.
      В «отдельных случаях возникает несколько главных ударов, которые проходят вверх по одному каналу. Вместо ступенчатого лидера, предшествующего первому главному удару, встречаются так называемые стрелообразные лидеры, движущиеся от облака к земле перед каждым главным ударом. Известен случай, когда несколько разрядов молнии состояло более чем из 30 главных ударов, разделенных промежутками времени в несколько сотых секунды.
      Человеческий глаз малочувствителен к быстро меняющимся процессам, поэтому визуально невозможно различить последовательные стадии развития молнии. Та вспышка света, которую мы обычно наблюдаем, является результатом одного или нескольких главных ударов. Если принять во внимание, что средняя величина тока во время каждого главного разряда может достигать 20 000 а, станет ясным, почему молния является мощным и устрашающим явлением природы.
      Молния сопровождается не только световым, но и звуковым эффектом. Ток огромной силы нагревает воздух и создает разрежение, которое является причиной возникновения колебательных движений, вызывающих звуковые волны. Так как звук распространяется много медленнее, чем свет, гром слышен после того, как была видна молния. Расстояние до грозы можно легко определить, если сосчитать количество секунд между вспышкой молнии и разрядом грома и помножить его на скорость распространения звука в воздухе. Например, если этот промежуток времени равен 15 секундам, то гроза находится на расстоянии около 5 км.
      Разрушения, производимые молнией, чаще всего являются результатом выделения ею тепла. Ежегодно молнии вызывают лесные пожары, уничтожающие тысячи гектаров леса. Сгорают дома, сараи и другие сооружения. Иногда под действием молнии ломаются деревья и разрушаются кирпичные здания. Это происходит вследствие внезапного притока тепла, вызывающего испарение влаги и создающего внутреннее давление, которое раскалывает стволы деревьев или вырывает кирпичи из здания.
      Самолет, пролетающий сквозь грозовое облако или вблизи него, может подвергнуться удару молнии, который представляет серьезную опасность. В результате многолетних исследований в настоящее время приняты защитные меры, предохраняющие самолеты от разрушительной силы молнии. Суть этих мер заключается в том, что все наружные поверхности самолета делаются электропроводящими и соединяются электрически. В этом случае при ударе молнии заряд остается на корпусе самолета. На заре авиации пожары на металлических самолетах иногда начинались из-за больших токов, возникающих в радиоантеннах в момент удара молнии. Соединение антенны с корпусом самолета устранило эту опасность. Использование проводящих электричество ветровых стекол решило еще одну проблему. До тех пор пока стекла были изолированы от корпуса самолета, электрические дуги часто разрушали их. В современных самолетах повреждения от ударов молний обычно сводятся к нескольким небольшим отверстиям (диаметром около 0,6 см) на крыльях и в хвостовой части.
      Возможно, наиболее опасным следует считать действие молнии на глаза пилота. Внезапная ослепительная вспышка света вызывает временную слепоту. Чтобы избежать этого, пилот обычно надевает защитные очки, сводящие действие вспышки молнии к минимуму.
      Почти до 1950 г. было неизвестно, может ли радиолокатор фиксировать удары молний. Наконец, исследователи Майрон и Лигда провели некоторые наблюдения, которые показали, что вспышки молнии способны создавать радиоэхо на 10-сантиметровом радиолокаторе. Луч радиолокатора направлялся на грозовое облако, и на индикаторе типа А наблюдалась картина радиоэхо. Перед молнией индикатор регистрировал обычное радиоэхо осадков. При прохождении разряда молнии через луч радиолокатора радиоэхо быстро возрастало по величине, а затем медленно уменьшалось. Максимальных размеров оно достигало примерно через полсекунды, а уменьшилось до нуля за 1 — 5 секунд. Другие исследователи впоследствии нашли, что средняя продолжительность радиоэхо молнии составляет несколько десятых долей секунды.
      В течение последних лет молнии обнаруживались и при помощи других типов радиолокационных устройств. Большая часть радиолокационных наблюдений за молниями была выполнена на длинах волн 10, 23 и 50 см. Как правило, число наблюдаемых радиоэхо молний возрастает с увеличением длины волны радиолокатора.
      Почему же радиолокатор обнаруживает разряды молний? Были высказаны различные предположения. Наиболее приемлемое объяснение состоит в том, что радиоэхо есть результат отражения от большого числа свободных электронов, содержащихся в канале молнии. Как уже ранее отмечалось, огромный импульс тока в канале молнии ионизирует заключенные в нем газы. В процессе ионизации высвобождается большое количество электронов, вырываемых из атомов и молекул газа.
      Когда радиоволна проходит через электронное облако, она заставляет электроны колебаться с частотой падающей волны. Эти колеблющиеся (осциллирующие) электроны во многих отношениях подобны тем, которые создают первичное излучение в антенне радиолокатора. В результате осцилляций мы имеем вторичное излучение электромагнитной энергии, но уже направленное к радиолокатору.
      Можно вычислить то количество свободных электронов, которое необходимо для создания радиоэхо. Было найдено, что, чем больше длина волны, тем меньше нужно электронов. Из расчетов Лигды следует, например, что для получения отраженного сигнала на волне 3 см концентрация электронов должна быть равна 1011 куб. см. При переходе к волнам длиной 10, 23 и 50 см критическая концентрация электронов, необходимая для образования радиоэхо на этих волнах, уменьшается соответственно до 1010, 2- 109 и 4 108 куб. см. То обстоятельство, что при использовании более длинных волн для получения радиоэхо требуется меньшая концентрация электронов, хорошо объясняет причину более надежных и многочисленных наблюдений за молниями на этих волнах. В конце 40-х и начале 50-х годов для этих целей в основном использовались 3-сантиметровые метеорологические радиолокаторы. В последние же годы наблюдения за молниями ведутся на волнах длиной более 20 см.
      Однако требует своего объяснения не только величина радиоэхо молнии, но и продолжительность его существования. Атлас и Хьюит подробно изучали этот вопрос. Измеренные ими значения интенсивности сигналов они объяснили наличием свободных электронов. Однако результаты их не согласуются между собой. Очевидно, различия могли бы быть устранены, если бы их первоначальные предположения относительно концентрации свободных электронов в канале молнии были более сходными.
      Продолжительность радиоэхо молнии очень мала, так как в ее канале сконцентрировано огромное количество как свободных электронов, так и положительных газовых ионов, которые могут в течение кратчайшего времени рекомбинировать и образовать нейтральный газ, какой имел место перед электрическим пробоем. Легко показать, что менее чем за одну секунду концентрация свободных электронов за счет рекомбинации может упасть настолько, что радиоэхо исчезнет.
      На рис. 24 приведена фотография радиолокационных наблюдений за молнией, полученная Атласом. Как следует из нее, радиоэхо простирается от вершины радиоэхо грозового облака вверх. Эхо молнии более рельефно выделяется на фоне остального эхо благодаря фотографическому приему, впервые использованному Лигдой. Вначале он взял негатив, где имелось изображение эха осадков и молнии. Затем был изготовлен позитивный транспарант радиолокационной картины, наблюдавшейся за несколько минут до появления молнии. Печать производилась путем наложения негатива и позитива друг на друга. Так как радиоэхо осадков получалось на обеих пленках, свет, проходя через них, оказывался ослабленным. Поэтому на отпечатке радиоэхо осадков менее интенсивно. В свою очередь радиоэхо молнии имело место только на одном негативе. Оно и отпечаталось более рельефно и отчетливо. Такая техника фотографии очень полезна для усиления изображений, которые быстро появляются и исчезают, частично сливаясь с другим изображением. Так как радиоэхо молний существует очень короткое время — меньше секунды, наблюдать его можно только за время одного сканирования антенны, как это показано на рис. 24. Поэтому располагая только одной
      картиной радиоэхо, трудно различить на ней отражения молнии.
      Лигда провел детальные исследования большого числа радиолокационных наблюдений, выполненных на 23-сантиметровом радиолокаторе. Он нашел, что некоторые радиоэхо простираются на расстояние более 80 км. Этот экспериментальный результат был неожиданным, так как большинство метеорологов не предполагало, что единичный разряд может быть столь протяженным. Однако радиолокационные наблюдения доказали это.
      Совершенно очевидно, что применение радиолокации чрезвычайно полезно для лучшего понимания не только разряда молнии, но и всего сложного механизма разделения электрических зарядов в грозовом облаке.
     
