50  лет Ракетному метеорологическому зондированию атмосферы

 

« ...В качестве исследователя атмосферы    предлагаю реактивный прибор...»     

К.Э.Циолковский,1903 г.

 

В 1948 г. в  Центральной  аэрологической обсерватории (ЦАО)  (г. Долгопрудный  Московской  области)  была  создана лаборатория   N1   для   исследования   стратосферы с помощью воздухоплавательной техники, а вскоре и Отдел  стратосферных  исследований.  В  1964  г.  начальник  этого отдела профессор физфака МГУ Е.Г.Швидковский стал директором ЦАО, а начальником Отдела  стратосферных  исследований -   Г.А.Кокин,  возглавляющий отдел физики  высоких слоев атмосферы до настоящего времени.

                         В 1948 г. вышло Постановление Правительства СССР,  согласно

которому СКБ академика  А.Д.Надирадзе разработало за три года   ракетный   комплекс   МР-1,   а НИИ  парашютно-десантных  средств   под  руководством  О.И.Волкова разработало специальные грузовые парашюты для спасения головных  частей   и двигательных установок ракеты МР-1 (вес 600 кг) с  высотой подъема 90 км. Конструкторский талант А.М.Касаткина и глубокие теоретические  и  практические знания его молодых коллег – выпускников  физфака МГУ М.Н.Изакова,  Г.А.Кокина и других позволили создать блок датчиков малоинерционных термометров и манометров. Таким образом, впервые в мире был применен прямой метод измерения    температуры    воздуха    при    сверхзвуковом полете метеорологической  ракеты  (американцы  до  этого  использовали данные  измерений  давления  и  по  ним  рассчитывали  температуру).

В  1952-59 гг. на станции  «Волгоград»  (Капустин  Яр)  было  проведено несколько  десятков  успешных  запусков  МР-1,  накоплен  значительный  материал о профилях температуры,  давления и плотности воздуха  до  высоты 80  км  и  ветра  до высоты 60 км,  что позволило создать в 1962 г.  стандартную атмосферу СА-64.  Отметим,  что  парашют  головной  части  на  нисходящей  ветви  траектории гасил  сверхзвуковую скорость на высоте около 60 км и по его дрейфу (с учетом инерции)  определялись  скорость  и  направление ветра.  Прослеживание ракеты и головной части  осуществлялось  с  помощью  базисной  системы кинотеодолитов.  В   дальнейшем   для  траекторных измерений  стал использоваться  радиолокационный  активный  метод. В 1956 г. теория и первые результаты этого пионерского метода были опубликованы в журнале «Метеорология и гидрология», а в октябре 1957 г.  в Вашингтоне сразу   после запуска первого спутника на Международной конференции по космическим  исследованиям  А.М.Касаткин сделал научный доклад о   ракетном метеорологическом зондировании в СССР. Зарубежных ученых поразило все: и прямой метод измерения температуры, считавшийся невозможным для таких скоростей,  и запуск ракеты по такой траектории, что головная часть на парашюте возвращалась как бумеранг практически к  месту старта,  и спасение двигателей  ракеты  также  на  парашюте  для повторного   использования   и   возможность  использования  ракетного  комплекса на корабле в любой точке Мирового океана.  В   1957  г.  на  базе  ракеты  боевого  применения  был введен в строй  комплекс малой метеорологической ракеты (главный конструктор  Д.Д.Севрук)  с  высотой  подъема  ракеты  до 50 км. (ММР-05). А 31 декабря 1957 г. на траверзе только что открытой советской антарктической станции  «Мирный»  впервые  в  мире  с  борта  корабля  (д/э  «Обь»)  был  осуществлен  успешный запуск  метеоракеты ММР-05.  Тем самым заметно расширился вклад СССР в выполнение  научных программ МГГ и Международного Года спокойного Солнца. В 1959 г. этими  комплексами   были   оснащены   научно-исследовательские суда Гидрометслужбы «Воейков» и «Шокальский». В 1962 г. по инициативе академика Е.К.Федорова вышло  Постановление  Правительства  СССР о  разработке трех новых ракетных комплексов  на  базе пороховых  двигателей  с  высотами  подъема 60  (ММР-06), 90-100 (М-100) и 150-180 км (МР-12), и об оборудовании этими комплексами новых научно-исследовательских судов, о строительстве новых станций  и  соответствующей  инфраструктуры. Таким образом, в 1970-80 годы в Восточном полушарии  практически  от Северного  до Южного полюса была создана уникальная сеть из 10 станций ракетного  зондирования  и   10   научно-исследовательских кораблей, оснащенных ракетными комплексами. Организационно-техническое и  методическое  руководство работой ракетной сети станций осуществляла ЦАО. Первичные   данные пусков   по  радиотелетайпным каналам поступали в ЦАО, где осуществлялась вторичная обработка данных. Затем окончательные данные оперативно передавались в  Гидрометцентр СССР,  в Всемирную метеорологическую организацию,  а  в  виде  бюллетеней  ракетного  зондирования  атмосферы и высотных  карт  барической топографии – всем заинтересованным организациям как внутри страны,  так и за рубежом.  В связи с уничтожением  СССР  и  всего  социалистического  лагеря  и  резким сокращением  финансирования  сеть ракетных станций была ликвидирована,  с большим трудом удалось сохранить лишь станцию «Волгоград» в Капустином Яре.

