4. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ПОЛЁТЫ
Измерения, которые может сделать наблюдатель метеостанции, свидетельствуют о состоянии воздуха только вблизи земной поверхности. Но воздух всё время перемешивается. На смену приземному слою приходит воздух из более высоких слоёв, а воздух, омывавший поверхность Земли, поднимается вверх. Поэтому предсказания погоды, основанные исключительно на наземных измерениях, не отличаются большой точностью. Великий русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев неоднократно указывал на необходимость изучать верхние слои атмосферы, для того чтобы сделать более совершенной Службу погоды. Он писал: «Там лаборатория погоды, там образуются облака, там они движутся и там редко помещаются измерительные приборы».
Теперь за состоянием воздуха на различных высотах следят аэрологи. Они регулярно производят метеорологические наблюдения до высоты 10–15 посылая в атмосферу приборы-самописцы и поднимаясь сами на самолётах и аэростатах.
В настоящее время значительно чаще приборы поднимаются без людей, но полёты с наблюдателем и сейчас используются как надёжное средство наиболее полного и всестороннего изучения атмосферы.
Как высоко может подняться человек со своими приборами? Какие аппараты для подъёма он может использовать?
Аэростат и стратостат. В 1731 году житель Рязани Крякутной сделал шарообразный мешок, наполнил его дымом и поднялся в воздух. Как повествует летопись, шар Крякутного поднялся «выше берёзы». Это был первый в мире полёт человека на аппарате легче воздуха.
Шар Крякутного поднялся потому, что наполнявший его тёплый дым был легче воздуха. Но дым скоро охлаждается, и подъёмная сила шара исчезает. Поэтому для подъёма человека в воздух стали применять шары, наполненные лёгким газом, обычно водородом. Такие аппараты называются аэростатами. С аэростатом связано начало штурма неба — попыток завоевания воздушного океана. Первый полёт аэростата с научной целью был организован в России Академией наук в 1804 году. Его совершил академик Я. Д. Захаров. Он так писал о цели своего полёта: «Главный предмет сего путешествия состоял в том, чтобы узнать с большей точностью о физическом состоянии атмосферы и о составляющих её частях в разных определённых возвышениях оной».
Захаров взял с собой в полёт сосуды для проб воздуха, барометр, термометры, компас и другие приборы. Подъём аэростата состоялся в Петербурге, полёт продолжался около 4 часов. Наибольшая высота, достигнутая аэростатом, составила 2480 метров.
В воздухе Захаров произвёл много интересных наблюдений, проследил, как изменялась температура воздуха с изменением высоты полёта, установил, что направление ветра на разных высотах неодинаково. Во время полёта были взяты пробы воздуха на различных высотах.
В 1868–1873 годах подобные полёты были организованы академиком М. А. Рыкачёвым.
Несколько позднее систематические полёты на аэростатах с целью изучения атмосферы организовал один из пионеров русской аэрологии М. М. Поморцев. Он собрал ценный материал об изменении температуры и влажности с увеличением высоты и в 1891 году подверг этот материал серьёзной научной обработке. М. М. Поморцев сделал одну из первых попыток применить сведения, полученные при полётах, к решению задач о предсказании погоды.
Д. И. Менделеев упорно доказывал необходимость исследовательских полётов. «Для ползающих на дне морском, — говорил он, — неведомы бури поверхности; так же и нам почти неизвестны явления, в верхних слоях атмосферы происходящие».
Менделеев критически изучил и обработал данные, полученные об атмосфере другими исследователями, и пришёл к выводу, что температура воздуха не непрерывно уменьшается с поднятием на высоту. В верхних слоях падение температуры замедляется. Поэтому Менделеев предположил, что на некоторой высоте падение температуры прекращается, и в верхних слоях она постоянна.
В 1901 году это предположение Менделеева блестяще подтвердилось. Многочисленными исследованиями было установлено, что на высоте 9—17 километров (в зависимости от географической широты) падение температуры с высотой прекращается, и в более высоких слоях температура становится постоянной.
Нижний слой воздуха, в котором температура с высотой уменьшается, называется тропосферой. В тропосфере воздух перемешивается как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Именно в этом слое разыгрываются явления погоды: образуются облака и туманы, выпадают осадки, возникают грозы.
Наибольшая высота тропосферы у экватора (17 километров), наименьшая — у полюсов (9 километров). У экватора поверхность Земли имеет наибольшую температуру. Это обеспечивает прогревание и перемешивание воздуха до больших высот, чем над другими участками земной поверхности.