      ТОРНАДО
      Одна из причин, по которой метеорологи особенно интересуются линиями шквалов, состоит в том, что на них возникают торнадо. Точные условия образования торнадо до сих пор еще не установлены.
      Давно известно, что большинство гроз не сопровождается торнадо. В свою очередь торнадо никогда не возникают при отсутствии грозовой ситуации. Еще 15 лет назад не знали, в каком месте по отношению к грозе образуется воронка торнадо. В 1953 г. группе исследователей гидрологической службы штата Иллинойс посчастливилось включить свою радиолокационную установку в тот момент, когда торнадо проходило в 16 о от их обсерватории. Им удалось получить серию фотографий, показывающих образование весьма характерного радиоэхо, которое, несомненно, было связано с торнадо. Некоторые из этих фотографий приведены на рис. 25. На фотографии отчетливо видна большая область радиоэхо от грозового очага, которая двигалась в северо-восточном направлении в 15 — 30 км от радиолокатора. На правой стороне радиоэхо имелся узкий отросток в виде пальца, вытянутого к югу. Отросток вращался против часовой стрелки и образовал радиоэхо, напоминавшее цифру 6. Подробный анализ, выполненный Фюита в Чикагском университете, подтвердил, что на южном крючкообразном конце радиоэхо действительно возникло несколько воронок торнадо.
      Рис. 25. Серия фотограмм индикатора кругового обзора 3-сантиметрового радиолокатора, показывающая развитие радиоэхо торнадо. В центре фотограмм радиоэхо от земли и местных предметов. Возникновение торнадо характеризуется образованием в области грозового радиоэхо вытянутого на юг «пальца». Внизу фотограмм указано время наблюдения в часах и минутах.
      После публикации этих фотографий многие наблюдатели также обнаружили подобные радиоэхо, всегда сопровождавшиеся торнадо. Обычно «крючки» располагаются на правых краях грозового радиоэхо. К сожалению, было также найдено, что большинство радиоэхо гроз, сопровождающихся торнадо, не имеет крючкообразного отростка. Отсюда вытекает вывод, что если на фотограмме есть «крючок», то торнадо имеет место. Однако отсутствие такого «крючка» не свидетельствует об обратном явлении.
      В процессе исследования были найдены и другие характеристики радиоэхо гроз, сопровождающихся торнадо. Но ни одна из них еще не может считаться удовлетворительным и надежным признаком торнадо. Эти результаты не должны расхолаживать исследователей, которые продолжают в настоящее время поиски надежных критериев для распознавания торнадо с помощью радиолокации.
      В последнее десятилетие были проведены интересные исследования с помощью новой для метеорологии техники — допплеровских радиолокаторов. В то время как обычный радиолокатор определяет координаты и размеры цели, допплеровский радиолокатор дает скорость, с которой она движется по направлению от радиолокационной станции. Эта система регистрирует изменение частоты радиоволн, возникающее при движении цели. В элементарной физике эффект Допплера обычно поясняется на примере звуковых волн. Известно, например, что тон свистка паровоза зависит от того, приближается или удаляется поезд от станции, так как при движении поезда возникает изменение частоты звуковых волн, а следовательно, и изменение тона звука. По изменениям частоты радиоволн можно вычислить скорость движения радиолокационной цели. Подобный принцип мог бы быть использован для радиолокационного обнаружения торнадо, так как для него характерны очень высокие скорости движения капель воды.
      Для проверки этого предположения Бюро погоды США провело эксперимент с 3-сантиметровым радиолокатором допплеровского типа. Такой радиолокатор излучает не отдельные короткие импульсы, а непрерывные колебания. С его помощью нельзя измерить время прохождения импульса до цели и обратно, а следовательно, и расстояние до цели. Однако если целями будут частицы,
      захваченные торнадо, можно определить их скорость движения. С помощью этого метода было найдено, что для одного торнадо допплеровское смещение частоты соответствовало скорости ветра 300 км/час. Конечно, по одному измерению нельзя уверенно судить о реальности таких скоростей. Тем не менее имеются все основания предполагать, что данный метод окажется эффективным для радиолокационного обнаружения торнадо.
     
      УРАГАНЫ
      Ураганы возникают над тропическими океанами во многих районах земного шара. В разных странах их называют по-разному (например, тайфун или вилли-вилли), однако все они развиваются более или менее одинаково и поэтому обладают сходными свойствами. В северном полушарии ветры в ураганах дуют против часовой стрелки, а в южном — по часовой. Если двигаться к центру урагана, то ветер будет постепенно усиливаться примерно до расстояния 30 — 50 км от его центра. При дальнейшем приближении к центру можно заметить, что ветер постепенно стихает.
      Интересной особенностью урагана является его центральная область, называемая глазом. Здесь ветер очень слаб, а облачность небольшая. При прохождении глаза урагана сильные дожди и ветры внезапно сменяются хорошей погодой. Однако штиль продолжается недолго, всего час или два, после чего снова наступает штормовая погода.
      Радиолокационные наблюдения дали много сведений об ураганах. Они показали, что для большинства тропических штормов характерно весьма закономерное распределение ливневых осадков. Наиболее часто радиолокационная картина ливней состоит из нескольких спиральных полос (рис. 26). Сенн и Хейсер из Майамского университета нашли, что полосы радиоэхо осадков хорошо совпадают с кривой, близкой к логарифмической спирали. Сравнивая распределение осадков на экране локатора с логарифмической спиралью, можно найти центр урагана. Этот метод в настоящее время наиболее широко применяется для определения центра урагана.
      Однако не всегда распределение осадков в ураганах имеет вид логарифмической спирали. Например, Джордан (университет штата Флорида) наблюдал несколько ураганов, радиоэхо которых представляло кольцо вокруг центра шторма. В одном урагане такое радиоэхо простиралось по вертикали почти до 20 000 м.
      Как указывалось выше, радиоэхо некоторых грозовых облаков имеют тенденцию двигаться по ветру на уровне 3000 м, особенно при сильных ветрах. Определив на основании этого траекторию радиоэхо, можно получить весьма ценные данные о скорости и направлении ветров
      Рис. 26. Фотограмма радиоэхо урагана «Донна» с индикатора кругового обзора радиолокатора WSR-57, полученная Бюро погоды США в Майами, Флорида. Масштаб меток дальности 80 км.
      в урагане. Подобные наблюдения были проведены Сенном и Хайсером, которые получили подробную картину распределения скоростей ветра для нескольких штормов. Если такую информацию сочетать с другими видами наблюдений, например с самолетными и наземными метеорологическими, то можно будет точнее описать свойства ураганов и развить более полную теорию их образования.
      Одной из наиболее сложных задач является предсказание движения и развития урагана. Для того чтобы дать прогноз с заблаговременностью, скажем, 2 дня, необходимо провести широкий комплекс метеорологических наблюдений на большой территории северного полушария.
      Ураган — это перемещающийся в воздушном океане вихрь, движение которого в одном месте усиливается движениями в других частях атмосферы. Если уменьшить заблаговременность прогноза, то можно ограничиться анализом процессов над меньшей территорией. Однако для всех прогнозов необходимо знать точное предшествующее и настоящее распределение осадков на большой площади. С помощью радиолокационной сети такая информация может быть получена сравнительно легко и точно, если только ураган попадает в сферу действия радиолокаторов.
      Для того чтобы оповещать южную и юго-восточную части США о неожиданном появлении ураганов, на североамериканском побережье Атлантики и Мексиканского залива была создана сеть специальных радиолокационных станций. При наличии такой сети можно не сомневаться в том, что приближение урагана к побережью не останется незамеченным.
     
