ГШППГПТПП'Г

<у7.	Ъа ттан

Гадиолокатор
НАБЛЮДАЕТ
ЗА ПОГОДОЙ

НА СУШЕ
в жОРс

1 ВВШдулЕ
Л. ДЖ. Б АТТ АН

РАДИОЛОКАТОР
НАБЛЮДАЕТ
ЗА ПОГОДОЙ

гимиз

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЕ

ИЗДАТЕЛЬСТВО

Ленинград • 1964
УДК 551. 501. 81 (023)

RADAR OBSERVES THE WEATHER

by LOUIS J. BATTAN

NEW YORK • 1962

Перевод с английского и редакция
канд физ -мат. наук
Е. Л1 САЛЬМАНА

В книге профессора Л. Дж. Баттана «Радио-
локатор наблюдает за погодой» в популярной
форме поясняется значение радиолокации в метео-
рологии, описываются способы применения радио-
локационных устройств для получения информа-
ции о состоянии атмосферы и для изучения от-
дельных метеорологических элементов (дождь,
снег, град, ветер).

В целом книга, написанная простым языком,
богато иллюстрированная, дает хорошее пред-
ставление о современном уровне развития срав-
нительно молодого раздела науки — радиолока-
ционной метеорологии. Книга может быть полезна
для инженеров, занимающихся проектированием
промышленных предприятий, контролем эксплуа-
тации промышленных установок, для работников
службы охраны и гигиены труда, специалистов
аэрологов, синоптиков и наблюдателей метеостан-
ций, а также для учащихся вузов и гидрометтех-
никумов.
ОТ РЕДАКТОРА

То, что мы называем в обыденной жизни погодой,
представляет собой совокупность многих метеорологиче-
ских элементов и атмосферных явлений.

Современная наука о погоде — метеорология — рас-
полагает весьма совершенными приборами для измере-
ния таких метеорологических элементов, как темпера-
тура, влажность, давление, ветер и т. п. Однако этих
данных недостаточно для характеристики погоды. Необ-
ходимо еще уметь наблюдать за атмосферными явле-
ниями, которые являются составной частью погоды. К их
числу относятся облака, осадки, грозы, шквалы и т. д.
Известно, что образование их в данном районе или втор-
жение, связанное с движением другой воздушной массы,
вызывает изменения погоды, трудно поддающиеся пред-
сказанию. Поэтому для ряда отраслей народного хозяй-
ства, как, например, авиации, сельского хозяйства,
транспорта и др., чрезвычайно важно знать местополо-
жение, скорость и направление перемещения, тенденцию
развития облачных полей и связанных с ними зон осад-
ков и штормовых явлений типа интенсивных ливней,
гроз и шквалов.

Более 10 лет назад за такими явлениями наблюдали
только визуально. Имея ограниченный радиус действия,
визуальный метод требовал для получения необходимых
сведений на больших площадях огромного числа метео-
рологических станиий и наблюдательных постов. Из-за
неоперативности способов сбора и обработки информа-
ции, обладающей большой пространственной и времен-
ной изменчивостью, практическая ценность ее резко
снижалась.
Применение радиолокации явилось настоящим пере-
воротом в метеорологии.

Возможность практически мгновенного обзора боль-
ших площадей с помощью радиолокационных станций
дала в руки метеорологов качественно новое ^средство
наблюдений и исследований основных атмосферных яв-
лений. В настоящее время в отечественной метеороло-
гии широко используются такие средства в научных и
оперативных целях.

Предлагаемая научно-популярная книга американ-
ского метеоролога Л. Дж. Баттана «Радиолокатор на-
блюдает за погодой» знакомит читателя с вопросами
применения радиолокации в метеорологии.
ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие большинства наук обычно идет ступенча-
тым путем. Периоды незначительных успехов внезапно
сменяются периодами быстрых скачков. Часто такой
скачок является результатом какого-либо открытия, раз-
вития новой идеи или создания прибора. Например, изо-
бретение циклотрона привело к существенному разви-
тию ядерной физики. В метеорологии применение шаро-
пилотного зондирования, с помощью которого можно
получить информацию о давлении, температуре и влаж-
ности, чрезвычайно расширило наши знания об атмо-
сфере. Наконец, в последние годы использование бы-
стродействующих электронно-вычислительных машин ре-
волюционизировало почти все области научных иссле-
дований, включая и метеорологию. 4

Использование радиолокации в значительной мере
способствовало совершенствованию наблюдений за об-
лаками и осадками. После окончания второй мировой
войны, когда появилась возможность использовать воен-
ные радиолокационные станции в мирных целях, были
получены обширные новые данные почти о всех типах
погоды. В это время впервые были созданы специальные
метеорологические радиолокационные станции для на-
земных и самолетных наблюдений.

Настоящая книга знакомит читателя с применением
радиолокационной станции в качестве инструмента, ве-
дущего наблюдения за погодой. При изложении автор
пытался не употреблять сложные технические термины
и выражения, чтобы сделать материал более доступным
лицам, не подготовленным в этой области.