Установление единой шкалы измерений (путем проведения сравнений с данными западных коллег) позволило рассмотреть всю базу накопленной информации о термодинамических параметрах и ветре с единых  позиций общей циркуляции средней атмосферы и создать по  данным  ракет  М-100Б  первую  глобальную незональную модель средней атмосферы.  Данные стандартного (по температуре,  давлению, плотности, ветру) зондирования легли  в основу  Международных  справочных  атмосфер  Международного  комитета  по  космическим  исследованиям  (КОСПАР)   и Международной  организации стандартизации.    

   Ракетное зондирование являлось также важным элементом  обеспечения испытаний высотных летательных аппаратов,  а накопленный массив данных  был использован для  проведения  исследований  структуры,  движений  и  состава  средней атмосферы.  Характерный пример. Советский Союз  реализовывал  программу  освоения  Луны  (в  т.ч.  и  высадки  там  человека). Возвращение   аппарата  лунного  модуля  в  отличие  от  американского  варианта прямой посадки в Тихом океане должно  было  состоять  из  2-х  этапов:  вначале  вход в атмосферу в экваториальной области Индийского океана,  торможение до 1-й космической скорости,  выход  из  атмосферы и  окончательный вход в атмосферу с посадкой в Казахстане по  стандартному варианту корабля-спутника.  На ЦАО (совместно  с  НИИ-88, Подлипки),   было возложено обеспечение данными о плотности и температуре  атмосферы  в  районе  первого  входа,  и  в 1966-68 гг. «Воейков» и «Шокальский» регулярно совершали рейсы с ракетным зондированием в заданные районы Индийского океана.

 Одним из  важнейших научных открытий по многолетним ракетным пускам    было  установление  по  данным  ракет  М-100 отрицательного тренда  температуры в стратомезосфере. Важными результатами анализа многолетних наблюдений температуры средней атмосферы было выявление 11-летней периодичности, связанной с активностью Солнца.

После принятия Венской Конвенции и Монреальского Протокола об охране озонового слоя исследования средней атмосферы иозоносферы  с помощью ракет, начатые в МГУ под руководством Г.И. Кузнецова и в ЦАО заметно активизировались. Исследовательские, методические и конструкторские  работы по созданию специализированных головных частей ракет с контактными (хемилюминесцентными)  анализаторами  озона  начались  в ЦАО еще  в  конце  1960 гг. и завершились созданием целого семейства уникальных средств измерений вертикального распределения  концентрации озона и атомарного кислорода. Еще раньше в ЦАО  были  разработаны   под руководством Г.И.Кузнецова и А.Ф.Чижова,  оптические (фильтровые) озонометры с использованием Солнца в качестве источника хорошо  поглощаемого  (и, следовательно, легко измеряемого) озоном солнечного ультрафиолета.

