Радиозонд — это работающий от батареи телеметрический прибор, переносимый в атмосферу обычно с помощью метеозонда , который измеряет различные атмосферные параметры и передает их по радио на наземный приемник. Современные радиозонды измеряют или вычисляют следующие переменные: высоту , давление , температуру , относительную влажность , ветер ( скорость и направление ветра ), показания космических лучей на большой высоте и географическое положение ( широта / долгота ). Радиозонды, измеряющие концентрацию озона , известны как озонозонды. [1]
Радиозонды могут работать на радиочастоте 403 МГц или 1680 МГц. Радиозонд, положение которого отслеживается по мере его подъема для получения информации о скорости и направлении ветра, называется rawinsonde («радарный ветрозонд»). [2] [3] Большинство радиозондов имеют радиолокационные отражатели и технически являются rawinsonde. Радиозонд, который сбрасывается с самолета и падает, а не переносится воздушным шаром, называется dropzonde . Радиозонды являются важным источником метеорологических данных, и сотни из них запускаются по всему миру ежедневно.
Первые полеты аэрологических приборов были выполнены во второй половине XIX века с использованием воздушных змеев и метеографов , регистрирующих устройств, измеряющих давление и температуру, которые восстанавливались после эксперимента. Это оказалось сложным, поскольку воздушные змеи были связаны с землей и их было очень трудно маневрировать в порывистых условиях. Кроме того, зондирование было ограничено малыми высотами из-за связи с землей.
Гюстав Эрмит и Жорж Безансон из Франции были первыми, кто в 1892 году использовал воздушный шар для запуска метеографа. В 1898 году Леон Тейссеранк де Борт организовал в Обсерватории динамической метеорологии в Траппе первое регулярное ежедневное использование этих воздушных шаров. Данные этих запусков показали, что температура понижалась с высотой до определенной высоты, которая менялась в зависимости от сезона, а затем стабилизировалась выше этой высоты. Открытие де Бортом тропопаузы и стратосферы было объявлено в 1902 году во Французской академии наук. [4] Другие исследователи, такие как Ричард Ассманн и Уильям Генри Дайнс , работали в то же время с похожими приборами.
В 1924 году полковник Уильям Блэр из Корпуса связи США провел первые примитивные эксперименты с измерениями погоды с воздушного шара, используя температурную зависимость радиосхем. Первый настоящий радиозонд, который отправлял точную закодированную телеметрию с датчиков погоды, был изобретен во Франции Робертом Бюро . Бюро придумал название «радиозонд» и запустил первый прибор 7 января 1929 года. [4] [5] Разработанный независимо годом позже, Павел Молчанов запустил радиозонд 30 января 1930 года. Конструкция Молчанова стала популярным стандартом из-за своей простоты и потому, что она преобразовывала показания датчика в код Морзе , что делало ее простой в использовании без специального оборудования или обучения. [6]
Работая с модифицированным зондом Молчанова, Сергей Вернов был первым, кто использовал радиозонды для выполнения показаний космических лучей на большой высоте. 1 апреля 1935 года он провел измерения до 13,6 км (8,5 миль), используя пару счетчиков Гейгера в антисовпадающей схеме, чтобы избежать подсчета вторичных лучевых ливней. [6] [7] Это стало важным методом в этой области, и Вернов летал со своими радиозондами по суше и морю в течение следующих нескольких лет, измеряя зависимость излучения от широты, вызванную магнитным полем Земли .
В 1936 году ВМС США поручили Бюро стандартов США (NBS) разработать официальный радиозонд для использования ВМС. [8] NBS передало проект Гарри Даймонду , который ранее работал над радионавигацией и изобрел систему слепой посадки для самолетов. [9] Организация, возглавляемая Даймондом, в конечном итоге (в 1992 году) стала частью Исследовательской лаборатории армии США . В 1937 году Даймонд вместе со своими коллегами Фрэнсисом Данмором и Уилбуром Хинманном-младшим создал радиозонд, который использовал модуляцию поднесущей звуковой частоты с помощью релаксационного генератора с сопротивлением и емкостью. Кроме того, этот радиозонд NBS был способен измерять температуру и влажность на больших высотах, чем обычные радиозонды того времени, благодаря использованию электрических датчиков. [8] [10]
В 1938 году Даймонд разработал первый наземный приемник для радиозонда, что побудило к первому использованию радиозондов NBS в военно-морских силах. Затем в 1939 году Даймонд и его коллеги разработали наземный радиозонд, названный «удалённой метеостанцией», который позволил им автоматически собирать данные о погоде в отдалённых и негостеприимных местах. [11] К 1940 году система радиозондов NBS включала в себя привод давления, который измерял температуру и влажность как функции давления. [8] Она также собирала данные о толщине облаков и интенсивности света в атмосфере. [12] Благодаря этому и другим улучшениям в стоимости (около 25 долларов США), весе (> 1 килограмма) и точности, сотни тысяч радиозондов в стиле NBS были произведены по всей стране для исследовательских целей, и аппарат был официально принят Бюро погоды США. [8] [10]
В 1940 году Даймонд был удостоен Инженерной премии Вашингтонской академии наук, а в 1943 году — Премии члена IRE (позднее переименованной в Мемориальную премию Гарри Даймонда) за вклад в радиометеорологию. [11] [13]
Расширение экономически важных государственных служб прогнозирования погоды в 1930-х годах и их растущая потребность в данных побудили многие страны начать регулярные программы радиозондовых наблюдений.