Читателям, пожелающим более подробно ознако-
миться с данным вопросом, может быть рекомендована
книга того же автора, под названием «Радиолокационная
метеорология» Ч

Л. Дж. Баттан

1 Эта книга в русском переводе была издана в Гидрометео-
издате в 1962 г.
ГЛАВА ПЕРВАЯ

ВВЕДЕНИЕ

Самолет пробивается сквозь плотные облака. Не
видно плоскостей крыльев, лишь периодически на их
концах загораются красные сигнальные огни.

Еще 30 минут назад все было спокойно, а сейчас са-
молет часто вздрагивает и раскачивается. Включен сиг-
нал «Застегнуть ремни». Вспышки молнии освещают
небо.

Пассажиры, настороженно всматриваясь во мглу, пы-
таются разглядеть грозу, притаившуюся в облаках. Ведь
дождь и плохая видимость еще не причина для тревоги.
Опасность таится в грозах, где восходящие и нисходя-
щие потоки воздуха, имеющие большую скорость, под-
стерегают самолет. Эти потоки бросают его вверх и вниз
и трясут со страшной силой. Тряска сопровождается
градом и ударами молнии.

Совсем недавно даже опытные пилоты опасались
гроз. Еще вчера летчик должен был полагаться лишь на
свой опыт и удачу, чтобы провести самолет сквозь
грозу, не подвергая опасности себя и пассажиров. Труд-
нейшей проблемой было обнаружение грозовых очагов,
сопровождающихся плохой погодой, так как при полетах
в облаках невозможно их увидеть.

Но сейчас мы имеем средство, которое позволяет
«видеть» сквозь облака. В полете современного воздуш-
ного лайнера летчику помогает радиолокатор, который
обнаруживает грозы на большом расстоянии от само-
лета.
Если самолет, пробивая гряду облачности, прибли-
жается к области с неблагоприятной погодой, пилот ви-
дит соответствующее изображение на экране радиолока-
ционной станции. Наблюдая его в течение короткого
промежутка времени, пилот может рассчитать оптималь-
ный курс самолета. Должен ли пилот вести самолет впе-
ред, выбирая путь между очагами и лишь немного откло-
няясь от основного курса, или надо идти в обход, огибая
очаги? На эти вопросы пилот может ответить только
теперь, когда он знает истинное расположение грозовых
очагов. В результате применения радиолокаторов по-
леты самолетов стали значительно более безопасными.
Устройство, называемое радиолокатором, не только об-
легчает самолетовождение, но и становится обычным
средством наблюдений, успешно применяющимся в ме-
теорологии.

Что же такое радиолокатор? Как он работает? Как
он может улучшить наблюдения за погодой? Что может
сказать он о процессах, происходящих в атмосфере?

Радиолокатор использует радиоволны для обнаруже-
ния объектов и определения их местоположения. Нет
сомнения, что создание радиолокатора является одним
из выдающихся открытий в области электроники, сделан-
ных во время второй мировой войны.

Совершенно очевидно, что в военное время огромное
значение приобретает возможность точно определять
координаты и траектории движения самолетов и судов
противника в любых метеорологических условиях и в лю-
бое время суток. При бомбометании особенно важно на-
хождение объектов, невидимых из-за облаков. Большие
усилия были затрачены на разработку системы, которая
могла бы решить такую задачу.

В начале войны в Англии и других странах, подвер-
гавшихся частым воздушным атакам, для обнаружения
в небе самолетов противника широкое распространение
получили мощные прожекторы. Однако этот способ был
приемлем только ночью при ясном небе и совершенно не
годился во время туманов и мглы. Кроме прожекторов,
применялись способы звукового обнаружения воздушных
целей, но и эти способы имели множество недостатков.
Как известно, звук распространяется со скоростью всего
330 м/сек, испытывая при этом колебания скорости и на-
правления распространения вследствие неоднородности
атмосферы. Поэтому звуковые локаторы применяются
в настоящее время лишь для обнаружения подводных
объектов, например подводных лодок. Для нахождения
же воздушных целей они совершенно непригодны.

Таким образом, при отыскании объектов на поверх-
ности земли или в воздухе радиолокация имеет огромные
преимущества перед оптическими или акустическими
методами, так как может использоваться в самых раз-
нообразных условиях, в любое время суток. Обычные
облака и туманы не мешают обнаружению цели. Радио-
локатор «видит» объекты как на больших, так и на ма-
лых расстояниях. Поэтому во время второй мировой
войны они использовались почти при всех наземных, мор-
ских и воздушных операциях. С тех пор были созданы
гораздо более мощные и совершенные радиолокацион-
ные станции.

ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОЛОКАТОРА
В МЕТЕОРОЛОГИИ

В процессе использования радиолокаторов во время
второй мировой войны возникла одна серьезная проб-
лема: как только между радиолокатором и целью начи-
налось выпадение интенсивных осадков, эффективность
радиолокационного обнаружения в значительной мере
уменьшалась. В тех случаях, когда самолет, который не-
обходимо было обнаружить, пролетал внутри или в тылу
области интенсивных осадков, его сигнал терялся в ра-
диоэхо, создаваемом самими осадками, и поэтому прак-
тически был неразличим. Если же наблюдались не дож-
девые облака, то подобные эффекты «маскировки» сиг-
налов самолета были незначительны.