Комплексное применение  стандартных  и  экспериментальных ракетных  пусков  для  измерения  вертикальных  распределений  термодинамических параметров,  озона,  водяного пара,  окиси азота, электронной и ионной концентрации и аэрозоля в различных регионах земного шара в  различные  сезоны  и  при  различных  гелио-  и  геофизических условиях привело к  созданию необходимой базы данных для анализа физических  механизмов  и построения  теоретических и эмпирических моделей атмосферных процессов.  Найденные особенности  фотоактивного  слоя  озоносферы   позволили  решить  обратную   задачу, т.е. определить  концентрацию  окислов водорода и водяного пара в мезосфере  (50-80 км);  окислов азота и атомарного хлора  в  верхней  стратосфере  (35-50 км);  установить прямое влияние активности Солнца на состав,  а,  следовательно,  и на температуру слоя 45-55 км, (где  влияние  суточных  вариаций  определяющих равновесие  озона  факторов  минимально) в т.ч. влияние долговременных вариаций (циклов) солнечной активности. В результате решения обратных задач были созданы полуэмпирические  глобальные зональные  модели  содержания  водяного  пара  в  мезосфере  вариации водяного пара и окислов азота на  высотах 40-50  км  в  средних  широтах  и  произведена  оценка  суммарных  величин окислов азота и  хлора в тропических и   во  внетропических  широтах  с  учетом  сезонного  хода.  Кроме этого были проведены оценки  вариаций  озоноактивной (диссоциирующей  кислород  в  мезосфере  и стратосфере) потоков ультрафиолетовой радиации Солнца,  показавшая более реальные величины их 11-летних вариаций УФ,  чем  предполагалось  ранее.

Наши данные в широтной зоне 50 ю.ш. – 50 с.ш. впервые были подтверждены прямыми наблюдениями аппаратурой CRISTA в ноябре 1994 г: максимальное расхождение (20%) было для высот 52-56 км, а выше – порядка или менее 10%, а главное совпали широтные градиенты в обоих полушариях!

По данным этой  модели  в  экваториальных  широтах  (10 град.  с.ш.  - 10 град.  ю.ш.)  впервые были  четко  прослежены  полугодовая  и  годовая  гармоники  в  содержании водяного пара в мезосфере.    На основе полученных  результатов, а также результатов по  наблюдениям волн Кельвина  в  ракетных  экспериментах было дано физическое объяснение необычайно  редкому  явлению  в  климатологии - серебристых (мезосферных) облаков в  тропической  зоне. Серебристые облака  наблюдались  нашими  космонавтами В.В.Коваленком и В.А.Савиных с  орбитальной  станции  «Салют»  в апреле-мае 1981  г.  При  этом  использованы   результаты описанной выше   модели   водяного пара  для  мезосферы, наблюдений экваториальных волн и приливных колебаний  температуры  с  помощью  ракет  и уникального международного космического эксперимента CRISTA (CRiogenic Spectrometers - Telescopes for the Atmosphere), проведенного в ноябре 1994 и августе 1997 годов. Учитывая долговременные отрицательные тренды температуры и долговременные положительные тренды водяного пара в верхней мезосфере и нижней термосфере,  следует  ожидать более частое появление таких облаков над  тропической и экваториальной зоной.

В рамках  выполнения  международной  программы DYANA (Dynamics Adapted Network for the Atmosphere) и как часть очередного, третьего, озонного советско-индийского комплексного эксперимента с 15 января по 7 июня 1990 г. были проведены ракетные (70 пусков М-100Б), баллонные (несколько сот радиозондов с экспериментальной и стандартной аппаратурой) и наземные наблюдения на станции «Тумба», индийских аэрологических и озонометрических станциях и с борта научно-исследовательского судна «Академик  Ширшов» в экваториальной  области Индийского  океана. Глобальные наблюдения динамики атмосферы до 100 км со станций в 25 странах, координировались по единой программе профессором Д.Офферманом из Университета города Вупперталь, Германия и осуществлялись учеными около 100 исследовательских групп. Результаты этой уникальной кампании по исследованию динамики можно суммировать следующим образом. Впервые  определены  основные характеристики приливных колебаний температуры и ветра в экваториальной атмосфере, их воздействие на колебания озонового слоя,  распространение и отражение внутренних гравитационных  и экваториальных  планетарных  волн  и климатическую изменчивость атмосферы.  Впервые были определены  характеристики  короткопериодных  колебаний общего содержания озона  и его вертикального распределения  в экваториальной области и установлена их связь с внутренними гравитационными волнами, приливами и изменением  солнечной активности. Полученные результаты наземных наблюдений суточных вариаций общего содержания озона позволили правильно составить программу ракетных пусков в суточной серии  и подтвердить достоверность наземных наблюдений.

