Радиозонд — это телеметрический прибор с батарейным питанием, который обычно выносится в атмосферу с помощью метеозонда , который измеряет различные параметры атмосферы и передает их по радио на наземный приемник. Современные радиозонды измеряют или рассчитывают следующие переменные: высоту , давление , температуру , относительную влажность , ветер (как скорость , так 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 равинзондом («радарный ветрозонд»). [2] [3] Большинство радиозондов имеют радиолокационные отражатели и технически являются необработанными зондами. Радиозонд, который сбрасывается с самолета и падает, а не переносится на воздушном шаре, называется сбрасываемым зондом . Радиозонды являются важным источником метеорологических данных, и ежедневно по всему миру запускаются сотни таких радиозондов.
Первые полеты аэрологических приборов были совершены во второй половине XIX века с использованием воздушных змеев и метеографов — записывающих устройств, измеряющих давление и температуру, которые восстанавливались после эксперимента. Это оказалось сложно, потому что воздушные змеи были привязаны к земле, и им было очень трудно маневрировать в порывистую погоду. Кроме того, зондирование было ограничено малыми высотами из-за связи с землей.
Гюстав Эрмит и Жорж Безансон из Франции в 1892 году первыми использовали воздушный шар для управления метеографом. В 1898 году Леон Тейссенк де Борт организовал в Динамической метеорологической обсерватории Траппа 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. Об открытии 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 аналогичными инструментами.
В 1924 году полковник Уильям Блер из Корпуса связи США провел первые примитивные эксперименты по измерениям погоды с воздушного шара, используя температурную зависимость радиосхем. Первый настоящий радиозонд, который отправлял точную закодированную телеметрию от датчиков погоды, был изобретен во Франции Робертом Бюро . Бюро придумало название «радиозонд» и запустило 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 простотой и тем, что он преобразует показания датчиков в код Морзе , что делает его простым в использовании без специального оборудования или обучения. [6]
Работая с модифицированным зондом Молчанова, Сергей Вернов первым применил радиозонды для измерения космических лучей на большой высоте. 1 апреля 1935 года он провел измерения на расстоянии до 13,6 км (8,5 миль), используя пару счетчиков Гейгера в схеме антисовпадений, чтобы избежать подсчета ливней вторичных лучей. [6] [7] Это стало важным методом в этой области, и Вернов в течение следующих нескольких лет запускал свои радиозонды на суше и на море, измеряя зависимость излучения от широты, вызванную магнитным полем Земли .
В 1936 году ВМС США поручили Бюро стандартов США (NBS) разработать официальный радиозонд для использования ВМФ. [8] НБС передало проект Гарри Даймонду , который ранее работал над радионавигацией и изобрел систему слепой посадки самолетов. [9] Организация, возглавляемая Даймондом, со временем (в 1992 году) вошла в состав Исследовательской лаборатории армии США . В 1937 году Даймонд вместе со своими коллегами Фрэнсисом Данмором и Уилбуром Хинманном-младшим создал радиозонд, в котором использовалась модуляция поднесущей звуковой частоты с помощью релаксационного генератора сопротивления-емкости. 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 радиозонда, что привело к первому служебному использованию радиозондов NBS в ВМФ. Затем, в 1939 году, Даймонд и его коллеги разработали наземный радиозонд, названный «удаленной метеостанцией», который позволил им автоматически собирать данные о погоде в отдаленных и негостеприимных местах. [11] К 1940 году радиозондовая система NBS включала в себя привод давления, который измерял температуру и влажность в зависимости от давления. [8] Он также собрал данные о толщине облаков и интенсивности света в атмосфере. [12] Благодаря этому и другим улучшениям стоимости (около 25 долларов США), веса (> 1 килограмма) и точности по всей стране были произведены сотни тысяч радиозондов типа NBS для исследовательских целей, и этот аппарат был официально принят на вооружение США. Бюро погоды. [8] [10]
Даймонд был удостоен инженерной премии Вашингтонской академии наук в 1940 году и премии IRE Fellow Award (которая позже была переименована в Мемориальную премию Гарри Даймонда) в 1943 году за вклад в радиометеорологию. [11] [13]
Расширение экономически важных государственных служб прогнозирования погоды в 1930-е годы и их растущая потребность в данных побудили многие страны начать регулярные программы радиозондовых наблюдений.
В 1985 году в рамках советской программы «Вега » два зонда Венеры , «Вега-1» и «Вега-2» , сбросили по радиозонду в атмосферу Венеры . Зонды отслеживались в течение двух дней.
Хотя современное дистанционное зондирование с помощью спутников, самолетов и наземных датчиков становится все более растущим источником атмосферных данных, ни одна из этих систем не может сравниться с вертикальным разрешением (30 м (98 футов) или менее) и высотным охватом (30 км (19 миль)) радиозондовые наблюдения, поэтому они остаются важными для современной метеорологии. [2]
Хотя сотни радиозондов запускаются по всему миру каждый день и круглый год, смертельные случаи, связанные с радиозондами, редки. Первым известным примером стало убийство электрическим током линейного монтера в США, который пытался освободить радиозонд от высоковольтных линий электропередачи в 1943 году. [14] [15] В 1970 году самолет Ан-24 , выполнявший рейс 1661 Аэрофлота, потерял управления после удара по радиозонду в полете, в результате чего погибли все 45 человек, находившиеся на борту.