Таким образом, осадки, вызывающие интенсивное
радиоэхо на индикаторах радиолокационных устройств,
явились серьезной помехой для операторов станций
военного назначения, так как создавали маскирующие
«шумы» метеорологического происхождения. Однако для
метеорологов такие шумы были настоящей музыкой.
Впервые появилась возможность определять положение
зон осадков, измерять их размеры, наблюдать за их ро-
стом и движением. Отпала необходимость предсказывать
возникновение гроз на больших расстояниях, их удален-
ность и скорость движения. Догадки сменились прямыми
наблюдениями. В результате применения радиолокатора
стало возможным решить большой круг различных проб-
лем в области метеорологии.

Значительный скачок вперед был сделан в области
прогнозов погоды.

Метеорологи аэропортов при грозовой ситуации ре-
шают ряд важнейших вопросов: пройдет ли гроза над
данным аэродромом и если пройдет, то какой силы ветра
и интенсивности осадков следует ожидать, сколько вре-
мени может продлиться шторм? Точные ответы на по-
добные вопросы, полученные заблаговременно, хотя бы
за 30 минут до начала шторма, имеют огромное значе-
ние. Этого времени достаточно, чтобы укрыть самолеты
в ангарах или закрепить их на месте и устранить опас-
ность повреждения во время шторма.

Как будет показано в дальнейшем, грозы не всегда
движутся по направлению ветра. Следовательно, до тех
пор, пока отсутствовала возможность непосредственных
наблюдений за их движением и развитием, точное пред-
сказание таких явлений, как грозы, было нереальным.
Единственным средством получения необходимых дан-
ных о грозах является радиолокатор. Конечно, это только
один из примеров применения радиолокации в метеоро-
логии.

С середины 40-х годов, когда метеорологи только
начали использовать радиолокаторы,, было получено
много нового о процессах формирования различного
вида облаков и осадков. Сейчас авиакомпании, а также
военные и гражданские службы погоды широко приме-
няют радиолокацию. Так, в США области с особенно
«плохой» погодой (например, «аллея торнадо» в цен-
тральной части США и район частых ураганов вдоль
берегов Атлантического океана) покрыты сетью радио-
локационных станций. Подобная сеть позволяет забла-
говременно обнаруживать и давать предупреждения о
возникновении неистовых штормов, прослеживая при
этом их движение по территории страны. В последних
главах вопросы применения радиолокации для обнару-
жения штормов, ураганов и торнадо будут изложены
более детально. Перед тем как обсуждать возможности
применения радиолокации в метеорологии, целесообраз-
но пояснить, как работает радиолокатор и почему он об-
наруживает частипы роды или льда.
ПРИНЦИП РАБОТЫ РАДИОЛОКАТОРА

Радиолокационные установки могут отличаться друг
от друга по величине излучаемой ими мощности. Одни

из них настолько маломощны, что энергия их меньше
энергии обычной лампы накаливания. Другие же на-
столько мощны, что на очень короткий промежуток
времени способны создать энергию, достаточную для

освещения целого го-
рода.

' Несмотря на разли-
чия в мощности, устрой-
ство всех радиолока-
ционных станций оди-
наково. Все они имеют
передатчик, приемник,
антенну и индикатор
Несколько позже мы

Рис. 1. Импульс электромагнитной
энергии движется от радиолокатора
к самолету и обратно со скоростью
3 • 108 м!сек. Разделив общее время
нахождения импульса в пути на два,
можно рассчитать расстояние до са-
молета.

подробно опишем эти
устройства, а сейчас
рассмотрим, каким об-
разом с помощью ра-
диолокатора измеряет-
ся расстояние до неко-
торого объекта, напри-
мер до самолета.

Радиолокатор излучает импульс энергии в направле-
нии самолета (рис. I). Небольшая часть этой энергии
отражается самолетом обратно и улавливается радио-
локатором. Если известна скорость, с которой распро-

страняется импульс энергии, и промежуток времени
между излучаемым и принимаемым импульсами, то рас-
стояние до самолета может быть легко вычислено. У всех
радиолокационных устройств импульс энергии суще-
ствует в форме электромагнитных волн. В большинстве
случаев можно считать, что они распространяются с по-
стоянной скоростью 3 • 108 м/сек, т. е. со скоростью, рав-
ной скорости света. Это совершенно естественно, так как
свет является ни чем иным, как электромагнитными вол-
нами, а поэтому и распространяется с той же скоростью,
что и они. Строго говоря, в атмосфере электромагнитные
волны, или радиоволны, как их иногда называют, рас-
пространяются несколько медленнее, чем световые,
однако это различие пренебрежимо мало.

