На протяжении многих десятилетий составлять точные прогнозы погоды помогают радиозонды – устройства для измерения различных параметров атмосферы. Первый в мире радиозонд отправился в свободный полет 30 января 1930 года. И произошло это важнейшее в истории метеорологии событие у нас в стране, с территории Аэрологической обсерватории под Ленинградом.
С тех пор сам радиозонд и метод зондирования атмосферы претерпели большие изменения – прибор весом около двух килограммов превратился в миниатюрное устройство легче 200 грамм, которое работает совместно со спутниками. Сегодня подобные цифровые системы радиозондирования у нас в стране разрабатывает КРЭТ, входящий в Ростех. Концерн является одним из крупнейших поставщиков для аэрологической сети Росгидромета.
Пионер в исследовании атмосферы
Радиозонд и метод его использования для исследования атмосферы изобрел выдающийся советский ученый-аэролог Павел Александрович Молчанов. Первый запуск устройства состоялся 30 января 1930 года с территории Аэрологической обсерватории в Павловске. На высоте почти 8 км устройство зарегистрировало температуру минус 40,7 °С. Спустя 32 минуты после запуска Ленинградское бюро погоды и Московский центральный институт прогнозов погоды получили первое в мире аэрологическое сообщение.
Уже через год радиозонд Молчанова применялся в аэрологических наблюдениях в Арктике. В 1931 году был организован полярный перелет на дирижабле «Граф Цеппелин» из Германии через Ленинград, Землю Франца-Иосифа, Северную Землю, Новую Землю и обратно в Германию. К участию в экспедиции был приглашен сам Павел Молчанов, который обеспечил запуск 12 радиозондов с борта дирижабля для исследования стратосферы.
1931 год. Встреча на дирижабле «Граф Цеппелин». Слева направо: д-р Людвиг Коль-Ларсен, профессор П.А. Молчанов и фон Шиллер.
Конструкция радиозонда Молчанова, надежная и эффективная благодаря своей простоте, стала прототипом всех последующих моделей. Принцип работы заключался в следующем. Маленький аэростат в форме шара объемом 5 куб. метров наполняется водородом. К этому аэростату подвешивают изобретенный Павлом Молчановым коротковолновый радиоаппарат, который, подымаясь на высоту, передает соответствующие сигналы для их дальнейшей обработки.
Сигналы на земле принимались на простейший приемник. Основу радиозонда составляла система кодирования сигналов. На секциях гребенок с прямоугольными зубцами перемещаются стрелки, управляемые датчиками. Когда стрелка переходит с одного зубца на другой, меняется сигнал радиозонда. Следует отметить, что точность первых приборов практически не отличалась от современных радиозондов.
Серийное производство радиозондов было начато в 1935 году в Ленинграде. Совершенная конструкция, точность измерений и дешевизна позволили эксплуатировать первую модель вплоть до 1958 года без каких-либо существенных изменений.
Применение радиозондов позволило создать оперативную аэрологическую сеть и новый метод анализа атмосферных процессов, что стало основой прогнозирования погоды. В наши дни организовано систематическое радиозондирование атмосферы. Сотни радиозондов в различных уголках планеты поднимаются на высоту до 35-50 км дважды в день – в 00:00 и 12:00 мирового времени.
Как это работает: тогда и сейчас
Сегодня, как и 89 лет назад, радиозонд работает по тому же общему принципу. В свободный полет запускается гелиевый шарик. К нему крепится радиозонд, который оборудован приемником навигационных сигналов, а также датчиками температуры и влажности. Шар поднимается в небо, а затем передает на базовую станцию сигналы.
Конечно, благодаря развитию радиоэлектроники, конструкция была усовершенствована. Сам радиозонд из прибора весом около двух килограммов превратился в миниатюрное устройство примерно в 250 грамм. Теперь новые материалы позволяют ему подниматься на большие высоты – 40-50 км.
Современным радиозондам не страшны экстремальные температуры: от минус 90 до плюс 50 °С. Новые батареи даже при таких условиях обеспечивают непрерывную работу радиозонда до нескольких часов.
Теперь с помощью радиозондов можно измерить не только температуру, влажность воздуха, скорость и направление ветра, а также определить такие специальные параметры, как концентрация озона или, например, радиация. Но все же главное отличие современного радиозондирования атмосферы – то, каким образом эта информация передается.
С появлением радиолокационных устройств стало возможным определять положение зонда с помощью радара. Так появились системы радиозондирования, основанные на радиолокационном принципе определения координат. Радиозонд работает в системе с радиолокационной станцией (РЛС), которая облучает зонд, а затем ответный сигнал улавливается радаром. По угловым координатам и времени ответа на отправленный сигнал определяется положение шара в пространстве. Это и определяет профиль метеорологических величин: температура, влажность, давление, показатель которого вычисляется по высоте и значению температуры по барометрической формуле. В мировой практике этот способ получил название угломерно-дальномерный метод.
В настоящее время во многих странах мира используются спутниковые навигационные системы зондирования или разностно-дальномерный метод.
Инновационный «Полюс»
Новейшие радиозонды используют системы позиционирования (ГЛОНАСС, GPS и др.). Сегодня Росгидромет переходит на подобные системы зондирования нового поколения. В частности, в работе применяются цифровые системы радиозондирования «Полюс» разработки КРЭТ. Комплекс состоит из наземной базовой станции слежения (БС) и запускаемого в свободный полет радиозонда МРЗ-Н1.
«Полюс» предназначен не только для получения метеорологической информации, такой как температура, влажность, давление, но и для измерения радиации, уровня промышленных выбросов, также он предупреждает о природных и техногенных катастрофах. Полученные данные, в частности, помогают прогнозировать изменения климата в глобальном масштабе.
Разрабатывается вариант «Полюса» для космических программ. С 2013 года осуществляются серийные поставки навигационных радиозондов МРЗ-Н1 на космодром Байконур. Также предприятие КРЭТ – АО «Радий» – принимает участие в разработке и оснащении метеорологической инфраструктуры космодрома Восточный.
Система «Полюс» может успешно применяться в сложных климатических условиях, в местах с неблагоприятным для радиолокационных станций рельефом местности, на подвижных платформах, а также в мобильном режиме, в частности в полярных экспедициях на дрейфующих льдах Арктики и Антарктики.