Резиновый или латексный шар, наполненный гелием или водородом , поднимает устройство в 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). Когда воздушный шар поднимается через атмосферу, давление уменьшается, заставляя воздушный шар расширяться. В конце концов, воздушный шар расширится до такой степени, что его оболочка порвется, что прекратит подъем. Воздушный шар массой 800 г (28 унций) лопнет на высоте примерно 21 км (13 миль). [16] После взрыва небольшой парашют на опорной линии радиозонда может замедлить его спуск на Землю, в то время как некоторые полагаются на аэродинамическое сопротивление измельченных остатков воздушного шара и очень легкий вес самого пакета. Типичный полет радиозонда длится от 60 до 90 минут. Один радиозонд с авиабазы Кларк на Филиппинах достиг высоты 155 092 футов (47 272 м).
Современный радиозонд связывается по радио с компьютером, который хранит все переменные в режиме реального времени. Первые радиозонды наблюдались с земли с помощью теодолита и давали только оценку ветра по местоположению. С появлением в Корпусах связи радара появилась возможность отслеживать радиолокационную цель, переносимую воздушными шарами, с помощью радара SCR-658 . Современные радиозонды могут использовать различные механизмы 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, развернутые таким образом, называются сбрасываемыми зондами .
Метеорологические зонды с радиозондами традиционно использовались в качестве средства измерения атмосферных профилей влажности, температуры, давления, скорости и направления ветра. [17] Высококачественные, пространственно и временные «непрерывные» данные аэрационного мониторинга наряду с приземными наблюдениями являются важнейшей основой для понимания погодных условий и климатических тенденций, а также предоставления информации о погоде и климате на благо общества. Надежная и своевременная информация лежит в основе готовности общества к экстремальным погодным условиям и изменению климата. [17]
Во всем мире существует около 1300 стартовых площадок для радиозондов. [18] Большинство стран обмениваются данными с остальным миром посредством международных соглашений. Почти все обычные запуски радиозондов происходят за час до официального времени наблюдения в 00:00 UTC и 12:00 UTC, чтобы выровнять время наблюдения в течение примерно двухчасового подъема. [19] [20] Радиозондовые наблюдения важны для прогнозирования погоды , наблюдения за суровой погодой и предупреждений , а также исследований атмосферы.
Национальная метеорологическая служба США запускает радиозонды дважды в день с 92 станций: 69 на территории США, 13 на Аляске, девяти в Тихом океане и одной в Пуэрто-Рико. Он также поддерживает работу 10 радиозондовых станций в Карибском бассейне . [20] Список наземных стартовых площадок, эксплуатируемых США, можно найти в Приложении C «Наземные зондовые станции США» [21] Федерального метеорологического справочника № 3, [22] под названием «Наблюдения Равинзонда и Пибала», датированного маем 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), у юго-восточного побережья; Уотнолл , (53,005, -1,25), центральная Англия; Кастор-Бей (54,50, -6,34), недалеко от юго-восточного угла Лох-Ней в Северной Ирландии; Альбемарл, (55.02, -1,88), Северо-Восточная Англия; и Леруик , (60,139, -1,183), Шетландские острова , Шотландия . [24] [25]
Необработанные данные о верхних слоях атмосферы регулярно обрабатываются суперкомпьютерами, на которых выполняются численные модели. Синоптики часто просматривают данные в графическом формате, нанесенные на термодинамические диаграммы , такие как диаграммы Skew-T log-P , тефиграммы и диаграммы Стюве , которые полезны для интерпретации вертикального термодинамического профиля температуры и влажности атмосферы, а также кинематики. вертикального профиля ветра. [17]
Данные радиозонда являются чрезвычайно 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 вызвать проблемы при инициализации модели. [17] Однако, похоже, это не так, за исключением, возможно, локальных областей струйных течений в стратосфере. [26] В будущем эту проблему могут решить метеорологические дроны , которые точно контролируют свое местоположение 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 демонстрирует резкое сокращение почти на 50% с 2015 по 2020 год количества полетов радиозондов, самого важного типа наземные наблюдения. Отчетность теперь имеет более скудный географический охват». За последние два десятилетия около 82% стран Африки столкнулись с серьезным (57%) и умеренным (25%) дефицитом данных радиозондов. [17] Эта тяжелая ситуация вызвала призыв к срочной необходимости восполнить пробелы в данных в Африке и во всем мире. Огромный дефицит данных на такой значительной части территории мира, где проживают некоторые из наиболее уязвимых обществ, вышеупомянутый призыв стимулировал глобальные усилия [29] по «восполнению дефицита данных» в предстоящее десятилетие и остановке дальнейшего ухудшения ситуации в мире. сети наблюдения.
Согласно Международному союзу электросвязи , вспомогательная служба метеорологии (также: служба радиосвязи вспомогательной метеорологии ) – в соответствии со статьей 1.50 Регламента радиосвязи МСЭ (РР) [30] – определяется как « Служба радиосвязи, используемая для метеорологических, включая гидрологические, наблюдения и исследования». Кроме того, согласно статье 1.109 РР МСЭ: [31]
Радиозонд — это автоматический радиопередатчик вспомогательной метеорологической службы, который обычно устанавливается на самолете , воздушном шаре , воздушном змее или парашюте и передает метеорологические данные. Каждый радиопередатчик классифицируется по службе радиосвязи , в которой он работает постоянно или временно.
Распределение радиочастот осуществляется согласно статье 5 Регламента радиосвязи МСЭ (редакция 2012 г.). [32]
В целях улучшения гармонизации использования спектра большинство распределений служб, предусмотренных в этом документе, были включены в национальные таблицы распределения и использования частот, за которые отвечает соответствующая национальная администрация. Распределение может быть первичным, вторичным, исключительным и общим.
Однако военное использование полос, предназначенных для гражданского использования, будет осуществляться в соответствии с Регламентом радиосвязи МСЭ.