Вернемся к нашему примеру. Если самолет удален
на расстояние 30 км, то время, которое потребуется от-
раженному импульсу, чтобы вернуться в приемник ра-
20*2

диолокатора, должно составлять 3	, или 0,0002 сек.

Обычно для измерения очень коротких промежутков вре-
мени принято использовать миллионные доли секунды,
или, как их называют, микросекунды (мксек). Таким об-

Рис. 2 Индикатор типа А.

1 — радиоэхо самолета, 2 — радио-
эхо ливня.

разом, из общего времени
200 мксек 100 были затра-
чены на то, чтобы излучен-
ный импульс дошел до цели,
а другие 100 — на то, чтобы
отраженный импульс вер-
нулся обратно в приемник
радиолокатора. Зная это
время, оператор радиолока-
ционной станции может лег-
ко рассчитать, что самолет
был на расстоянии 30 км.

В действительности для
определения расстояния нет
необходимости вычислять
затраченное время. Вместо
этого для определения рас-
стояния до цели использу-

ются специальные радиолокационные экраны, называе-
мые индикаторами. Среди большого многообразия ис-
пользуемых типов индикаторов один из простейших носит
название «индикатор типа А» (рис; 2). Этот индикатор
представляет собой электронно-лучевую трубку, подоб-
ную применяемым в обычных телевизорах, на экране
которой вместо множества тесно расположенных гори-
зонтальных линий, создающих кадр, имеется только одна
горизонтальная линия. Эта линия создается перемещаю-
щимся пучком электронов, который, ударяясь об экран
трубки, вызывает его свечение.’ Пучок начинает пере-
мещаться горизонтально в тот момент времени, когда
передатчик излучает импульс энергии. Часть излучаемой
энергии, попадая на индикатор, вызывает вертикальное
отклонение пучка электронов, создающего на экране
светящийся выброс, называемый первичным всплеском.
Скорость перемещения пучка электронов по экрану
индикатора выбирается таким образом, чтобы опреде-
ленное горизонтальное смещение соответствовало задан-
ному расстоянию до цели. Так, на индикаторах, предна-
значенных для определения расстояния до целей, рас-
положенных, например, на максимальном удалении
до 50 км, пучок электронов должен пересекать весь

50-2

экран трубки за время, равное —g. 105 , т. е. при-
близительно за 330 мксек.

Множитель 2 введен потому, что импульс энергии
дважды проходит путь до цели. Однако нас интересует
лишь половина этого пути. По этой причине экран инди-
катора размечается цифрами, которые непосредственно
указывают расстояние до цели. Как только импульс,
отраженный от самолета, достигает радиолокатора, он
вызывает вертикальное отклонение электронного пучка,
создающего на соответствующем расстоянии светящийся
выброс, называемый вторичным всплеском. Расстояние
до цели непосредственно определяется удаленностью
этого всплеска.

В большинстве радиолокационных станций исполь-
зуются индикаторы, у которых продолжительность су-
ществования светящихся линий и всплесков значительно
больше, чем у обычных телевизионных трубок. Вещество
(обычно фосфор), которым покрывается внутренняя по-
верхность экрана, светится значительно дольше (се-
кунды), чем подвергается воздействию электронного
пучка (микросекунды). Это свойство «послесвечения» ра-
диолокационных индикаторов облегчает наблюдение от-
раженных сигналов.

Показанный на рис. 2 радиолокационный индикатор
дает нам сведения не только о расстоянии до цели. Ве-
личина вертикального всплеска, т. е. амплитуда отра-
женного сигнала, часто называемого радиоэхо, характе-
ризует его мощность. Когда радиоэхо слабое, импульс,
отраженный от самолета, маленький. Если радиоэхо
сильное, отраженный импульс большой по амплитуде.
Для обнаружения самолетов эта особенность радиолока-
ционных отметчиков, позволяющая оценивать мощность
радиоэхо, может показаться не очень важной. Однако
для изучения облаков и осадков она играет огромную
роль. Как мы увидим позже, мощность радиоэхо может
быть использована для количественного определения
интенсивности осадков.

ТИПЫ ИНДИКАТОРОВ

Кроме индикаторов типа А, в радиолокаторах, при-
меняемых для метеорологических целей, широко исполь-
зуются и другие типы индикаторов. Наиболее распро-
странен индикатор кругового обзора (ИКО). Как пока-

индикатор дает картину рас-

зывает само название, этот

Рис. 3. Индикатор кругового
обзора.

1 — радиоэхо самолета, 2 — радио-
эхо ливня.

пределения радиоэхо по
кругу в плоскости обзора.
На рис. 3 приведен индика-
тор кругового обзора, на ко-
тором видно радиоэхо от са-
молета и небольшого очага
ливневых осадков. Как ви-
дим, такой тип индикации
позволяет определять не
только расстояние до цели,
но и направление, в котором
она перемещается. В данной
случае самолет находится
от радиолокатора на рас-
стоянии 20 км, азимут 45°.