      ГЛАВА ВОСЬМАЯ
      РАДИОЛОКАТОР ПОМОГАЕТ ПИЛОТУ
      Когда в кабинах самолетов появились первые радиолокационные индикаторы, некоторые пилоты отнеслись к ним весьма скептически. Однако сразу же стало ясно, что радиолокатор действительно полезен при пилотировании самолетов. Впервые появилась возможность «видеть» сквозь облака и находить области с неблагоприятной погодой.
      Еще в конце 40-х годов многие метеорологи считали, что самолетные радиолокаторы очень полезны для наблюдения за погодой. Однако авиационная промышленность еще не была готова к поставке такого оборудования. Существовавшие самолетные радиолокаторы, для того чтобы их можно было использовать в метеорологических целях, требовали доработки. Большей частью они были предназначены для таких военных задач, как бомбометание или корректировка огня. Эти радиолокаторы были весьма громоздкими. Некоторые из них весили 160 кг и даже более. Кроме того, подобное оборудование было достаточно дорогостоящим и сложным в эксплуатации. Были и другие трудности. Например, не хватало еще опыта, который показал бы эффективность применения такой аппаратуры в метеорологических целях. Необходимо также было выявить специфические требования, предъявляемые к самолетному метеорологическому радиолокатору.
      В 1947 — 1949 гг. национальный авиационный комитет США начал широкие исследования по выяснению возможности и эффективности метеорологического использования радиолокационных средств в системе управления воздушным движением.
      Группа ученых провела сравнение самолетных данных о турбулентности в грозовых облаках с характеристиками радиоэхо гроз, полученных с помощью наземных радиолокаторов. Последние измерения были выполнены исследовательской группой, возглавлявшейся Байерсом из Чикагского университета. Ученые пришли к выводу, что применение радиолокации может значительно уменьшить вероятность попадания самолетов в зоны интенсивной турбулентности. Радиолокация поможет пилотам получить точные сведения о местоположении гроз и других опасных для авиации явлений.
      В 1949 г. одна из авиационных компаний. США провела ряд летных испытаний 3-сантиметрового военного радиолокатора с целью выяснения его пригодности для метеорологических целей. При испытаниях выяснились два вопроса:
      1) может ли радиолокатор помочь пилоту избежать областей сильной турбулентности и града?
      2) может ли радиолокатор уменьшить опасность столкновения самолета с горами или другими наземными препятствиями?
      Радиолокатор, использовавшийся в этом случае, имел новую электронную схему, предложенную молодым ученым Атласом, который работал в системе авиации. В 1947 г. Атлас высказал предположение, что наиболее сильную турбулентность можно ожидать в областях, где имеются большие изменения интенсивности радиоэхо на малых расстояниях. Более точно это означает, что большие градиенты интенсивности радиоэхо связаны с интенсивной турбулентностью. Атлас разработал схему для получения на одном индикаторе кругового обзора информации, достаточной для прямых измерений градиентов интенсивности радиоэхо.
      Когда мы наблюдаем радиоэхо на индикаторе кругового обзора, то внешний край этого радиоэхо соответствует минимальной мощности, которую радиолокатор еще может обнаружить. Если отраженный сигнал меньше этой величины, то на индикаторе мы вообще не увидим изображения радиоэхо. Если величина отраженного сигнала очень большая, то радиоэхо ярче, чем в обычном случае. Величина мощности, которая создает едва различимое человеческим глазом радиоэхо, носит название порога обнаружения. Линия, очерчивающая пороговое радиоэхо, называется контуром изоэхо, так как вдоль этой линии мощность радиоэхо не меняется. Откалибровав радиолокатор соответствующим образом, можно получить порог обнаружения на любом заданном уровне.
      Каждый радиолокатор имеет так называемый регулятор чувствительности. Он эквивалентен регулятору громкости в обычном радиоприемнике. Изменяя его положение, мы тем самым увеличиваем усиление принимаемых сигналов. В результате звук радиоприемника становится громче и становятся слышными слабые сигналы далеких станций. Регулятор чувствительности радиолокатора выполняет те же функции, что и регулятор усиления в обычном приемнике. Он изменяет усиление принимаемых радиолокационных сигналов.
      При уменьшении коэффициента усиления радиоэхо будут создавать только сильные сигналы. Так, например, если для случая, приведенного на рис. 27, усиление уменьшится до такой величины, что порог обнаружения будет соответствовать изолинии 2, то на индикаторе кругового обзора мы увидим значительно меньшую область радиоэхо, чем первоначально. Если нанести, как это сделано на рис. 27, изолинии 1 и 2 одновременно, то область с максимальным градиентом радиоэхо может быть выделена непосредственно. В данном случае она находится справа, там, где линии пороговых значений мощности 1 и 2 расположены наиболее близко друг к другу. Это и есть та область, где следует ожидать наибольшей турбулентности.
     
      ПОЛУЧЕНИЕ КОНТУРОВ ИЗОЭХО
      Как уже говорилось, схема для одновременного представления двух уровней разной интенсивности радиоэхо была предложена Атласом. Эта схема получила название системы контуров изоэхо. Принцип действия такой системы сводится к использованию двух цепей, каждый из которых предназначена для обнаружения только определенного значения пороговой мощности. Если обе цепи включены нормально, их сигналы положительны по знаку. Если эти сигналы просуммировать и подать одновременно на индикатор кругового обзора, получится радиоэхо обычного вида. По краям оно наиболее бледное. Яркость увеличивается к центру, где обычно располагается область с максимальной интенсивностью осадков.
      При работе схемы контуров изоэхо выходной сигнал цепи с большим значением пороговой мощности вначале меняет свой знак, становясь отрицательным. Затем он суммируется с выходным сигналом цепи с меньшей пороговой мощностью. В областях, где отрицательные сигналы одной цепи налагаются на положительные сигналы другой, происходит их взаимное уничтожение. Такое уничтожение сигналов имеет место внутри области, ограниченной контуром изоэхо с большой интенсивностью. В результате на индикаторе кругового обзора видно радиоэхо с «дыркой» посередине. С внешней стороны его очерчивает изолиния пороговой мощности 1, а с внутренней — изолиния пороговой мощности 2.
      На рис. 28 представлены две фотограммы индикатора кругового обзора самолетного радиолокатора. На левой фотограмме показано радиоэхо осадков в его обычном виде. Правая фотограмма, полученная вскоре после левой, демонстрирует работу схемы контуров изоэхо. Темные пятна внутри области радиоэхо на расстоянии 16 км к северо-западу и 28 км к северо-востоку свидетельствуют
      о наличии в этих местах сильных дождей и значительных градиентов интенсивности радиоэхо. Можно предположить, что затемненные области радиоэхо созданы осадками с большей турбулентностью, чем радиоэхо на юго-западе. Наконец, из анализа фотограмм следует, что наибольшая турбулентность наблюдается в области, расположенной в южной и западной частях радиоэхо на расстоянии 16 км, так как здесь наибольшие градиенты интенсивности радиоэхо.
      Рис. 28. Фотограммы радиоэхо грозового облака с индикатора кругового обзора 5,5-сантиметрового самолетного радиолокатора. Масштаб меток дальности 8 км
      Исследования, проведенные различными авиакомпаниями США, показали, что самолетные радиолокаторы, снабженные схемой для получения контуров радиоэхо, помогают пилотам избежать областей с сильной турбулентностью. Однако эти работы еще не выявили возможности использования самолетных радиолокаторов для того, чтобы обходить области града и наземные преграды.
      В начале 50-х годов одна из авиакомпаний установила 5,5-сантиметровый радиолокатор на одном из своих самолетов и провела ряд интересных летных испытаний. На рис. 28 приведена фотография, полученная на этом радиолокаторе. Настоящий радиолокатор был первой самолетной метеорологической радиолокационной станцией, специально предназначенной для получения контуров изоэхо. Возглавлявший эти исследования Гаррисон и его сотрудники убедительно доказали, что радиолокатор удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям.
      Он может помочь пилоту обнаруживать и обходить области с сильной турбулентностью. Облетая эти области, пилот также может избежать столкновения с градом. Эта авиакомпания дала пример оснащения самолетов метеорологическими радиолокаторами. Вскоре и другие авиакомпании последовали ему. Затем национальное авиационное агентство США приняло решение об оснащении к 1961 г. всех гражданских самолетов определенного размера метеорологическими радиолокаторами.
      Ранее уже указывалось, что радиолокаторы, существовавшие в конце 40-х годов, были непригодны для использования на самолетах. В настоящий момент эта проблема в значительной степени решена. Прежде всего было упрощено управление радиолокационными средствами, затем ограничены их функции в соответствии с теми задачами, которые они решают. Это позволило значительно удешевить эти средства, уменьшить их вес и габариты. Общий вес ныне используемых самолетных радиолокаторов составляет около 80 кг.
      Однако один вопрос — об оптимальной длине волны таких станций — еще до сих пор окончательно не решен. Некоторые авиакомпании широко используют 3-сантиметровые устройства, так как они обеспечивают обнаружение штормов на больших расстояниях и создают более узкий луч, чем радиолокаторы, работающие на более длинных волнах. Другие авиакомпании применяют 5,5-сантиметровые радиолокаторы. Хотя для 5,5-сантиметровых станций максимальная дальность обнаружения штормов меньше, а ширина луча больше, чем у 3-сантиметровых, они все же имеют некоторые преимущества, обусловленные незначительным ослаблением такой волны в сильных дождях. В результате эти радиолокаторы могут «видеть» сквозь более широкие полосы сильных дождей. Необходимо также заметить, что большинство антенн самолетных радиолокаторов располагается в носовой части самолета. Это накладывает определенные ограничения на размеры антенн, которые не могут быть больше 60 — 90 см, чтобы не нарушить аэродинамические свойства самолета. Обычно антенны самолетных радиолокаторов помещают в специальный обтекаемый колпак. Он делается из материала, через который радиоволны проходят, не испытывая заметного поглощения.
      Самолетные радиолокаторы, повсеместно используемые в гражданской авиации, оборудованы антеннами, которые позволяют сканировать только вокруг вертикальной оси. Такие антенны дают обычную информацию, представляемую на индикаторах кругового обзора. Автор настоящей книги предложил модифицировать антенную систему самолетных радиолокаторов таким образом, чтобы по желанию пилота он мог получать информацию не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости, лежащей перед самолетом. Для этого необходимо, чтобы антенна имела возможность сканировать вокруг горизонтальной оси.
      Представим себе, что самолет летит по направлению к линии гроз, расположенной в 50 — 60 км впереди. Если антенна радиолокатора может быть переведена из горизонтального сканирования в вертикальное, индикатор кругового обзора будет автоматически давать картину радиоэхо в координатах высота — горизонтальная дальность. В этом случае высота грозового облака может быть непосредственно отсчитана по индикатору (рис. 29). Вообще говоря, сведения о вершинах грозовых облаков можно получить и при помощи обычного горизонтального сканирования. Однако это требует много времени. Как уже указывалось в главе 7, вертикальная протяженность грозового облака представляет большой интерес для пилота, так как она характеризует интенсивность грозовой деятельности.
      Если сочетать вертикальное сканирование с получением контуров изоэхо, можно за короткий промежуток времени получить необходимые сведения как о максимальной высоте, так и о максимальной интенсивности радиоэхо. Это позволило бы сделать более надежные выводы о возможности существования града или торнадо.
      Радиолокатор с вертикально сканирующей антенной облегчает также обнаружение яркой полосы. Сам факт существования яркой полосы в облаках показывает, что в этих облаках интенсивного обледенения самолета не будет. Обледенение, т. е. накопление льда на поверхности самолета, происходит обычно в тех случаях, когда переохлажденные капли воды замерзают, ударяясь о поверхность самолета. Обледенение не представляет серьезной
      опасности для современных воздушных лайнеров, однако иногда оно все же значительно затрудняет полет. При наличии отчетливой яркой полосы область, расположенная выше уровня замерзания, в большей части заполнена
      Рис. 29. Фотограмма радиоэхо ливня и грозы на индикаторе «дальность — высота» 3-сантиметрового самолетного радиолокатора. Концентрические окружности — метки дальности через 1,8 км. Горизонтальная светлая полоса — отражения от земной поверхности. Положение самолета соответствует центру фотограммы. Слева — радиоэхо грозы, простирающееся более чем на 1,5 км выше самолета. Справа — радиоэхо ливня, вершина которого на 2 км ниже самолета. Фотография получена в направлении, перпендикулярном движению самолета. Для обеспечения метеорологической безопасности полетов антенна радиолокатора должна сканировать в плоскости движения самолета.
      снежинками и ледяными кристаллами. Если же из облака выпадают осадки в твердом виде, обледенение обычно слабое.
      Другой способностью радиолокатора с вертикально сканирующей антенной является возможность получения топографического профиля местности в вертикальной плоскости. В прошлом имели место несчастные случаи, когда самолет врезался в горы. Иногда катастрофа происходила даже тогда, когда летчик знал расположение гор. В одних случаях самолет терял управление, в других горы были замаскированы густой облачностью или туманом. Возможность радиолокационного наблюдения наземных предметов по мере приближения самолета к аэродрому, затянутому облачностью, уменьшит вероятность его столкновения с возвышенностями, особенно в тех районах, где посадочные навигационные и радиолокационные средства недостаточно развиты.
      Идея применения в гражданской авиации самолетного радиолокатора с вертикально сканирующей антенной еще совершенно новая и поэтому недостаточно апробирована. Однако в силу ее большой перспективности она должна быть всесторонне исследована в самое ближайшее время.
     
      ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
      РАДИОЛОКАТОР ВИДИТ ЗЕМЛЮ И „АНГЕЛОВ"
      Когда излучаемая радиолокатором энергия достигает земной поверхности, часть ее отражается обратно и создает видимое радиоэхо на индикаторах радиолокационной станции. Подобное явление следовало ожидать, и оно легко поддается объяснению. Однако иногда на индикаторах радиолокационных станций радиоэхо появляются при совершенно чистом небе. На заре существования радиолокации эти радиоэхо получили такие забавные названия, как «эхо духов», «эхо призраков» и, наконец, «ангел-эхо». Последнее из названий оказалось наиболее стойким. Поэтому обычно радиоэхо, происхождение которых не может быть объяснено элементарным образом, называются «ангелами». В настоящее время имеется несколько правдоподобных предположений о причинах этого загадочного явления. Однако вначале полезно рассмотреть отражение от земной поверхности и местных предметов, а затем уже вернуться к «ангел-эхо»,
      Почти всегда на индикаторах кругового обзора наземных радиолокационных станций видны на очень близких расстояниях отражения от земной поверхности и близрасположенных предметов. Часто эти отражения называют помехами земли, так как они почти никогда не служат полезным целям. Напротив, маскируя основные отражения, эти помехи мешают обнаруживать такие цели, как самолеты, проходящие близко от радиолокатора.
      Причина частого появления отражений от земли состоит в том, что для получения обнаруживаемого сигнала от хорошо отражающей или рассеивающей поверхности, находящейся на близком расстоянии, достаточно небольшой мощности. Такое малое количество мощности излучается антенной радиолокатора в весьма широком телесном угле даже в тех случаях, когда луч антенны узок. Когда мы говорим, что радиолокатор имеет луч шириной 2°, мы вовсе не подразумеваем, что вся мощность сконцентрирована в телесном угле 2° вокруг оси луча. На самом деле обычная антенна радиолокатора концентрирует в своем луче лишь около 80% общей излучаемой ею мощности. Остальные же 20% излучаются «боковыми лепестками», расположенными под различными углами к оси антенны. Если учесть, что диапазон углов, в которых распределено 20% общей мощности, достаточно широк, становится ясным, что мощность, излучаемая «боковыми лепестками» на единицу площади, действительно весьма мала. В результате, если цели удалены от радиолокатора более чем на 15 — 20 км, на индикаторе не видно отражений от близких предметов и радиоэхо создается только главным «лепестком» антенны. Вот почему местные предметы могут наблюдаться только в ближней от радиолокатора зоне.
      Однако в некоторых случаях появляются отражения и от сильно удаленных наземных предметов. Так, например, иногда удается наблюдать предметы даже на расстояниях до 600 — 800 км. На первый взгляд это кажется странным. Было бы естественно предположить, что узкий пучок электромагнитных волн распространяется почти горизонтально вдоль прямой линии, иногда называемой линией видимого горизонта. Однако в действительностй радиоволны в атмосфере почти никогда не распространяются прямолинейно. Только в вакууме они вели бы себя именно так. Но атмосферу, конечно, нельзя считать вакуумом. Изменения с высотой температуры, влажности и давления являются теми факторами, которые заставляют «искривляться» луч радиолокатора. Искривление световых лучей легко продемонстрировать.
      Если карандаш наполовину погрузить в воду (рис. 30), то погруженная часть кажется короче, чем в действительности. Это происходит из-за того, что лучи света отражаясь от карандаша, преломляются на поверхности воды. Причину изменения направления светового луча можно объяснить, если рассматривать свет как волну, скорость которой меняется при переходе из одной среды в другую. Если световые волны переходят из среды более плотной в среду менее плотную, например из воды в воздух, то скорость света возрастает. Величина этого возрастанш очень мала, но все же она достаточна для того, чтобы изменить го направление движения,
      которое она имела в воде. Это отклонение называется преломлением. Изменение угла, под которым распространяется волна, связано с определенной величиной 1г, называемой показателем преломления, который равен отношению скорости света в вакууме с к реальной скорости распространения волны v в данной среде:
      Рис. 30. Луч света, отраженный от острия карандаша, изменяет направление своего движения при выходе из воды. В результате карандаш кажется короче, чем в действительности. Изменение направления движения луча происходит вследствие того, что коэффициент преломления воздуха меньше, чем воды.
      Очевидно, что при переходе электромагнитной волны из среды с одним значением п в среду с меньшим п скорость волны должна возрастать.
      Ё атмосфере коэффициент преломления монотонно убывает с высотой. Поэтому радиоволна, направленная например, вверх под углом 45°, будет постоянно увеличивать свою скорость при переходе к более высоким слоям атмосферы, а следовательно, отклоняться вниз от своего первоначального направления. Следует еще раз подчеркнуть, что изменение скорости очень мало и волна никогда не может достичь в атмосфере скорости света в вакууме.
      Рис. 31. В нормальной атмосфере коэффициент преломления убывает с высотой. В результате траектория радиолокационного луча искривляется вниз, в то время как траектория света представляет собой прямую линию.
      1 — световой луч, 2 — радиолокационный луч.
      Показатель преломления воздуха может быть вычислен из уравнения, которое учитывает давление, температуру и влажность воздуха. С изменением этих трех факторов меняется и коэффициент преломления. Обычно вблизи поверхности земли он равен 1,0003, а градиент уменьшения коэффициента с высотой в среднем составляет около 4 10~8 на 1 -м подъема. Можно показать, что в такой атмосфере радиоволна, посланная горизонтально1, будет отклоняться вниз и двигаться по дуге, радиус которой примерно в 1,3 раза больше радиуса Земли. Сказанное выше наглядно иллюстрируется рис. 31, где показана траектория радиоволны, посланной горизонтально. Радиоволна по мере своего распространения постепенно отклоняется все дальше и дальше от поверхности земли. Как видно, это отклонение за счет преломления в атмосфере, называемого рефракцией, происходит более медленно, чем если бы волна распространялась прямолинейно.
      Как же объяснить то, что в некоторых случаях наземные предметы видны на расстоянии многих сотен километров?
      Положение, которое обсуждалось выше, относится к средним, или так называемым нормальным, условиям в атмосфере. Однако иногда ход температуры и влажности с высотой отличается от нормального. В этих случаях и волна распространяется аномально.
      На рис. 31 мы видели, что луч радиолокатора при нормальных условиях отклоняется вниз незначительно. При других условиях искривление луча может быть настолько большим, что он может коснуться поверхности земли на некотором расстоянии от радиолокатора. Для того чтобы это произошло, необходимо, чтобы скорость волны возрастала с высотой быстрее, чем в нормальной атмосфере. Это и имеет место в случаях аномального распространения.
      Давление в атмосфере всегда уменьшается с высотой, и степень его уменьшения мало меняется ото дня ко дню и в разных точках земного шара. С другой стороны, вертикальные изменения температуры и влажности подвержены более сильным изменениям. Обычно температура и влажность уменьшаются с высотой, однако иногда имеет место и обратное явление.
      Исследование уравнения для показателя преломления атмосферы убеждает нас, что он убывает с высотой быстрее в том случае, когда температура растет, а влажность, наоборот, уменьшается с высотой. Такие условия могут возникнуть при различных метеорологических ситуациях, например, когда теплый сухой воздух движется над водной поверхностью. Вода резко понижает температуру воздуха вблизи своей поверхности, в результате чего образуется так называемая температурная инверсия, т. е. в некотором приземном слое температура возрастает с высотой. Кроме того, испарение с водной поверхности увеличивает влажность в нижних слоях воздуха. Оба эти обстоятельства способствуют аномальному распространению волны, при котором траектория луча может оказаться заключенной в узком слое, примыкающем к поверхности земли (рис. 32). В этом случае волна может распространяться путем многократного «отражения» от верхней границы приземного слоя и земной поверхности. Иногда этот слой называют каналом или атмосферным волноводом, потому что распространяющаяся энергия заключена внутри него.
      Условия, подобные описанным, иногда возникают над Средиземным морем, когда теплый сухой воздух из Африки движется над поверхностью воды. Поэтому здесь и наблюдалось большинство случаев аномального распространения радиоволн, зафиксированных во время второй мировой войны, когда наземные цели, удаленные на много сотен километров, создавали на экранах радиолокаторов интенсивные радиоэхо.
      Возникновение каналов и аномальное распространение радиоволн наблюдаются иногда и в ясные ночи над влажной почвой. В этих условиях сильное излучение с поверхности земли приводит к образованию температурной инверсии в нижних слоях и соответствующему распределению влажности. Образование атмосферных волноводов особенно сильно влияет на передачу телевизионного изображения. Например, телезрители Чикаго могут иногда принимать станцию Милуоки, удаленную более чем на 150 км. Несмотря на то что радиоволны, используемые в телевидении, много длиннее радиоволн обычных радиолокаторов, они подчиняются тем же законам преломления.
      Помехи от поверхности земли возникают и при других метеорологических условиях. Поэтому оператор радиолокационной станции должен знать о таких условиях для того, чтобы правильно интерпретировать картину радиоэхо на индикаторе.
      Очень часто радиоэхо от наземных предметов может быть весьма сходным с радиоэхо от осадков. Если метеорологические условия допускают аномальное распространение, то сомнительные случаи радиоэхо нуждаются в дополнительном исследовании.
      Одним из методов проверки того, является ли данное радиоэхо отражением от ливня или от наземного предмета, может служить способ увеличения угла возвышения антенны. Нетрудно показать, что при углах возвышения антенны, больших 2°, луч искривляется уже недостаточно для того, чтобы он коснулся земли. Это справедливо даже в случаях аномального распространения, когда показатель преломления быстро уменьшается с высотой.
      Если это так, то возникает естественный вопрос: почему при метеорологических наблюдениях не работать всегда под углами возвышения антенны, большими или равными 2°? В ряде случаев это действительно можно сделать. Однако если требуется обнаруживать осадки на значительных расстояниях, то необходимо направлять антенну под минимально возможным углом к горизонту. В противном случае радиолокационное обнаружение не будет эффективным, так как луч пройдет над вершинами большинства ливневых и грозовых облаков, в то время как они могли бы быть обнаружены при меньшем угле наклона антенны.
      В целом можно констатировать, что поверхность земли является хорошим отражателем радиолокационной энергии. Обычно атмосферные условия таковы, что отражения от земли возникают на относительно малых расстояниях. При резком же повышении температуры и уменьшении влажности с высотой могут создаваться атмосферные каналы, которые концентрируют радиолокационную энергию вблизи земной поверхности и поэтому являются причиной образования радиоэхо от земли на больших расстояниях.
      Первое сообщение об «ангел-эхо» было опубликовано в 1940 г. Френдом. Направляя антенну радиолокатора вертикально вверх, он обнаружил на экране радиолокатора радиоэхо, которое не могло быть вызвано каким-либо видимым объектом. Небо было совершенно ясным, поэтому нельзя было приписать возникновение радиоэхо облакам или дождевым каплям. Френд предположил, что, по-видимому, электромагнитная энергия отражается от слоя воздуха, в котором либо температура, либо влажность, либо оба этих параметра быстро изменяются с высотой. Со времени наблюдений Френда был собран обширный материал об «ангел-эхо». Типичная фотограмма радиоэхо такого рода показана на рис. 33.
      Иногда «ангел-эхо» появляется в виде слоя равномерно распределенных точечных отражений, иногда наблюдается несколько подобных слоев. Наконец, имеет место и такая картина, когда отдельные точечные «ангел-эхо» хаотически распределены относительно друг друга.
      Перед тем как рассматривать другие типы «ангел-эхо», полезно до конца уяснить причину отражений от ясного неба.
      В свое время было высказано предположение, что причиной «ангел-эхо» являются рои насекомых или стаи птиц, находящихся высоко в небе за пределами видимости, но способных тем не менее создавать значительные радиолокационные отражения. Планк, работавший в Исследовательском авиационном центре в Кембридже, произвел подробный анализ большой группы «ангел-эхо», наблюденных в окрестностях Бостона
      с помощью радиолокатора с длиной волны 1,25 см. Предварительно изучив поведение насекомых и птиц, обитающих в окрестностях Бостона, он пришел к заключению, что ни в один из дней, когда наблюдалось «ангел-эхо», не было такого количества птиц или насекомых, которое было бы достаточным для возникновения радиоэхо. С другой стороны, в дни с «ангел-эхо» наблюдались условия, благоприятные для возникновения больших градиентов показателя преломления воздуха. Как уже отмечалось, показатель преломления воздуха главным образом зависит от температуры и влажности атмосферы. Он падает с повышением температуры и уменьшением влажности. В результате этого на границе области с повышенной влажностью, окруженной более сухим воздухом, может возникнуть большой градиент показателя преломления.
      Но работ Планка было недостаточно для того, чтобы убедить ряд исследователей в том, что «ангел-эхо» не могут быть вызваны птицами. Так, например, Ричардсон, работавший в Массачусетсском технологическом институте, представил доказательства, что одиночная морская чайка способна создавать «радиоэхо». Он подсчитал, что морская чайка имеет площадь радиолокационного отражения около 100 кв. см. Цель с такой площадью может вызвать сильное радиоэхо на индикаторе радиолокатора даже при удалении около 30 км. Тем более что одна птица, попадающая в раствор луча, который достигает на этом расстоянии ширины 1 — 2 км, может, вообще говоря, легко ускользнуть из поля зрения наблюдателя. Из результатов этой работы и других наблюдений, которые будут обсуждены ниже, можно сделать вывод, что некоторые «ангел-эхо» создаются птицами.
      Однако очевидно, что все многообразие «ангел-эхо» не может быть объяснено присутствием птиц и насекомых.
      Нет сомнений в том, что, если показатель преломления сильно изменяется на очень малом расстоянии, может возникнуть отражение, мощность которого достаточна для создания обнаруживаемого радиоэхо. Согласно разработанным в настоящее время теориям, для возникновения такого процесса необходимы очень большие градиенты показателя преломления. К сожалению, обычные приборы для прямого измерения показателя преломления слишком инерционны, чтобы обнаруживать большие градиенты в очень тонких слоях.
      Наилучшим прибором для подобных измерений является микроволновой радиолокатор, разработанный в Техасском университете и установленный на самолете. В результате , многочисленных измерений с помощью этого прибора было найдено, например, что большие градиенты показателя преломления возникают на границах конвективных облаков, развивающихся в сухом воздухе. Возникновение больших градиентов показателя преломления в основном может быть объяснено значительными колебаниями влажности на периферии таких облаков. К сожалению, современный самолетный рефрактометр не может измерять градиенты показателя преломления на расстояниях, меньших 90 см. В то же время, согласно принятым сейчас теориям, возникновение «ангел-эхо» на экранах 3-сантиметровых радиолокаторов возможно лишь в тех случаях, когда большие градиенты показателя преломления локализованы на расстоянии около 5 см. Возможно, что с применением менее инерционных приборов, которые сейчас разрабатываются, будут обнаружены такие градиенты.
      Несмотря на недостаточность теоретических предпосылок в объяснении природы «ангел-эхо», все же можно предполагать, что причиной их являются большие градиенты показателя преломления воздуха.
      Рассмотрим теперь разновидности «ангел-эхо». В те дни, когда имеются конвективные облака, иногда наблюдаются различные типы «ангел-эхо». Под облаками, в области восходящих движений воздуха, отчетливо различаются маленькие «точки» или «столбики» радиоэхо, подобные приведенным на рис. 33. Некоторые исследователи полагают, что такой тип радиоэхо вызывается изменениями показателя преломления на границе нагретых объемов воздуха, находящихся у основания облака. Другое объяснение предполагает наличие птиц в нагретых слоях воздуха, которые охотятся за насекомыми.
      «Ангел-эхо» большой протяженности и длительно существующие были обнаружены перед шквальными линиями. На рис. 34 приведена фотография группы очагов радиоэхо гроз, перед которой видна тонкая линия «ангел-эхо». Из множества наблюдений было установлено, что такие линии «ангел-эхо» возникают в областях, где почти нет или полностью отсутствуют какие-либо облака. В этих случаях «ангел-эхо» образуется на переднем крае холодного воздуха, вытесняемого из грозового облака. По мере прохождения на высоте переднего края холодного воздуха температура быстро падает, а относительная влажность растет. Некоторые исследователи приписывают возникновение такого радиоэхо резким изменениям показателя преломления на переднем крае холодного воздуха.
      Однако Гарнер (Королевский колледж в Лондоне) объясняет возникновение линий «ангел-эхо» перед грозовыми облаками отражением радиоволн от птиц. Наблюдая в телескоп область атмосферы, которая создавала «ангел-эхо», он увидел множество стрижей, мелькавших в поле зрения телескопа, и сделал вывод, что эти стрижи охотятся за насекомыми, увлекаемыми вверх поднимающимся теплым воздухом. Однако уже давно известно, что по мере подтекания холодного воздуха под грозовое облако на переднем его крае образуются восходящие движения. Когда воздух начинает подниматься вверх, возможно образование терминов, а следовательно, и «ангел-эхо». Поэтому объяснение, данное Гарнером, хотя и правдоподобно, но не исчерпывающе, так как не может быть отнесено ко всем случаям возникновения линий «ангел-эхо».
      Наиболее интересно «ангел-эхо» в форме кольца. Впервые его наблюдал Элдер из Мичиганского университета, использовавший 23-сантиметровый радиолокатор. Элдеру удалось получить длинную серию фотоснимков такого радиоэхо, сделанных через 10 секунд. Если просмотреть серию этих фотоснимков как кинофильм, можно заметить, что вначале радиоэхо возникают в виде маленьких кружков, которые затем расширяются со скоростью около 80 км/час. Иногда в одном и том же месте возникает до четырех колец, которые развиваются примерно за 4 секунды. Движущееся изображение такого радиоэхо напоминает спокойную поверхность озера, в которое брошен камень, вызвавший кольцевые волны. Элдер предположил, что возникновение подобного радиоэхо также связано с градиентами коэффициента преломления. Однако некоторые исследователи утверждают, что и в данном случае появление кольцеобразного эха объясняется наличием птиц. Они предположили, что иногда птицы скапливаются в огромном количестве, а затем, испугавшись чего-либо, разлетаются во всех направлениях. Их предположение подкреплялось небольшим числом наблюдений кольцевых «ангел-эхо», сопровождавшихся одновременным появлением в этих местах птиц. Очевидно, что наличие птиц как единственного источника радиоэхо не объясняет его причудливой формы. Если бы действительно все кольцеобразные «ангел-эхо», наблюдавшиеся Элдером, были вызваны птицами, следовало бы, вопреки здравому смыслу, допустить, что полет птиц строго организован.
      Следующим типом «ангел-эхо», который был подвергнут тщательному изучению, особенно Атласом, является радиоэхо морских бризов. Обычно на берегах морей в ночное время ветры дуют к морю, а в послеполуденные часы — наоборот, к берегу. Такая циркуляция является следствием того, что солнечные лучи нагревают сушу сильнее, чем море. В результате, когда воздух над сушей становится достаточно теплым, он начинает подниматься и заменяется более холодным воздухом, который бриз приносит с моря. В некоторых районах земного шара данный вид циркуляции воздуха достаточно регулярен, поэтому люди с нетерпением ожидают освежающих морских бризов.
      Исследования показали, что толщина слоя охлажденного водой воздуха составляет примерно 700 — 1000 м и что этот воздух движется над поверхностью земли, как единое тело. Для наблюдений за морским бризом на берегу Массачусетсского залива Атлас с группой исследователей использовал 1,25-сантиметровый радиолокатор. Он заметил, как при совершенно безоблачном небе на переднем крае морского бриза возникло отчетливое радиоэхо. Оно приближалось со скоростью около 15 км!час. В тот момент, когда бриз проходил над головой, температура резко понижалась, а влажность возрастала. После тщательного анализа наблюдений Атлас пришел к выводу, что «ангел-эхо» морских бризов есть следствие градиентов показателя преломления воздуха.
      Подводя итоги вышесказанному, следует еще раз констатировать, что во многих случаях радиолокаторы, работающие на различных длинах волн, регистрировали эхо, приходящее от областей без облаков или других видимых объектов. Является также фактом то, что одна крупная птица, например морская чайка, может создать радиоэхо даже тогда, когда она находится более чем в 30 км от радиолокатора. При наличии стаи таких птиц, находящихся на расстоянии менее 800 м друг от друга, можно наблюдать линии радиоэхо в течение того времени, пока птицы освещаются лучом радиолокатора.
      Однако в некоторых случаях особенности конфигурации «ангел-эхо», время их существования, а также распределение и скорость движения свидетельствуют о том, что возникновение «ангел-эхо» не обусловлено птицами. Вероятно, в этих случаях радиоэхо создается в результате отражения электромагнитной энергии от областей атмосферы, где показатель преломления сильно меняется на малых расстояниях.
     
      ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
      НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
      С тех пор как радиолокация проникла в сферу наблюдений и прогноза погоды, исследователи, занимающиеся проблемами метеорологии, сконцентрировали свое внимание на разработке электронной техники, способствующей решению специфических задач.
      Блестящим примером нового применения электроники в метеорологических целях является радиолокационный индикатор кругового обзора постоянной высоты. При изучении мощных грозовых систем желательно знать распределение осадков на заданной высоте. При использовании обычного индикатора радиолокатора это сделать невозможно. Даже в том случае, когда антенна направлена горизонтально и вращается по кругу, вследствие кривизны земной поверхности очаги радиоэхо на разных расстояниях будут относиться к различным высотам.
      Решением задачи о наблюдении радиоэхо на постоянной высоте занялись исследователи Мак-Джилль-ского университета во главе с Маршаллом. Они разработали специальную аппаратуру, которая автоматически увеличивала ступенчатым образом угол возвышения антенны радиолокатора после каждого ее оборота, одновременно уменьшая расстояния, на которых исследовалось радиоэхо (рис. 35). Выбирая соответствующим образом интервалы ступенчатого увеличения угла возвышения и соответствующие интервалы уменьшения расстояния, можно получить серию колец радиоэхо, относящихся к одной и той же высоте. Далее эти кольцевые участки радиоэхо определенным образом комбинировали с помощью электронной схемы, в результате чего получили полную картину кругового обзора на заданной высоте. С помощью этой аппаратуры можно наблюдать картину радиоэхо на любой высоте, вплоть до 17 000 м. Наиболее характерным является уровень 3000 м, так как выше его обычно располагается большая часть облаков, лающих осадки.
      С помощью сети радиолокаторов, расположенных на расстоянии 150 — 300 км друг от друга и снабженных подобной аппаратурой, можно получить детальную картину шторма. Без аппаратуры для приведения радиоэхо к постоянным высотам зачастую трудно определить, являются ли наблюдаемые колебания интенсивности радиоэхо следствием изменения расстояния или же высоты. В Мак-Джилльском университете с помощью подобной аппаратуры были получены весьма важные сведения о распределении дождей и снежных бурь по площади. К сожалению, рассматриваемую аппаратуру, разработанную несколько лет назад, только сейчас начали широко использовать. Применение ее открывает огромные возможности в исследованиях большого круга вопросов, которые ранее не могли быть решены.
      Не менее важное значение имеет и другая идея, предложенная этой же группой исследователей в 1958 г.
      В предыдущих главах была показана важность измерения интенсивности радиоэхо. В этой связи описывался широко используемый метод получения двух контуров изоэхо на одном индикаторе кругового обзора. Дальнейшим развитием этого метода является способ представления интенсивности радиоэхо в виде «ступенчатой
      серой шкалы». Этим способом можно различать до пяти и более уровней интенсивности радиоэхо.
      Как известно, обычное радиоэхо дождя на индикаторе кругового обзора имеет яркостную отметку, цвет которой меняется от черного до почти белого. Изменение яркости от периферии радиоэхо к его центру происходит очень плавно. Радиоэхо, едва различимое на индикаторе, соответствует минимально обнаруживаемому сигналу.
      Наиболее яркая область радиоэхо, соответствующая «насыщению» индикатора, характеризует максимальный уровень сигнала, который может быть измерен. Для определения промежуточных уровней интенсивности можно использовать фотоденситометр, с помощью которого измеряется яркость свечения радиоэхо. Однако для того чтобы перевести единицы яркости изображения в единицы мощности, рассеиваемой дождем, необходимо знать чувствительность пленки к свечению экрана и провести ее тщательную градуировку. Эти трудности делают данный метод практически неприемлемым. Способ нанесения «ступенчатой серой шкалы» устраняет трудности градуировки системы. Вместо плавного изменения яркости радиоэхо используется только несколько его дискретных оттенков. Для градуировки системы в радиолокационный приемник вводится специальная калибрующая усилительная цепочка. Прокалиброванные по мощности оттенки яркости радиоэхо имеют вид, показанный на рис. 36. Каждому оттенку яркости соответствует вполне определенный уровень средней мощности. Такой способ дает возможность легко и быстро нанести контуры изоэхо на область отражений и выделить районы с большими градиентами интенсивности,
      Рис. 36. Картина радиоэхо на индикаторе кругового обзора, представленная методом «ступенчатой серой шкалы». Вместо плавного изменения яркости радиоэхо от черного цвета до белого имеет место ступенчатое изменение. Каждой ступени яркости соответствует определенная интенсивность радиоэхо. В результате можно построить контуры изоэхо.
      Новой аппаратурой, созданной в последнее время, является также специальный индикатор, позволяющий получить подробное распределение интенсивности радиоэхо в виде «профилей средней отражаемости» в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Схема данной аппаратуры была разработана Кесслером, работающим в Исследовательском авиационном центре Кембриджа. Аппаратура позволяет, например, получить вертикальный профиль средней интенсивности радиоэхо грозового облака. Это дает возможность непосредственно наблюдать как за высотами, на которых возникают максимальные интенсивности радиоэхо, так и за самой величиной интенсивности сигнала. Как уже указывалось выше, знание вертикальной протяженности грозового облака и максимальной интенсивности радиоэхо позволяет сделать вывод о наличии в таком облаке града. Индикатор Кесслера непосредственно дает подобные сведения. Он также позволяет более эффективно изучать процессы развития и распространения всех видов частиц осадков. Такие знания являются существенными для физики осадкообразования.
     
