Исследование пространственной структуры фронтальных облаков с помощью искусственных спутников Земли

Запусками искусственных спутников Земли, впервые начавшимися в нашей стране в 1957 г., открыта новая страница в исследовании атмосферы, в том числе в изучении облачности.

Современная сеть метеорологических станций расположена весьма неравномерно и не позволяет контролировать состояние облачности над всей нашей планетой. Более 70% поверхности земного шара покрыто океанами и морями, метеорологическая информация с которых поступает лишь на основании эпизодических корабельных наблюдений. Да и на поверхности суши имеются огромные малонаселенные районы, где сеть метеорологичических станций чрезвычайно редкая.

С помощью же нескольких искусственных спутников, оборудованных телевизионными камерами, имеется возможность проследить облачные поля над всем земным шаром. Первые шаги в использовании спутников для этих целей уже сделаны. Спутники передают информацию об облаках, туманах и других метеорологических явлениях над просматриваемой с них территорией.

Первый спутник для разведки погоды был запущен в феврале 1959 г. Обработать результаты этих наблюдений из-за несовершенства аппаратуры оказалось невозможным. Летом 1959 г. в США была запущена баллистическая ракета, имевшая на борту кинокамеру для фотографирования наземных объектов. Во время этого эксперимента с высот от 400 до 1100 км был заснят район Атлантического океана, составляющий примерно 720 часть земной поверхности. Были сфотографированы также и облачные поля. Сопоставление фотографий облаков с приземными синоптическими картами и картами барической топографии показало, что облачные системы связаны с циклонами, ложбинами, квазистационарными вихрями и тропической конвергентной зоной.

Фотоснимки позволили выявить облачные поля, обусловленные частными циклонами и шкваловыми линиями. Отчетливо выделялись фронтальные облачные системы. Были обнаружены также сравнительно мелкие детали в распределении облачности, такие, как очертания облаков в прибрежных районах и вблизи островов, их ориентировка по отношению к береговой черте и т. п.

Наиболее успешными были запуски спутников «Тайрос-I» и «Тайрос-II». Устройство этих спутников, системы носителей, параметры орбит и другие характеристики, а также основные аспекты практического и научного использования получаемой информации уже хорошо известны из работ К. Я. Кондратьева, В. П. Петрова и А. А. Сочивко, И. П. Ветлова, Векслера и др.

Запуски искусственных спутников открыли широкие перспективы использования их не только для исследования космического пространства, но и для решения метеорологических задач. Кроме телевизионного прослеживания облачности, с помощью искусственных спутников можно решать такие проблемы, как исследование радиационного баланса системы земная поверхность—атмосфера, изучение термической структуры и состава атмосферы, исследование облачности и осадков при помощи радиолокаторов, установленных на спутниках, изучение распределения Энергии в ультрафиолетовом спектре Солнца и др.

Таким образом, для исследования пространственной структуры облаков вообще и фронтальных облаков в частности создано новое мощное средство, которое в комплексе с наземным оборудованием позволяет вскрыть много новых особенностей облачных полей и выяснить причины, их обусловливающие.

Работы, выполненные в США и в нашей стране (К. Я. Кондратьев, В. Г. Болдырев, Н. Ф. Вельтищев, Д. М. Сонечкин и др.), показывают, что обработка информации об облачности, получаемой со спутников, весьма трудоемка и громоздка. Чтобы привести телевизионные изображения облачности к виду, удобному для синоптического анализа, требуется произвести привязку телевизионных снимков к местности и исправить искажения, которые возникают при фотографировании и телевизионном развертывании, а затем дешифрировать телевизионные изображения.

Дешифрирование телевизионных изображений облачности, их детальное изучение и истолкование можно произвести, например, по яркости изображения и по структуре изображения.

По структурным признакам могут быть выделены спирали плотной фронтальной облачности, связанной с тропическими циклонами и фронтальными зонами циклонов умеренных широт; полосы плотных фронтальных облаков на периферии циклонических образований; структуры с плотными облаками в центральных и с тонкими облаками в периферийных частях, связанные обычно с холодными фронтами и зонами межтропической конвергенции, и др.

На основании анализа фотоснимков выявлен ряд неизвестных ранее структурных свойств облачных полей в барических системах. Установлено, что крупномасштабные облачные системы вне- тропических циклонов весьма упорядочены аналогично облачным системам тропических циклонов. Для них характерна своеобразная спиралевидность размером до 1500 км и более. Вместе с тем облачные системы отражают конфигурацию конкретных циклонов, положение атмосферных фронтов, в связи с чем фотографии облачных полей являются дополнительным средством синоптического анализа. С помощью фотографий удалось обнаружить циклоны над акваториями в тех районах, ограниченная метеорологическая информация с которых не позволяла сделать это иными средствами.

