Формирование погоды происходит в нижних слоях атмосферы. С поверхности Земли в воздух попадает водяной пар, от Земли воздух получает тепло. Поэтому метеорологи неустанно следят за состоянием воздуха в этих слоях.

Для оценки погоды надо знать температуру и давление воздуха, скорость и направление ветра, содержание влаги, вид, расположение и количество облаков, количество выпадающих осадков.

Определить, какая сейчас погода нетрудно. Значительно труднее предвидеть её изменения. Для этого надо знать состояние атмосферы во многих точках земного шара, знать, как перемещается воздух и какие изменения он претерпевает в пути.

Чтобы предугадать изменение погоды, необходимо прежде всего знать распределение давления и температуры на больших пространствах и следить за их изменениями.

Для метеорологии и авиации большой интерес представляют сведения о состоянии воздуха и в верхних слоях атмосферы. Изучением процессов, протекающих в верхних слоях атмосферы или, как говорят, в свободной атмосфере, занимается особый раздел метеорологии — аэрология.

Часть сведений об атмосфере исследователи получают с помощью приборов. О самой верхней части атмосферы имеются лишь сведения, полученные косвенным путём. Какие способы при этом используются, мы расскажем дальше, а сейчас познакомимся с теми данными, которые исследователи получают путём непосредственного измерения.

Чистый сухой воздух представляет собой смесь газов; он имеет в своём составе (в объёмных долях) 78,09 % азота, 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона и незначительные примеси других газов (неона, гелия, водорода и т. д.). В нижних слоях атмосферы этот состав несколько изменяется, так как воздух здесь никогда не бывает совершенно сухим — в нём всегда содержится в большем или меньшем количестве водяной пар.

Влажность. Содержание водяного пара в воздухе может увеличиваться только до некоторого предела, зависящего от температуры. При 10° ниже нуля в одном кубическом метре воздуха может содержаться не больше 2,5 грамма пара, при 0° —5 граммов, при 10° выше нуля — 9,5 грамма, при 20°— 17 граммов.

При испарении воды количество пара в воздухе будет возрастать до тех пор, пока воздух не сделается «насыщенным» водяными парами, т. е. содержащим предельное при данной температуре количество пара. После этого испарение всё-таки происходит, но испаряется столько же влаги, сколько конденсируется.

Как и воздух, водяной пар невидим. Сконденсировавшийся пар в виде огромного числа мелких капелек воды образует туман или облака.

Содержание водяного пара или, как говорят, влажность воздуха измеряется различными приборами. Один из них называется психрометром. Он состоит из двух одинаковых термометров (рис. 1).

Рис. 1. Устройство психрометра.

У одного термометра ртутный шарик сухой, а у другого — обёрнут лоскутом тонкой материи, конец которого опущен в стаканчик с водой. Вода, поднимаясь по волокнам материи, испаряется с лоскутка, но не всегда одинаково быстро. В сухую погоду её испарится больше, в сырую — меньше. Если же воздух насыщен водяным паром, то испарение и конденсация будут идти с одинаковой скоростью и количество воды в стаканчике не будет изменяться. Испарение воды сопровождается поглощением тепла. Тепло, необходимое для перехода воды в пар при испарении, отнимается от шарика термометра, и поэтому он показывает температуру меньшую, чем стоящий рядом с ним сухой термометр. С помощью специальных таблиц по разности показаний двух термометров наблюдатель определяет влажность воздуха.

Другой прибор — гигрограф — автоматически отмечает влажность воздуха (рис. 2).

Рис. 2. Схема устройства гигрографа.

Как известно, влажный волос укорачивается при высыхании. Этим свойством волоса и воспользовались для создания прибора, автоматически записывающего влажность воздуха. Если воздух становится более сухим, волосок укорачивается и тянет за собой рычажок, который перемещает записывающее перо по бумажной ленте. Такой прибор удовлетворительно действует и на морозе, когда обычный психрометр использовать уже нельзя.