Общая яркостная кар-
тина радиоэхо на ИКО скла-
дывается из множества све-

товах пятен, образующихся
в результате последовательного пробегания пучка элек-
тронов от центра экрана к периферии и его вращения

по кругу синхронно с вращением антенны радиолока-
ционной станции. Для того чтобы понять, каким обра-
зом радиолокатор способен давать сведения о направле-
нии на цель, необходимо уяснить роль, которую при этом

играет антенна.

Радиолокационные устройства могут быть сконструи-
рованы с антеннами, аналогичными антеннам, исполь-
зуемым в обычных телевизионных системах. Однако та-
кие антенны не нашли широкого применения в радиоло-
каторах. Действительно, цель телевизионной системы —
охватить максимально возможное число объектов, а по-
этому излучаемая энергия должна посылаться во всех
направлениях равномерно. В радиолокационных же си-
стемах, наоборот, требуется максимальная концентра-
ция энергии в виде узкого пучка. Для этой цели в каче-
стве радиолокационных антенн часто применяются ме-
таллические отражатели, аналогичные по форме зерка-
лам, которые используются в больших прожекторах.

в)

Рис. 4. Типы лучей, создаваемых раз-
личными антеннами.

а — симметричный луч, б — асимметричный
луч, вертикальные размеры которого
меньше, чем горизонтальные, в — асим-
метричный луч, вертикальные размеры ко-
торого больше, чем горизонтальные.

Форма отражателя зависит от тех требований, кото-
рые предъявляются к антенне радиолокационной стан-
ции (рис. 4). Если необходимо по тем или иным причи-
нам сконцентрировать излучаемую энергию в виде
узкого, «карандашного» луча, следует использовать
большие овальные металлические отражатели, вогнутые
внутрь. В тех случаях, когда желательно иметь луч,
узкий в вертикальном, но широкий в горизонтальном на-
правлении, отражатель должен иметь форму, напоми-
нающую лист банана, наибольший размер которого рас-
положен в той плоскости, где требуется наименьшая
ширина луча. Обычно чем больше отражатель антенны,
тем меньше ширина луча, внутри которого концентри-
руется излучаемая энергия.

Итак, антенна радиолокатора, имеющего индикатор
кругового обзора, плавно вращается вокруг вертикаль-
ной оси. По мере вращения антенны электронный пучок,
пробегающий непрерывно от центра экрана ИКО к его
периферии и обратно к центру, создает изображение

светящейся линии, которая

1 — радиоэхо ливня

вращается синхронно с ан-
тенной. Когда антенна на-
правлена в азимут 30°, све-
тящаяся линия на экране
ИКО также располагается
в азимуте 30°. Если форми-
руемый антенной луч доста-
точно узок и составляет, ска-
жем, 1°, направление (ази-

рологических наблюдений
видной. Так, например, с

мут) на самолет или другую
цель может быть определено,
с большой точностью, так*
как радиоэхо от целей мо-
жет быть получено только'
в тот момент, когда враща-
ющийся луч антенны на-
правлен на них.

Пригодность индикатора
кругового обзора для метео-
становится совершенно оче-
помощью ИКО можно легко

обнаружить ливневые очаги или другие метеорологиче-

ские явления и определить их координаты.

В метеорологических целях используется также инди-
катор «дальность — высота» (ИДВ). Как видно на рис. 5,
на этом индикаторе радиоэхо представляется в коорди-
натной сетке высота — горизонтальное удаление. Следует
заметить, что термин «горизонтальное удаление» озна-
чает длину пути до цели по горизонтали. Если луч ра-
диолокатора направлен горизонтально, то расстояние
до цели равно горизонтальному удалению. С другой
стороны, если объектом обнаружения является высоко
летящий самолет, расстояние до него может быть много
больше, чем горизонтальное удаление (рис. 6). Для того
чтобы картину радиоэхо представить в координатах вы-
сота — горизонтальное удаление, антенна радиолока-
ционной станции должна перемещаться в вертикальной
плоскости (сканировать). По мере того как она подни-
мается и опускается по углу места, луч на экране инди-
катора повторяет ее движения, создавая на нем соответ-
ствующую картину радиоэхо. Индикатор «дальность —
высота» обычно используется в тех случаях, когда тре-
буется непосредственное определение высоты цели. Ме-
теорологи часто применяют такие индикаторы для изме-
рения высот, до которых развиваются грозовые облака.

Как уже было по-
казано, на индикаторе
типа А мощность ра-
диоэхо может быть	i

определена по величи-	)

не амплитуды сигна-	i

лов. Для индикаторов	х''

кругового обзора и	i

«дальность — высота»	(К	{

мощность радиоэхо оп-	/^Горизонтальная дальность ।

ределяется его ярко-
стью Чем сильнее ОТ- Рис- 6 Различие между удалением и
раженный сигнал, тем горизонтальной дальностью
ярче радиоэхо. Такая зависимость между мощностью
радиоэхо и его яркостью сохраняется, однако, только
до тех пор, пока изображение на электронно-лучевой
трубке индикатора не достигает «насыщения», т. е. не-
которого уровня, выше которого яркость свечения уже
не меняется цаже при возрастании мощности радиоэхо.