      ФОРМА ЧАСТИЦ
      В первых главах при рассмотрении процесса обратного рассеяния на водяных и ледяных частицах было сделано допущение об их сферичности. Однако известно, что многие виды частиц твердых осадков сильно отличаются от сфер. Например, ледяные кристаллы и снежинки по своей форме больше напоминают пластинки. Форма маленьких капель, как правило, близка к сфере, однако большие капли (с диаметром более 3 — 4 мм) отличаются от сфер: они сплюснуты. Обычно нижняя поверхность таких капель более плоская, в то время как верхняя — круглая.
      Мгновенные фотографии падающих больших капель показывают, что при падении капли испытывают колебательные движения вдоль вертикальной оси. В начале падения капля сплющивается, причем сплющивание про-" должается до тех пор, пока вертикальный размер капли не составит около одной четверти ее горизонтального размера. Затем она возвращается к первоначальной форме, снова становясь круглоц.
      Несколько исследователей, в том числе Атлас, Кер-кер и Хитчфельд, рассмотрели задачу о рассеянии волны на водяных и ледяных сфероидах, размеры которых много меньше длины волны радиолокатора.
      В общем случае беспорядочно ориентированные несферические водяные капли дают в среднем более сильный отраженный сигнал, чем сферические капли с такой же массой. Если же несферические частицы ориентированы, например, так, что их большие оси преимущественно одинаково направлены, отраженный сигнал может быть либо больше, либо меньше сигнала от сфер одинаковой с ними массы. Результаты зависят от характера электромагнитной волны, поэтому остановимся на этом вопросе более подробно.
      Как известно, электромагнитная волна создается текущим вдоль проводника электрическим током, который меняет во времени свою величину и направление движения. Движущиеся электрические заряды создают электрические и магнитные поля. Оба эти поля с частотой 1 движущегося тока попеременно то достигают максимальной величины, то доходят до минимума. Передающие антенны всех типов: и радиопередающие, и телевизионные, и радиолокационные — работают на принципе излучения электромагнитных волн. Выше мы уже описывали действие больших металлических отражателей, используемых в радиолокационных антеннах. Эти рефлекторы не создают электромагнитных волн. Напротив, они лишь фокусируют энергию, излучаемую маленькой антенной, в узкий луч. Проводник, являющийся излучателем электромагнитных волн, обычно помещается в фокусе металлического «зеркала». Длина этого проводника равна половине длины волны радиолокатора. Таким образом, антенна, состоящая из измерителя и большого металлического «зеркала», создает концентрированное в виде узкого луча электромагнитное поле, которое меняется с заданной частотой1. При распространении волн в пространстве расстояние между их максимумами остается равным длине радиоволны. Следует напомнить, что длина волны равна скорости света с, деленной на частоту f.
      Когда мы говорим об электрическом поле, то имеем в виду силовое поле, которое создается в области между двумя электрически заряженными телами. В антенне такое поле создается зарядами разных знаков, находя-
      щихся на противоположных концах проводника. О существовании сил электрического поля можно судить хотя бы по тому, что заряженное тело, помещенное в электрическое поле, начинает перемещаться определенным образом. Аналогичным образом мы определяем и силовое поле, называемое гравитационным. Если мы подбросим камень в воздух, то он упадет на землю вследствие наличия силы тяжести.
      Электрическое поле подобно гравитационному во многих отношениях. К сожалению, мы не имеем возможности видеть его, но можем установить его присутствие путем воздействия этого поля на заряженные тела.
      Магнитное поле создается вокруг проводника, по которому протекает электрический ток. О наличии магнитного поля можно судить по отклонению стрелки компаса вблизи проводника.
      Общее свойство всех полей: электрического, магнитного и гравитационного — состоит в том, что они создают силы, направленные определенным образом. Так, гравитация вызывает силу, направленную к центру Земли. Электрическое поле вызывает силы в направлении проводника, а магнитное — силы, перпендикулярные проводнику. Таким образом, направление сил взаимодействия в различных полях является их спецификой. Электромагнитная волна состоит из связанных между собой электрического и магнитного полей, направления которых, как показано на рис. 37, взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению движения волны.
      При рассмотрении процесса обратного рассеяния на несферических частицах, оси которых преимущественно ориентированы в одном направлении важно знать направление электрического поля. Если направление электрического поля совпадает с направлением больших осей частиц, отражение от них будет больше, чем от сфер равной им массы. Если же электрическое поле перпендикулярно большим осям, наблюдается обратное явление.
      Было найдено, что влияние формы менее существенно для твердых частиц, чем для жидких капель. В самом деле, для большинства метеорологических задач влияние формы частиц не играет существенной роли, «поэтому этим вопросом зачастую пренебрегают. Однако это допустимо не всегда.
      Так, для полного объяснения природы яркой полосы, описанной ранее, необходимо учитывать форму твердых частиц. Влияние формы частиц в этом случае весьма существенно из-за того, что яркая полоса возникает непосредственно под уровнем таяния. Хотя форма сухих твердых частиц и мало влияет на интенсивность радиоэхо, незначительное обводнение твердых частиц увеличивает их отражательную способность. Покрытые таким слоем воды, твердые частицы ведут себя подобно водяным каплям.
      Интересной особенностью несферических частиц является то, что при беспорядочной ориентации относительно радиолокационной антенны они вызывают изменение направления рассеянного электрического поля. Если, например, падающее электрическое поле было горизонтальным, то рассеянное поле может отклоняться от горизонтальной плоскости. Величина этого отклонения зависит от степени несферичности капель или твердых частиц.
      Для сфер рассеянное электрическое поле не меняет своего направления, в то время как для эллиптических частиц наблюдается отклонение, величина которого зависит от отношения больших осей частиц к их диаметрам.
      По изменению угла наклона направления электрического поля или, что более точно, по характеру вращения электрической компоненты электромагнитной волны можно установить форму рассеивающих частиц.
     