Давление. Воздух, как и всякое другое вещество, имеет вес и давит на поверхность Земли, на все находящиеся на ней предметы. Он почти в тысячу раз легче воды. Но так как толщина воздушной оболочки Земли достигает огромных размеров, то давление воздуха довольно велико — около одного килограмма на каждый квадратный сантиметр поверхности.

Величина давления зависит от высоты столба воздуха над Землёй.

На горе давление, а следовательно и плотность, будут меньшими, чем на уровне моря. Соответственно и масса воздуха по высоте распределяется также неравномерно. В слое воздуха от поверхности Земли до 5,5 километра высоты сосредоточено 50 % всей его массы, в пределах 10 километров — 75 %, а в пределах 20 километров — 94 %. Отсюда следует, что плотность воздуха с высотой резко убывает.

Метеорологи внимательно следят за изменением атмосферного давления. Это помогает им предвидеть изменения погоды.

Как измерить атмосферное давление?

Если наполнить ртутью закрытую с одной стороны стеклянную трубку и погрузить её открытым концом в чашку со ртутью (рис. 3), то ртуть в трубке опустится, но не выльется, потому что на открытую поверхность ртути в чашке давит столб воздуха.

Рис. 3. Высота столба ртути в трубке указывает величину атмосферного давления.

Ртуть в трубке будет опускаться до тех пор, пока давления столба воздуха и столба ртути не уравновесятся. Изменится давление воздуха — изменится и высота уравновешивающего столбика ртути. Прибор, построенный на таком принципе, называется ртутным барометром.

Давление воздуха на уровне моря в среднем уравновешивается весом столба ртути высотой 760 миллиметров (в зависимости от состояния атмосферы давление на уровне моря может несколько меняться).

Давление можно также измерить барометром-анероидом. Этот прибор имеет вид полой металлической коробочки, из которой выкачан воздух. Давление окружающего воздуха сжимает эту коробочку. Когда оно ослабевает, упругость металла несколько раздвигает стенки, и коробочка как бы расширяется. Это изменение передаётся с помощью рычажков стрелке, показывающей на шкале барометра величину давления воздуха.

Если возникает необходимость следить за изменениями давления непрерывно, то пользуются прибором, который сам может записывать свои показания. Такой прибор называется барографом. Внешний вид барографа показан на рисунке 4, а действие его поясняется рисунком 5.

Рис. 4. Внешний вид барографа.

Рис. 5. Схема устройства барографа.

В этом приборе расширение и сжатие металлических коробочек А передаётся не на стрелку, а на самопишущее перо Б, которое записывает величину давления на бумажной ленте В, охватывающей барабан, который вращается часовым механизмом.

Так как давление уменьшается с высотой, то барометр используют и как высотомер — прибор, определяющий высоту полёта или высоту какой-либо точки земной поверхности над уровнем моря.

При этом в показания барометра-высотомера вводят поправку на температуру воздуха (так как в холодном воздухе давление с высотой убывает быстрее, чем в тёплом), а также учитывают изменения давления у земли.

Температура. Степень нагретости тела оценивается по его температуре. Если незначительные изменения атмосферного давления человек не ощущает и их могут зарегистрировать только приборы, то изменения температуры более чутко воспринимаются человеком.

Наиболее распространённый способ измерения температуры основан на свойстве тел изменять при нагревании и охлаждении свой объём. Простейший прибор, называемый термометром, состоит из небольшого пустотелого шарика с трубкой. Шарик наполнен ртутью или подкрашенным спиртом, а из трубки выкачан воздух, и она запаяна. При нагревании содержимое шарика расширяется и уровень его в трубке повышается.

Изменение температуры также может отмечаться автоматически; для этой дели служит прибор, называемый термографом (рис. 6).

Рис. 6. Внешний вид термографа.

В нём изменение температуры воспринимается так называемой биметаллической пластинкой А. Она состоит из двух спаянных вместе изогнутых пластинок, сделанных из металлов, которые по-разному расширяются от тепла.