Несмотря на то что передатчики радиолокационных
станций излучают очень большие мощности в импульсе,
количество отраженной от метеорологических целей
энергии ничтожно мало. Например, большинство радио-
локаторов излучает мощности 100 кет и более. Как уже
ранее отмечалось, излучаемая мощность концентрируется
в коротких импульсах, которые следуют друг за другом
через сравнительно большие промежутки времени.
Обычно радиолокаторы излучают импульсы длитель-
ностью 1 мксек с интервалом времени между ними
1000 мксек. Относительно длинный промежуток между
импульсами дает возможность отраженному сигналу
дойти до приемника раньше, чем будет излучен следую-
щий импульс.
Основное назначение приемника — усиление приня-
тых сигналов до такой величины, которая может разли-
чаться на индикаторе визуально. Большинство радио-
локационных устройств способно обнаруживать сигналы,
равные миллионным долям от миллионных долей ватта,
т. е. 10~12 вт. Отдельные радиолокационные станции на-
столько чувствительны, что могут принимать мощности
10-14 вт.

Важнейшей характеристикой радиолокационной стан-
ции является частота используемых радиоволн. Как
будет показано позднее, правильный выбор частоты ра-
диоволн особенно важен, если радиолокационная стан-
ция предназначена для наблюдений за облачностью и
осадками. Чем выше частота, тем меньше размеры ка-
пель, которые может обнаружить радиолокатор. Обычно
для метеорологических радиолокаторов используются
частоты в диапазоне от 1 500 000 000 до 30 000 000 000 гц.
Так как скорость распространения радиоволн можно
считать постоянной величиной, определяемой произведе-
нием частоты и длины волны, становится очевидным, что
каждой частоте радиоволны соответствует определенная
длина волны. Зная, что скорость распространения радио-
волн составляет 3 • 1010 см/сек, можно легко вычислить,
что радиолокаторы, используемые в метеорологических
целях, работают в диапазоне волн от 1 до 20 см. Выбор
длины волны определяется задачей исследования. Если
необходимо обнаруживать мелкие водяные капельки,
целесообразно использовать более короткие длины волн.
Если же прецметом исследования являются зоны осад-
ков или грозы, можно использовать более длинные
волны. Причины, из которых вытекают сделанные вы-
воды, будут пояснены в последующих главах.

РАДИОЛОКАТОРЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ
ДЛЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

Некоторые радиолокационные устройства весьма
сложны, громоздки и имеют сотни радиоламп. Эксплуа-
тация их требует специального штата обслуживающих
лиц. Другие радиолокационные устройства относительно
просты и менее громоздки. Обычно такие станции имеют
ручное управление, которое осуществляется одним опе-
ратором. Сложность радиолокатора зависит от многих
18
факторов, например от длины волны, излучаемой мощ-
ности, размеров антенны, типов и количества индика-
торов.

Все промышленные радиолокаторы построены по
схеме, приведенной на рис. 7. Такая схема, называемая
блок-схемой, поясняет без излишних подробностей прин-
цип работы всего устройства и взаимодействие его основ-
ных частей — блоков, представленных на рис. 7 в виде
квадратиков.

«Сердцем» радиолокатора можно считать передат-
чик, который создает импульсы электромагнитных волн.

Рис. 7. Блок-схема радиолокатора.

1 — передатчик, 2 — приемник, 3 — индика-
тор, 4 — электронный переключатель, 5 —
антенна.

Большинство метеорологических радиолокаторов имеет
мощности в импульсе примерно от 25 до 500 кет. После
того как импульс создан, он поступает в антенну, кото-
рая излучает его в виде узкого луча. Во время излучения
созданного передатчиком импульса приемник радиоло-
катора выключается с помощью электронного переклю-
чателя. Если бы выключение приемника на время пере-
дачи не происходило, то огромная излучаемая мощность,
попадая в приемник, могла бы вывести его из строя.
После излучения импульса длительностью около 1 мксек
приемник вновь включается для того, чтобы отраженный
сигнал, принятый антенной, мог попасть в приемный
тракт. Как уже указывалось, радиолокаторы способны
принимать слабые сигналы, мощность которых состав-
ляет 10-12—1О’~14 вт. Для того чтобы такие сигналы
были видны на индикаторе, их необходимо многократно
усилить. Усиление сигналов составляет одну из главных
функций приемника. После усиления сигналы поступают
на один или несколько индикаторов, где и представля-
ются окончательно в форме, удобной для наблюдений.
Еще в середине 40-х годов метеорологи для проведе-
ния наблюдений широко использовали военные радиоло-
каторы. Одной из первых станций, примененных для этих
целей, была станция SCR-584. Это был 10-сантиметровый
радиолокатор с антенной, смонтированной на крыше при-
цепа. Благодаря своей универсальности станция SCR-584
нашла широкое применение в военном деле. Так, напри-
мер, она использовалась для обнаружения самолетов
противника, контроля, опознавания и наведения собствен-
ных самолетов на близко расположенные позиции про-
тивника, для управления зенитной артиллерией. Первая
метеорологическая задача, которая была выполнена на
этой станции, — это измерение скорости и направления
ветра на различных высотах с помощью воздушных ша-
ров (шаров-пилотов) с привязанными к ним радиолока-
ционными мишенями. Зная траекторию шара-пилота,
можно было легко вычислить направление и скорость
ветра.