В 1985 году в рамках советской программы «Вега » два венерианских зонда «Вега-1» и «Вега-2» сбросили по одному радиозонду в атмосферу Венеры . Зонды отслеживались в течение двух дней.
Хотя современное дистанционное зондирование с помощью спутников, самолетов и наземных датчиков является все более важным источником атмосферных данных, ни одна из этих систем не может сравниться с вертикальным разрешением (30 м (98 футов) или меньше) и высотным охватом (30 км (19 миль)) радиозондовых наблюдений, поэтому они остаются важными для современной метеорологии. [2]
Хотя сотни радиозондов запускаются по всему миру каждый день круглый год, смертельные случаи, приписываемые радиозондам, редки. Первым известным примером был удар током электромонтера в США, который пытался освободить радиозонд от высоковольтных линий электропередач в 1943 году. [14] [15] В 1970 году самолет Ан-24 , выполнявший рейс 1661 Аэрофлота, потерял управление после столкновения с радиозондом в полете, что привело к гибели всех 45 человек на борту.
Резиновый или латексный воздушный шар , наполненный гелием или водородом, поднимает устройство через атмосферу . Максимальная высота, на которую поднимается воздушный шар, определяется диаметром и толщиной воздушного шара. Размеры воздушных шаров могут варьироваться от 100 до 3000 г (от 3,5 до 105,8 унций). По мере того, как воздушный шар поднимается через атмосферу, давление уменьшается, заставляя воздушный шар расширяться. В конце концов, воздушный шар расширится до такой степени, что его оболочка разорвется, прекратив подъем. Воздушный шар весом 800 г (28 унций) лопнет примерно на высоте 21 км (13 миль). [16] После разрыва небольшой парашют на линии поддержки радиозонда может замедлить его спуск на Землю, в то время как некоторые полагаются на аэродинамическое сопротивление измельченных остатков воздушного шара и очень легкий вес самой упаковки. Типичный полет радиозонда длится от 60 до 90 минут. Один радиозонд с авиабазы Кларк , Филиппины, достиг высоты 155 092 фута (47 272 м).
Современный радиозонд связывается по радио с компьютером, который сохраняет все переменные в реальном времени. Первые радиозонды наблюдались с земли с помощью теодолита и давали только оценку ветра по положению. С появлением радара в Корпусе связи стало возможным отслеживать радиолокационную цель, переносимую воздушными шарами, с помощью радара SCR-658 . Современные радиозонды могут использовать различные механизмы для определения скорости и направления ветра, такие как радиопеленгатор или GPS . Вес радиозонда обычно составляет 250 г (8,8 унции).
Иногда радиозонды сбрасываются с самолета, а не поднимаются на воздушном шаре. Радиозонды, сбрасываемые таким образом, называются сбрасываемыми .
Метеорологические шары-зонды традиционно использовались в качестве средств измерения атмосферных профилей влажности, температуры, давления, скорости и направления ветра. [17] Высококачественные, пространственно и временно «непрерывные» данные мониторинга верхних слоев атмосферы вместе с приземными наблюдениями являются критически важной основой для понимания погодных условий и климатических тенденций, а также предоставления погодной и климатической информации для благосостояния обществ. Надежная и своевременная информация лежит в основе готовности общества к экстремальным погодным условиям и меняющимся климатическим моделям. [17]
Во всем мире насчитывается около 1300 площадок для запуска радиозондов. [18] Большинство стран обмениваются данными с остальным миром посредством международных соглашений. Почти все регулярные запуски радиозондов происходят за час до официального времени наблюдения 0000 UTC и 1200 UTC, чтобы центрировать время наблюдения в течение примерно двухчасового подъема. [19] [20] Наблюдения радиозондов важны для прогнозирования погоды , наблюдения за суровыми погодными условиями и предупреждения о них , а также для атмосферных исследований.