При изменении температуры биметаллическая пластинка изгибается в ту или иную сторону, так как составляющие её пластинки удлиняются или укорачиваются по-разному. Один конец пластинки закреплён неподвижно, а другой соединён с помощью рычажков с записывающим пером Б, которое отмечает изменение температуры на движущейся бумажной ленте В.

При повышении температуры пластинка распрямляется и перо перемещается кверху; при понижении температуры пластинка изгибается и перо опускается.

При измерении температуры воздуха необходимо следить, чтобы на шарик термометра не попала вода, иначе прибор будет показывать температуру более низкую, чем температура воздуха, так как испарение воды сопровождается поглощением тепла. Если же на шарик термометра падают солнечные лучи, он будет показывать завышенную температуру, так как шарик поглощает лучи и нагревается сильнее, чем воздух. Чтобы избежать этих ошибок, метеорологи помещают свои термометры вместе с другими приборами в специальные будки. Сверху будка закрыта, а боковые стенки её состоят из наклонных реек, которые свободно пропускают воздух, но препятствуют прохождению прямых солнечных лучей.

Ветер. Воздух почти всегда находится в движении. В различных точках земного шара давление воздуха неодинаково. Эта разница в давлении вызывает перемещение масс воздуха из мест с повышенным давлением в места, где давление ниже. Такое перемещение воздуха и называется ветром. Метеорологам важно знать направление и скорость ветра, для того чтобы можно было предугадать изменение погоды, так как ветер может принести воздух с облаками и дождём, или, наоборот, рассеять эти облака, и т. д.

Для определения направления ветра служит простой прибор флюгер. Это вращающаяся на вертикальной оси стрела с оперением. Носик стрелы всегда направлен туда, откуда дует ветер. На верхней части оси флюгера можно подвесить металлическую дощечку, тогда прибор будет показывать и скорость ветра. Дощечка прикреплена к флюгеру в таком положении, что ветер ударяет прямо в неё. Чем сильнее ветер, тем больше он отклоняет дощечку. По величине отклонения и определяется скорость ветра.

Для более точного определения скорости ветра применяются анемометры. На рисунке 7 показан электрический анемометр.

Рис. 7. Электрический анемометр.

На концах вращающейся крестовины укреплены 4 полушария. Выпуклая часть каждого полушария обтекается воздухом более плавно, чем вогнутая, поэтому ветер оказывает большее давление на вогнутые, и меньшее — на выпуклые части полушария, и заставляет крестовину вращаться. Крестовина вращается вместе с осью, на нижнем конце которой укреплены магниты. Вращение магнитов возбуждает электрический ток в обмотке неподвижных катушек. Напряжение тока возрастает с увеличением скорости вращения. Прибор, измеряющий напряжение тока в анемометре, показывает скорость ветра. Он может быть проградуирован в метрах в секунду и помещён на значительном расстоянии от анемометра.

Флюгер и анемометр применяются для измерения скорости ветра у поверхности Земли. Но как измерить скорость движения воздуха на разных высотах? Для этого применяются шары-пилоты, состоящие из лёгкой резиновой оболочки, наполненной водородом. Поднимаясь вверх, шар-пилот перемещается вместе с потоком воздуха, в который он попадает. В это время два наблюдателя, расположенные на заранее известном расстоянии друг от друга, следят за ним в трубы специальных угломерных приборов — теодолитов. Наблюдатели каждую минуту измеряют вертикальные и горизонтальные углы, под которыми виден шар-пилот. По этим углам рассчитывают высоту шара-пилота и расстояние до него в данный момент, а затем вычисляют, какой горизонтальный путь и в каком направлении пролетел шар за одну секунду. Это и будет скорость и направление ветра на данной высоте.

Измерение с помощью шара-пилота легко проделать при безоблачном небе. Но как быть, если туман, облака или ночная тьма мешают наблюдателю? Можно ли тогда измерить скорость и направление ветра? Оказывается, можно. Здесь на помощь наблюдателю приходит прибор — радиолокатор. Для него ни ночь, ни туман не служат помехой при наблюдении.

