Ракетное зондирование атмосферы: методы и история¶

Ракетное зондирование атмосферы — это метод исследования физических свойств и состава верхних слоёв атмосферы Земли (стратосферы, мезосферы, термосферы) с помощью метеорологических и геофизических ракет, оснащённых научной аппаратурой. В отличие от аэрологических шаров-зондов, которые поднимаются максимум до 40 км, и спутников, работающих выше 200 км, ракетное зондирование позволяет получать прямые измерения параметров среды в диапазоне высот от 30 до 150 км, где невозможен полёт ни одного из этих аппаратов.

¶История развития

Первые эксперименты по ракетному зондированию начались в конце 1940-х годов в США и СССР на базе трофейных немецких ракет «Фау-2». Уже в 1946 году американские учёные с их помощью измерили температуру и давление на высотах до 100 км. В 1947 году в СССР под руководством Сергея Королёва были запущены первые геофизические ракеты, оснащённые научной аппаратурой.

Активное развитие метода пришлось на 1950–1960-е годы, в период Международного геофизического года (1957–1958). В СССР серийно выпускались метеорологические ракеты МР-1, М-100, МР-12, МР-20, запускавшиеся с научно-исследовательских судов и стационарных полигонов. В США использовались ракеты «Аэроби» (Aerobee), «Найк-Кайюн» (Nike-Cajun) и «Аркас» (Arcas). В 1960-е годы к программам подключились Франция, Япония, Индия и Австралия.

¶Методы и аппаратура

Ракетное зондирование подразделяется на два основных типа: метеорологическое (исследование температуры, давления, плотности и ветра) и геофизическое (изучение ионосферы, озонового слоя, солнечного излучения, космических лучей).

¶Прямые измерения

При прямых измерениях датчики, установленные на борту ракеты, контактируют с исследуемой средой. Для измерения температуры в верхней стратосфере используются термометры сопротивления, для давления — манометрические датчики. Ветер определяется по сносу ракеты или выпускаемых ею светящихся облаков (натриевых или триметилалюминиевых). Плотность воздуха рассчитывается по торможению ракеты или по данным о падении сферических зондов.

¶Дистанционные методы

Дистанционные методы предполагают наблюдение за процессами, инициируемыми ракетой, с земли или с борта самой ракеты. Например, запуск искусственных натриевых облаков позволяет визуально отслеживать ветры и турбулентность на высотах 80–150 км. Для исследования ионосферы с ракет сбрасываются радиомаяки, сигналы которых принимаются на земле. Оптические спектрографы, установленные на ракетах, регистрируют солнечное излучение в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах, не достигающее поверхности Земли.

¶Применение и значение

Основное применение ракетного зондирования — получение данных для метеорологических моделей, прогнозирования космической погоды, изучение озонового слоя и климатических изменений. До начала широкого использования спутников (конец 1960-х — 1970-е годы) ракеты были единственным средством получения информации о верхней атмосфере. Спутниковые данные до сих пор калибруются по результатам ракетных измерений.

В СССР и России ракетное зондирование использовалось для обеспечения запусков космических аппаратов и баллистических ракет: данные о плотности и ветре на высотах 30–80 км критически важны для расчёта траекторий. С 1960-х годов действовала сеть метеорологических ракетных станций, включавшая полигоны на Земле Франца-Иосифа, в Архангельской области, на Камчатке и в Средней Азии.

В настоящее время регулярные программы ракетного зондирования значительно сокращены из-за высокой стоимости и развития спутниковых технологий. Однако метод сохраняет значение для локальных исследований, калибровки спутниковой аппаратуры и изучения переходной области между атмосферой и космосом. Отдельные запуски продолжаются в России (ракеты МР-30), США, Японии и Европейском космическом агентстве в рамках научных программ.

¶Интересные факты

• Максимальная высота подъёма метеорологических ракет обычно составляет 80–100 км, геофизических — до 200 км и более.
• Ракетное зондирование позволило обнаружить явление ночных светящихся облаков и измерить их параметры.
• В 1950-е годы в ходе ракетных экспериментов впервые были получены данные о содержании озона на высотах 40–60 км, что позднее легло в основу теории об озоновом слое.

¶Источники

• Хвостиков И. А. «Высокие слои атмосферы». — Л.: Гидрометеоиздат, 1964.
• Федынский В. В. «Ракетное зондирование атмосферы». — М.: Знание, 1968.
• Материалы Всемирной метеорологической организации по программе метеорологических ракет.
• Бюллетени Научно-исследовательского центра космической метеорологии (Россия).