Вопросы о погоде
Шрифт:
Такие исследования были осуществлены в 1976 году совместно советскими и американскими учеными в Тихом океане в эксперименте САМЭКС, в котором была использована микроволновая радиометрическая аппаратура на борту научно-исследовательского судна «Академик Королев» и на ИСЗ советской системы «Метеор» и американской системы «Нимбус». Получены интересные результаты, на основе которых были разработаны новые методы спутникового зондирования атмосферы и Мирового океана, облегчающие решение ряда важных задач современной гидрометеорологической науки.
10.8. На каких орбитах летают метеорологические спутники?
Обычная высота орбит современных метеорологических спутников около 900 км, форма орбит –
10.9. Для чего предназначены геостационарные спутники?
Геостационарные спутники предназначены для менее детального, но постоянного обзора земной поверхности. Вращаясь вместе с Землей с одной и той же угловой скоростью, они способны обеспечить наблюдение одного и того же очень большого участка земной поверхности, равного для каждого такого спутника площади поверхности целых континентов или океанов.
Это очень удобно для непрерывного слежения за эволюцией тропических циклонов и облачных систем в низких широтах в районах возможного зарождения тропических штормов; это также позволяет прослеживать линии шквалов над океанами и обнаруживать торнадо. С помощью геостационарных спутников можно следить за перемещением облаков и определять скорость и направление ветра на высоте облачности. При наличии спектральной аппаратуры на борту геостационарных спутников можно производить дистанционное зондирование атмосферы в слое между поверхностями 1-30 гПа, то есть на высотах 25-50 км, в стратосфере. Кроме того, на эти спутники предполагается возложить сбор данных с наземных автоматических станций и морских буев, количество которых, по проекту ВСП, достигнет со временем нескольких тысяч.
10.10. Какой скоростью передачи информации обладает блок радиоаппаратуры спутника?
Максимальная скорость передачи информации с борта ИСЗ составляет 125 кбит/с (тысяч единиц в секунду). Такая скорость передачи диктуется колоссальным объемом информации, собираемой спутниками. За сутки спутниковая система в состоянии выдать около 1011 бит информации. Колоссальная скорость передачи этой информации требует и соответствующей скорости ее обработки, достижимой только при полной ее автоматизации и использовании самых современных быстродействующих счетных машин.
10.11. Какую дополнительную метеорологическую информацию могут дать искусственные спутники Земли?
С помощью искусственных спутников Земли можно получить много дополнительной информации, как над малонаселенными участками суши, так и над густонаселенными. В частности, ИСЗ весьма оперативно обеспечивают получение данных о границе снежного покрова и всех ее изменениях, об облачности атмосферных фронтов и циклонов, дополняя и уточняя данные сети метеорологических станций там, где густота ее недостаточна. Очень существенна получаемая с ИСЗ информация о дымовых облаках над промышленными районами и над лесными массивами, возникающих в результате индустриальных загрязнений воздуха и лесных пожаров. В ряде случаев облака загрязнений над промышленными центрами не фиксируются обычными наземными метеорологическими наблюдениями, проводимыми в приземном слое атмосферы, а на снимках со спутников они отчетливо видны, как видны и их перемещение, особенности структуры и другие характеристики, позволяющие судить о концентрации загрязнений и высоте их распространения.
10.12. Каким образом с помощью спутников можно наблюдать за очагами загрязнения земной атмосферы?
Некоторые виды атмосферных загрязнений можно наблюдать непосредственно с борта ИСЗ, но более эффективным является фотографирование земной поверхности в сочетании с анализом телевизионных изображений местности. Съемка в различных спектральных интервалах (0,4-0,5, 0,6-0,7 и 10,5 – 12 мкм) и в особенности цветное фотографирование обеспечивают получение максимума информации не только о самих загрязнениях, но и об их влиянии на растительный покров. При анализе таких изображений удается различать дымовые облака и обычные, загрязнения индустриальные и связанные с лесными пожарами, а также вызванные извержениями вулканов.
10.13. Что представляют собой очаги лесных пожаров на снимках с ИСЗ?
Лесные пожары фиксируются спутниками как шлейфы дымовых облаков в форме конусов. В августе 1972 года на снимках можно было видеть шлейфы длиной от 75 до 400 км – это горели леса в Восточной Европе. В отдельные дни одновременно фиксировалось до 40 очагов.