      ТУРБУЛЕНТНОСТЬ В ОБЛАКАХ
      Ранее при обсуждении вопроса об использовании радиолокации для измерения осадков было показано, что необходимо измерять среднюю отраженную мощность.
      Также указывалось, что отраженный сигнал непрерывно изменяется по величине вследствие движения капель. Некоторые исследователи, как, например, Флейер и Хитчфельд, изучили вопрос об использовании флуктуа-ционных характеристик сигналов для получения новой метеорологической информации. Они предположили, что если движение капель вызывает флуктуации сигнала, то возможно путем измерения этих флуктуаций получить данные о движениях частиц в облаках и осадках.
      Рассмотрим факторы, определяющие движение капель в облаках и осадках. Во-первых, это силы гравитации, под влиянием которых капли падают по направлению к земле со скоростями, возрастающими по мере увеличения диаметра капель. Во-вторых, это силы турбулентного перемешивания, которые заставляют капли двигаться беспорядочно и изменять свою вертикальную скорость. Следует заметить, что неустойчивое горизонтальное движение капель, обусловленное ветром, вызывает флуктуации радиолокационного сигнала. Однако этот эффект можно существенно уменьшить, если применять радиолокаторы с очень узким лучом.
      Флейшер с группой исследователей разработал устройство для автоматического измерения флуктуаций отраженных сигналов. На выходе прибора могли быть непосредственно получены данные об относительных скоростях турбулентного движения частиц. С помощью этого устройства было получено несколько интересных результатов о характере воздушных течений в штормах.
     
      НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕТРА
      Метеорологическое применение радиолокации началось с измерения ветра. Новый принцип предусматривал определение траектории движения радиолокационного отражателя, который подвешивался к шару-пилоту.
      В 1953 г. австралийские ученые Уорнер и Боуэн предложили новый метод определения ветра. Этот метод состоял в том, что с помощью мелких отражателей, выбрасываемых в атмосферу, создавались «облака» искусственных помех. Траектория таких помех по мере их медленного движения по направлению к земле определялась радиолокатором. В качестве радиолокационных
      отражателей были использованы связки небольших алюминиевых лент, длина которых равнялась примерно половине длины волны радиолокатора. Такие отражатели получили название пассивных помех. Во время второй мировой войны подобные отражатели широко употреблялись для создания радиолокационных помех, маскирующих самолеты. Когда связка таких лент выбрасывается из самолета и увлекается воздушным потоком, она распадается и засевает объем воздуха сотнями отражающих целей. На индикаторе такой объем создает радиоэхо подобно самолету. Когда летящий самолет выбрасывает в определенном порядке большое число таких связок, создаваемое ими на индикаторе радиоэхо напоминает картину отражений от целой эскадрильи самолетов. Такой прием маскировки и дезориентации широко использовался во время войны. Обычно скорость падения связок отражателей составляет не более 50 см!мин. Поэтому до момента их приземления проходит несколько десятков минут, в течение которых они успевают распространиться по большому объему воздуха, маскируя тем самым радиоэхо самолета. По мере падения алюминиевые ленты увлекаются в горизонтальном направлении ветром. Определяя их траектории, нетрудно вычислить скорость ветра на различных уровнях.
      Применение пассивных отражателей позволяет получить детальное распределение ветра на заданной высоте по большой территории. Для этой цели на одинаковой высоте выбрасывают в различных местах много связок лент и наблюдают за их движением на индикаторе кругового обзора. В последние годы использовался способ разбрасывания отражателей с помощью ракет, поднимающихся на большую высоту, чем обычные шары-пилоты.
     
      ЗАКЛЮЧЕНИЕ
      За последние годы метеорологи узнали много нового об облаках и осадках. Было раскрыто множество загадок гроз, торнадо и циклонов, чему немало способствовала радиолокация. Наряду с исследовательскими самолетами, которые производят измерения в свободной атмосфере, радиолокация дала в руки метеорологов новый вид наблюдений, позволяющих более эффективно описывать многие типы метеорологических ситуаций.
      Другое блестящее достижение последних 20 лет - -быстродействующие электронно-вычислительные устройства — позволило решить некоторые из сложнейших уравнений, которые описывают основные процессы в атмосфере и используются при прогнозе погоды. Таким образом, счетные устройства помогли решить проблемы, которые были полностью неразрешимы в 40-х годах.
      Наиболее важным событием в метеорологии за последние два десятилетия является расширение круга ком петентных исследователей, которые включились в изучение атмосферы. Известно, что успехи многих наук в значительной мере определяются квалификацией работающих в той или иной области лиц. В последние годы в связи с успешным запуском искусственных спутников Земли наука об атмосфере получила новые ценные данные. По мере того как современная наука и техника будут решать старые вопросы, жизнь будет выдвигать на повестку дня все новые и новые проблемы.
     
      РЕКОМЕНДУЕМАЯ РЕДАКТОРОМ ЛИТЕРАТУРА
      Баттан Л. Дж Радиолокационная метеорология Гидрометео-издат, Л , 1962
      Мейсон Б. Дж. Физика облаков. Гидрометеоиздат, Л, 1961.
      Нелепец В. С., Степаненко В Д. Радиолокационные методы метеорологических наблюдений. Гидрометеоиздат, Л., 1961.
      «Физика облаков». Под ред. А X Хргиана Гидрометеоиздат, Л., 1961.
      Шишкин Н С Облака, осадки и грозовое электричество. Гидрометеоиздат, Л., 1964.

|||||||||||||||||||||||||||||||||
Распознавание текста книги с изображений (OCR) — творческая студия БК-МТГК.

 

 

НА ГЛАВНУЮТЕКСТЫ КНИГ БКАУДИОКНИГИ БКПОЛИТ-ИНФОСОВЕТСКИЕ УЧЕБНИКИЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКАФОТО-ПИТЕРНАСТРОИ СЫТИНАРАДИОСПЕКТАКЛИКНИЖНАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ

 

Яндекс.Метрика


Творческая студия БК-МТГК 2001-3001 гг. karlov@bk.ru