Тропическая часть  Индийского  океана  с  1970  г. стала советским регионом интенсивных ракетных наблюдений («Академик Ширшов» 1970-71 гг. в рамках программы  ЦАО «Стратомезосфера» с участием 6 НИС в Тихом и  Индийском океанах).  В экваториальной части Индийского океана были проведены пуски ракет с оптическими приборами для определения профилей озона и аэрозоля  в  рамках международной   программы «Муссон-79»  («Академик Ширшов», 1979 г.), ежедневные пуски  ракет по национальной программе «Вертикаль» (1983-84гг.) по проблеме «КДК,  Солнце,  прогноз»; рейс  «Ширшова» 1990 г. с суточными сериями по  6-7  ракет  для  исследованияатмосферных приливов в рамках международного проекта «DYANA»

 Основные научные результаты были достигнуты  в  следующих  направлениях: - зимние  страто-мезосферные потепления и внутрисезонные перестройки циркуляции,  их морфология, динамика, температурный режим, связь с глобальными процессами (планетарные  стратосферные  ложбины  и антициклоны), влияние солнечной    активности (И.В.Бугаева, В.И.Бекорюков, Г.А.Кокин, А.А.Петров, Л.А.Рязанова, К.Е.Сперанский); - структура термодинамических полей и колебания (от минутных до лет) экваториальной и тропической озоносферы  и  средней  атмосферы (А.М.Боровиков,  Г.И.Голышев,  И.В.Бугаева,  Г.А.Кокин,  Г.И.Кузнецов, Е.В.Лысенко, Л.С.Минюшина, С.П.Перов, Л.А.Рязанова, А.Ф.Чижов);- взаимодействие нижней и средней  атмосферы с формированием энергетически потоков вверх, широтная зависимость волновых возмущений в зимний период (С.С.Гайгеров, В.Г.Кидиярова, Д.А.Тарасенко, И.А.Щерба); - структура  термодинамических полей Южного полушария (Ю.П.Кошельков)  и  систематические   наблюдения   весенней озоновой аномалии («дыры») в Антарктиде, глубина которой зависит от развития Австралийского антициклона (И.Н.Иванова, Г.А.Кокин, С.П.Перов,  О.В.Штырков, А.Ф.Чижов); -  в результате измерений на стандартных ракетах электронной концентрации в D-слое ионосферы была создана уникальная база данных и проведен ее многосторонний анализ (Г.А.Кокин, С.В.Пахомов, А.А.Ястребов, Л.А.Ванина-Дарт).

Уникальный экспериментальный материал по ракетным корабельным данным и более поздним спутниковым наблюдениям позволил оценить энергетику волновых процессов в тропической средней атмосфере (Добрышман, Макарова, 2004).

 Бытует мнение,  что  метод  ракетных зондирований для атмосферы устарел и ныне главный метод - это орбитальные  наблюдения.  Это  глубокое заблуждение,  которому  уже  без малого 20 лет,  опровергнуто анализом огромного  объема измерений со  спутников: необходим реперный (подспутниковый) метод для проверки и внесения корректив в методику дистанционных методов.  Детальную информацию о малых  пространственных масштабах  сложных физико-химических явлений могут дать именно ракетные, особенно контактные методы. Ярким примером были запуски трех ракет с о.Уоллопс во время измерений лимбовым методом вертикальной структуры атмосферы в период прохождения спутника с аппаратурой CRISTA; при этом три ракетных зонда на спускаемых парашютах находились в различных точках (в т.ч. и по высоте) анализируемого объема атмосферы 100х100х250 км. Вот-вот будет запущен огромный и дорогостоящий американский спутник EOS CHEM, как и CRISTA использующий лимбовый метод наблюдений химического состава средней атмосферы и озоносферы. Без ракетозондов не обойтись! В последнее время в Центральной аэрологической обсерватории после очень долгого перерыва 90-х годов вновь началось ракетное зондирование, правда, не регулярное. Будем надеяться, что начавшийся Международный Полярный год будет способствовать сохранению и дальнейшему развитию ракетного зондирования у нас в стране, а на о.Хейс  вновь начнется ракетное зондирование атмосферы, как это впервые произошло ровно 50 лет назад!

 

                                    выпускник физфака 1951 г. Г.А.Кокин,

 выпускник физфака1958 г. С.П.Перов

 Центральная аэрологическая обсерватория