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