Национальная метеорологическая служба США запускает радиозонды дважды в день с 92 станций, 69 из которых находятся на территории США, 13 — на Аляске, девять — в Тихом океане и одна — в Пуэрто-Рико. Она также поддерживает работу 10 радиозондовых станций в Карибском море . [20] Список наземных пусковых станций, эксплуатируемых США, можно найти в Приложении C, «Наземные станции радиозондирования США » [21] Федерального метеорологического справочника № 3 [22] , озаглавленного «Наблюдения радиозондов и Пибала» от мая 1997 года.
Великобритания запускает радиозонды Vaisala RS41 [23] четыре раза в день (за час до 00, 06, 12 и 18 UTC) с 6 стартовых площадок (с юга на север): Камборн , (широта, долгота)=(50.218, -5.327), юго-западная оконечность Англии; Херстмонсо (50.89, 0.318), недалеко от юго-восточного побережья; Уотнолл , (53.005, -1.25), центральная Англия; Кастор-Бей, (54.50, -6.34), недалеко от юго-восточного угла озера Лох-Ней в Северной Ирландии; Альбемарль , (55.02, -1.88), северо-восточная Англия; и Леруик , (60.139, -1.183), Шетландские острова , Шотландия . [24] [25]
Необработанные данные о верхних слоях воздуха регулярно обрабатываются суперкомпьютерами, работающими с числовыми моделями. Прогнозисты часто просматривают данные в графическом формате, нанесенные на термодинамические диаграммы , такие как диаграммы Skew-T log-P , Tephigrams и/или диаграммы Stüve , все они полезны для интерпретации вертикального термодинамического профиля температуры и влажности атмосферы , а также кинематики вертикального профиля ветра. [17]
Данные радиозонда являются критически важным компонентом численного прогноза погоды. Поскольку зонд может дрейфовать на несколько сотен километров в течение 90-120-минутного полета, могут возникнуть опасения, что это может привести к проблемам в инициализации модели. [17] Однако, похоже, это не так, за исключением, возможно, локальных областей струйных течений в стратосфере. [26] В будущем эта проблема может быть решена с помощью погодных беспилотников , которые имеют точный контроль над своим местоположением и могут компенсировать дрейф. [27]
К сожалению, в менее развитых частях земного шара, таких как Африка, которая имеет высокую уязвимость к воздействиям экстремальных погодных явлений и изменению климата, наблюдается нехватка приземных и аэрологических наблюдений. Тревожное состояние проблемы было подчеркнуто в 2020 году Всемирной метеорологической организацией [28], которая заявила, что «ситуация в Африке показывает резкое сокращение почти на 50% с 2015 по 2020 год количества полетов радиозондов, самого важного типа наземных наблюдений. Теперь отчетность имеет более скудный географический охват». За последние два десятилетия около 82% стран Африки столкнулись с серьезным (57%) и умеренным (25%) пробелом в данных радиозондов. [17] Эта ужасная ситуация побудила призвать к срочной необходимости восполнить пробел в данных в Африке и во всем мире. Огромный пробел в данных в такой большой части суши, где проживают некоторые из наиболее уязвимых обществ, что вышеупомянутый призыв побудил мировые усилия [29] «ликвидировать пробел в данных» в предстоящем десятилетии и остановить дальнейшее ухудшение сетей наблюдения.
Согласно Международному союзу электросвязи , вспомогательная метеорологическая служба (также: служба радиосвязи вспомогательной метеорологической службы ) — согласно статье 1.50 Регламента радиосвязи МСЭ [ 30] — определяется как « служба радиосвязи , используемая для метеорологических, включая гидрологические, наблюдений и исследований». Кроме того, согласно статье 1.109 Регламента радиосвязи МСЭ: [31]
Радиозонд — это автоматический радиопередатчик в метеорологической службе, обычно перевозимый на самолете , свободном шаре , воздушном змее или парашюте, и передающий метеорологические данные. Каждый радиопередатчик классифицируется по службе радиосвязи , в которой он работает постоянно или временно.
Распределение радиочастот осуществляется в соответствии со статьей 5 Регламента радиосвязи МСЭ (редакция 2012 г.) [32] .
Для улучшения гармонизации использования спектра большинство выделений служб, предусмотренных в этом документе, были включены в национальные Таблицы распределения и использования частот, которые находятся в сфере ответственности соответствующей национальной администрации. Выделение может быть первичным, вторичным, исключительным и совместным.
Однако военное использование в диапазонах, предназначенных для гражданского использования, будет осуществляться в соответствии с Регламентом радиосвязи МСЭ.