Спиралевидные системы облачности внетропических и тропических циклонов имеют и ряд различий в пространственной структуре облаков. Облачные полосы во внетропических циклонах характеризуются меньшей организованностью, чем в тропических ураганах. Промежутки между облачными полосами определены менее четко или совсем отсутствуют в зависимости от того, как развиваются метеорологические процессы в тропосфере. Крупномасштабные облачные полосы расчленены на ряд более мелких полос, гряд, которые в свою очередь состоят из отдельных валов, гряд меньшего размера или из отдельных облаков.

Последовательные фотографии облачности со спутников позволяют не только выявлять фронтальные облачные системы, но и прослеживать их эволюцию в процессе возникновения и развития циклонов.

С помощью фотографий представляется возможность построить планетарные карты распределения облачности за определенный промежуток времени и исследовать пространственную структуру и эволюцию облачных полей над всем земным шаром. Данные таких карт могут быть исходным материалом для построения средних карт планетарного облачного покрова и регистрации значительных колебаний в распределении облаков.

Со спутника имеется возможность изучать такие сравнительно маломасштабные детали пространственного распределения облачных полей, как гряды и полосы кучевообразных облаков («облачные улицы»). С помощью узкопленочной камеры «Тайрос-I» с высоты 700 км были, например, сфотографированы гряды кучевых облаков, наблюдавшихся 1 апреля 1960 г. над Карибским морем. Изучение фотографий облаков позволило определить, что направление облачных гряд близко к направлению ветра в слое конвекции. Расстояние между грядами над нагретой частью почвы островов Куба, Б. Кайман и Пинос составляло от 4 до 8 км, а над морем увеличивалось в несколько раз. Горизонтальная протяженность облачных гряд над большими островами была соизмерима с длиной островов. По ориентировке облачных гряд («облачных улиц») можно определить направление ветра на высотах облаков. В настоящее время предпринимаются попытки определения струйных течений с помощью фотографий облачности.

Все эти данные имеют исключительное значение для метеорологического обеспечения авиации. Несомненно, что в ближайшие годы метеорологическая информация, получаемая со спутников, явится одним из важных средств синоптического анализа.

Ввиду того что исследования облаков с помощью спутников только начаты, пока еще не разрешен ряд вопросов. В частности, не найден удовлетворительный способ различения на фотографиях областей, занятых облаками, снегом и льдом. Требуется еще разработать достаточно надежные методы определения со спутников ярусов облачности, форм облаков, их высот и т. п.

Высота верхней границы облаков с определенной степенью точности может быть рассчитана, например, по полю уходящей радиации. Если предположить, что облака представляют собой абсолютно черную излучающую поверхность, и отождествить уровень излучения с высотой верхней границы облаков, то, переходя от радиации к температуре излучающей поверхности, можно по кривой стратификации определить, на каком уровне находится излучающая поверхность.

Рассчитанная высота является приблизительной, так как облака излучают не строго по закону излучения абсолютно черного тела: облачность нижнего яруса излучает около 96% излучения черного тела, среднего яруса — 92%, а верхнего яруса — 54%. Кроме того, поле уходящей радиации, измеряемой аппаратурой спутника, хотя и очень слабо, но поглощается водяным паром и озоном. Тем не менее расчеты показывают, что точность определения высоты верхней границы облаков по полю уходящего излучения примерно такая же, как и точность при определении ее по распределению по высоте удельной влажности и температуры.

Проблемой является передача и переработка метеоинформации. Размещение в дальнейшем на борту спутников специального оборудования по первичной обработке данных позволит уменьшить загрузку каналов связи. Еще большие возможности для исследования облачности открываются при применении для этих целей обитаемых космических кораблей. Об этом уже говорят полеты советских космонавтов.

По свидетельству Ю. А. Гагарина, наша планета с высоты 300 км выглядит примерно так же, как при полете на реактивном самолете на больших высотах. На фоне земной поверхности четко вырисовываются характерные детали рельефа. Видны также облачные поля, даже отдельные облака и тени от них.

На фотографиях Земли, снятых в космосе Г. С. Титовым [202, 203], хорошо видны облачные поля, их ленточная структура. Можно различить, что облачность многоярусная, видна вуалевидная пелена облаков, очевидно расположенных в верхнем ярусе. В пелене облаков намечаются определенные полосы.

Блестящие полеты космонавтов В. Ф. Быковского и В. В. Терешковой еще больше укрепляют уверенность в том, что перед наукой открываются огромные возможности.

Академик М. В. Келдыш на пресс-конференции 25 июня 1963 г. подчеркивал, что с каждым новым полетом человека в космос области научных исследований расширяются. Наряду с проведением других научных исследований открывается возможность наблюдения за облачным покровом Земли.

Комплексное использование космических средств и наземного оборудования позволит решить многие проблемы возникновения и эволюции фронтальных облачных систем.