Радиолокатор посылает радиоволны в виде очень коротких сигналов в направлении летящего шара-пилота, к которому привязана крестовина из проволоки. Сигналы, отражённые этой крестовиной (радиоэхо), принимаются радиоприёмником локатора. По времени запаздывания радиоэхо определяют расстояние до шара. С помощью радиолокатора можно также определить и направление на шар-пилот с крестовиной. По этим данным рассчитывают путь движения шара-пилота, и, так же как при теодолитных наблюдениях, определяют скорость и направление ветра на разных высотах.

Метеорографы. Обычно метеорологов интересуют одновременно температура, давление и влажность воздуха и их изменения с высотой. Для этого применяется прибор, автоматически записывающий температуру, давление и влажность. Такой прибор называется метеорографом. Метеорограф поднимают на самолёте, воздушном змее, аэростате или небольшом резиновом шаре, наполненном водородом.

На рисунке 8 показан метеорограф СМ-43, предназначенный для подъёмов на самолёте.

Рис. 8. Самолётный метеорограф СМ-43.

Изменения давления воспринимаются двумя анероидными коробочками. Одной стороной они закреплены неподвижно на корпусе прибора, а другой соединены с пером 1. При уменьшении давления перо смещается вверх.

Температура измеряется биметаллической пластинкой, один конец которой также жёстко закреплён на корпусе, а другой соединён с пером 2. При понижении температуры перо также смещается вверх.

Изменения влажности воспринимаются пучком волос. Один конец его неподвижен, другой — перемещает перо 3. При уменьшении влажности перо опускается.

Все перья — давления, температуры и влажности — вычерчивают непрерывные линии на вращающемся барабане 4, покрытом закопчённой бумажной лентой. Барабан приводится в движение часовым механизмом.

Кроме того, в метеорографе имеется ещё одно неподвижное, контрольное перо 5. Оно вычерчивает на барабане прямую линию. Эта линия служит для расшифровки записей давления, температуры и влажности.

После спуска метеорографа на землю метеорологи тщательно обрабатывают его записи и узнают, как изменялись с высотой давление, температура и влажность воздуха.

Метеорографы, поднимаемые на змеях и привязных аэростатах, имеют ещё анемограф, автоматически записывающий скорость ветра.

Радиозонд. Радиозондом называется прибор, автоматически передающий по радио сигналы о величине давления, температуры и влажности непосредственно во время полёта. Радиозонд поднимается на резиновом шаре, наполненном водородом.

На рисунке 9 представлен общий вид радиозонда.

Рис. 9. Радиозонд.

Так же как и в метеорографе, изменения давления воспринимаются в радиозонде анероидными коробочками 1, изменения температуры — биметаллической пластинкой 2, изменения влажности — пучком волос 3.

Анероидные коробочки, биметаллическая пластинка и пучок волос связаны с перьями. Но в отличие от метеорографа в радиозонде перья не вычерчивают линии на закопчённой бумаге, а скользят по особым зубчатым металлическим гребёнкам 4; каждое перо — по своей гребёнке.

Нет в радиозонде и регистрирующего барабана. Вместо него имеется маленький радиопередатчик 5 и особое коммутаторное устройство 6, вращающееся от крыльчатки 7. Когда какое-либо из перьев находится на металлическом зубце гребёнки, оно, через коммутаторное устройство, замыкает электрическую цепь радиопередатчика, и он посылает на землю условный радиосигнал.

На месте выпуска радиозонда его сигналы принимаются радиоприёмником в течение всего полёта. Характер сигналов и порядок их чередования позволяют установить последовательные положения перьев давления, температуры и влажности на соответствующих гребёнках. А каждому положению пера давления на его гребёнке соответствует строго определённая величина давления; каждому положению пера температуры — определённая величина температуры и каждому положению пера влажности — определённая величина влажности.

Таким образом, по сигналам, передаваемым радиозондом, можно узнать, каковы давление, температура и влажность воздуха на той или иной высоте.