Широкое применение в метеорологии получили также
военные радиолокационные установки AN/APQ-13 и
AN/APS-2F. Обе эти станции первоначально были пред-
назначены для целей воздушной навигации и бомбомета-
ния. Они имели в основном одинаковые параметры, за
исключением того, что первая из них работала на волне
3 см, а вторая — на волне 10 см. У обеих станций излу-
чаемая мощность составляла около 40 кет, а антенна
в диаметре была около 75 см.

Широкое использование в метеорологии получила
станция военного назначения AN/TPS-10 (рис. 8). Эта
3-сантиметровая радиолокационная станция имеет верти-
кально сканирующую по углу места антенну. Верти-
кальные размеры антенны составляют около 3 м, горизон-
тальные— около 1 м. Такая антенна создает узкий луч,
ширина которого в вертикальной плоскости 0,7р, а в гори-
зонтальной 2°. Как и следовало ожидать, такой радиоло-
катор снабжен индикатором «дальность — высота», при-
веденным на рис. 5.

В 1950 г. были спроектированы еще два специальных
радиолокатора метеорологического применения. Первый
из них — AN/CRS-9 (рис. 9) —начали применять с 1951 г.
Эта станция предназначалась для управления воздушным
движением и должна была заменить устаревшую стан-
цию AN/APQ-13, широко использовавшуюся в метеороло-
20
гической службе всего мира. Станция AN/CRS-9 пред-
ставляет собой 3-сантиметровый радиолокатор с круглой
параболической антенной диаметром около 2,4 м, имею-
щей круговое вращение и вертикальное сканирование.
Форма луча симметричная в обеих плоскостях, с шири-
ной 1°. Станция снабжена индикатором кругового обзора

Рис. 8. Антенная система 3-санти-
метрового радиолокатора AN/TPS-10.

и индикатором «дальность — высота». Излучаемая мощ-
ность станций около 250 кет, минимальная мощность —
обнаруженный сигнал Г0“13 вт. Радиолокатор AN/CRS-9
чрезвычайно чувствителен и способен обнаруживать
очень слабые осадки на расстоянии до 300 км.

Новейшей радиолокационной метеорологической аппа-
ратурой является станция WSR-57. Этот 10-сантиметро-
вый радиолокатор был спроектирован специально для
Бюро погоды США. Одной из главных причин выбора
этой длины волны явилось целевое назначение данного
радиолокатора, предназначенного для обнаружения толь-
ко гроз, торнадо, ураганов, а не слабых дождей и облач-
ности. Как будет показано в дальнейшем, радиолока-
торы, работающие на более длинных волнах, способны
обнаруживать только крупные частицы осадков. Мелко-

Рис. 9. Антенная система 3-сантимет-
рового радиолокатора AN/CPS-9.

капельные дожди и сплошная облачность для них про-
зрачны.

Как уже отмечалось, для получения узкого луча необ-
ходимо иметь большую антенну. На рис. 10 показана
антенная система станции WSR-57, представляющая со-
бой сферическое «блюдо» диаметром 3,7 м. Излучаемая
такой антенной мощность составляет 500 кет. Чувстви-
тельность приемника станции 10 ~ 14 вт.

Помимо рассмотренных выше станций, для метеоро-
логических целей могут быть использованы и широко ис-
пользуются в настоящее время многие другие типы
радиолокационных средств, включая станции военного
назначения. Однако наибольший эффект дают специаль-
ные метеорологические радиолокационные станции, вы-
пускаемые рядом компаний в США, Англии и Италии.

Рис. 10. Антенная система 10-сантиметро-
вого радиолокатора штормового оповеще-
ния WSR-57. Антенна снабжена обтекате-
лем, пропускающим радиоволны и защи-
щающим ее от дождя, снега и ветра.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

РАДИОЛОКАТОР ОБНАРУЖИВАЕТ
ДОЖДЕВЫЕ КАПЛИ

Читатель легко поймет, каким образом радиолокатор
обнаруживает самолет, если представит себе работу
мощных прожекторов, использовавшихся во второй ми-
ровой войне для «засекания» вражеских бомбардировщи-
ков, летавших над Лондоном. Попав в узкий, но сильный
луч света, самолет становится видимым с земли. Когда
говорят: «Самолет виден», подразумевают, что света, от-
раженного от него, достаточно, чтобы создать зрительное
восприятие в глазу человека.

При работе радиолокатора излучаемые им радио-
волны, так же как и световые волны в прожекторе, кон-
центрируются антенной в виде узкого луча. Часть излу-
ченной энергии радиоволн, достигнув самолета, отра-
жается обратно.