10.14. Как выглядят из космоса промышленные загрязнения атмосферы?
Дымовые шлейфы от заводов, морских судов и пятна дымки промышленных загрязнений могут отчетливо видеть космонавты, но систематическое их изучение возможно только по космическим снимкам, на которых четко фиксируются все очаги загрязнений вплоть до конденсационных следов, возникающих за пролетающими самолетами. Для изучения антропогенных загрязнений воздуха требуется специальная съемочная аппаратура, обладающая высокой разрешающей способностью, то есть фиксирующая все детали размером 100 м и более. Так, по изображениям, полученным с борта орбитальной станции «Салют-4» в июне 1975 года, прослеживались дымовые полосы от ГРЭС г. Ермак Павлодарской области, имевшие длину от 30 до 50 км; со спутника «Лэндсат-1» над оз. Онтарио путем многоспектральной съемки были обнаружены дымовые шлейфы промышленного центра г. Сэдбери, протянувшиеся на 70 км. Над крупными городами снимки с ИСЗ фиксируют облака загрязнений, смещенные относительно городской территории в направлении воздушных потоков в нижней тропосфере в момент фотографирования. На рис. 56 показана карта-схема загрязнения над Москвой и вертикальный профиль температуры днем 23 февраля 1976 года по данным 18-го ИСЗ «Метеор», а на рис. 57 – дымовое загрязнение атмосферы и выпадение городских загрязнений в районе Ленинграда 26 марта 1973 года. Промышленные загрязнения в районе Ленинграда, как видно на рисунке, распространились двумя полосами к югу и к юго-западу от города; ширина одной полосы 50-60 км, а другой – 15-20 км, длина каждой из них превышает 60 км. (Так бывает при неодинаковом направлении ветра на разных высотах.)
10.15. Какие ИСЗ наиболее эффективны для изучения загрязнения атмосферного воздуха?
Это зависит от программы исследований. Так, для изучения загрязнения в планетарном и региональном масштабах (так называемых мега- и макромасштабах) удобны геостационарные спутники, которые как бы неподвижно висят над экватором или ближайшими к нему широтами на очень большой высоте, а также обычные метеорологические спутники, летающие на орбитах высотой 900-1200 км и имеющие ТВ-аппаратуру; для детального исследования локального (мезомасштабного) загрязнения более подходят специальные ИСЗ изучения природных ресурсов, оснащенные аппаратурой очень высокой разрешающей способности, типа «Лэндсат».
10.16. Каковы особенности погоды в свободной атмосфере?
Как показали исследования, выполненные с помощью ракет, спутников и других средств зондирования атмосферы, на высотах, в свободной атмосфере, метеорологические условия несколько иные, чем у земной поверхности. Во-первых, там менее значительны колебания температуры воздуха, поскольку с высотой уменьшается влияние подстилающей поверхности и всех ее неоднородностей. Сама температура воздуха в свободной атмосфере ниже, чем у земли. Во всем нижнем слое атмосферы, называемом тропосферой, она понижается в среднем примерно на 6 – 7° C на каждый километр высоты. Толщина этого слоя может колебаться в зависимости от географической широты места и характера происходящих атмосферных процессов от 7 до 18 км. Выше тропосферы примерно до высоты 51 км находится второй атмосферный слой – стратосфера. Между тропосферой и стратосферой несколько сот метров переходного, или промежуточного слоя, называемого тропопаузой. На тропопаузе температура может быть от -45 до -80°C, причем с высотой она перестает понижаться и даже наоборот – немного возрастает или остается неизменной; в стратосфере она также с высотой сперва меняется очень незначительно, а затем начинает повышаться, приближаясь на ее верхней границе к 0°C. Во-вторых, в свободной атмосфере воздушные течения меньше искажаются рельефом местности и могут достигать больших скоростей, образуя так называемые струйные течения. В-третьих, там нет некоторых специфических приземных метеорологических явлений, а сама погода резко делится на два типа – внеоблачную, так сказать в ясном небе, и в облаках. Есть в свободной атмосфере и свои специфические явления погоды, такие, как турбулентность при ясном небе (ТЯН), стратосферные потепления, стратосферные облака вулканической пыли и другие.