При работе прожекторов мы имеем дело с непрерыв-
ным потоком излучаемой и отражаемой энергии. Поэтому
мы не в состоянии определить расстояние до самолета и
можем узнать лишь направление, в котором он нахо-
дится.

При работе радиолокатора, излучающего энергию не
непрерывно, а в виде коротких импульсов, можно изме-
рить время, которое требуется импульсу энергии для до-
стижения им самолета и возвращения обратно, а следо-
вательно, можно определить не только направление, но
и расстояние до цели.

Независимо от того, с каким видом волн мы имеем
дело — световыми или радиоволнами,t величины энергии,
отраженной от самолета, будут примерно одинаковыми
при прочих равных условиях. Это объясняется тем, что в
обоих случаях длины волн малы по сравнению с разме-J
рами отражающей цели. Действительно, длина световых
волн порядка 0,5* 10~4 см, а длина волны радиолокатора
примерно 10 см, в то время как длина самолета-бомбар-
дировщика около 30 м.

До тех пор пока размеры цели значительно превы-
шают длину волны, для вычисления величины отражен-
ной электромагнитной энергии применимы законы гео-
метрической оптики. В тех случаях, когда размеры цели
соизмеримы или меньше длины волны, задача вычисле-
ния энергии становится более сложной. Такие условия
имеют место при радиолокационном обнаружении капли
дождя или областей с такими каплями.-

ОТРАЖЕНИЕ ОТ ЕДИНИЧНОЙ ДОЖДЕВОЙ КАПЛИ

Рассмотрим вначале отдельную дождевую каплю, счи-
тая ее сферой с диаметром 0,1 см. Размер такой капли
в 100 раз меньше длины волны Т0-сантиметрового радио-
24
локатора. Какую же мощность способна отразить подоб-
ная капля обратно, в антенну радиолокатора?

Эта задача была решена в 1871 г. известным англий-
ским ученым Релеем. В то время еще не было радиолока-
ции, появившейся, как известно, почти через 60 лет. Ре-
лея же интересовал вопрос о причине голубого цвета
неба.

Хорошо известно, что видимые лучи солнечного света
состоят из всех цветов спектра — от фиолетового до
красного. Это хорошо видно на примере радуги. Каждый
цветовой оттенок радуги представляет собой электро-
магнитную волну определенной длины. Длины волн воз-
растают при переходе от фиолетовой части спектра к
красной. Релей показал, что молекулы воздуха и мель-
чайшие частички пыли рассеивают попадающий на них
свет, причем короткие волны рассеиваются более интен-
сивно, чем длинные. Таким образом, фиолетовые и синие
компоненты солнечного света отражаются по направле-
нию к земле сильнее, чем желтые и красные. Так как ин-
тенсивность фиолетовой части спектра мала по сравне-
нию с синей, небо большей частью окрашено в голубой
цвет. Релей вывел уравнение для расчета мощности, рас-
сеиваемой частицами, размер которых много меньше
длины волны. Так как в действительности капли дождя
значительно меньше длины волны радиолокатора, урав-
нение Релея справедливо и в этом случае.

Выше был использован термин «отражение», харак-
теризующий мощность, возвращенную в приемник радио-
локатора. Сейчас мы ввели новый термин — «рассеяние».
Для того чтобы внести ясность в терминологию, необхо-
димо понять, как ведут себя сферические водяные ча-
стицы, облучаемые радиоволнами. При прохождении
радиоволны через капельку некоторое количество энер-
гии волны поглощается ею. Адсорбируя энергию, вода
немного нагревается. Другая часть падающей энергии
мгновенно излучается каплей во всех направлениях. Доля
энергии, вторично излучаемой каплей в направлении, об-
ратном распространению волны, т. е. к радиолокатору,
превышает энергию, излучаемую в направлении, перпен-
дикулярном лучу.

Процесс вторичного излучения захваченной каплей
энергии и называется рассеиванием. Мощность, рассеян-
ная в направлении радиолокатора, называется обратно
рассеянной. Именно эту мощность и можно рассматри-
вать как отраженную каплей.

Для больших целей величина отраженной мощности
пропорциональна их поперечному сечению. Закон рассея-
ния Релея показывает, что это условие не выполняется
для очень малых целей, какими являются облачные и
дождевые капли. Согласно этому закону, для данной
длины волны обратно рассеянная мощность пропорцио-
нальна диаметру капли в шестой степени.

В качестве примера рассмотрим 10-метровый радио-
локатор, облучающий капельку диаметром 0,1 см. Если
обозначить отраженную этой капелькой мощность че-
рез Р, то для капли вдвое большего диаметра, т. е. 0,2 см,
величина отраженной мощности будет 2(6Р = 64Р. Соот-
ветственно для капли диаметром 0,3 см эта мощность
будет составлять 729Л Если бы отраженная мощность
была пропорциональна площади поперечного сечения
цели, как это имеет место при очень больших размерах
цели по сравнению с длиной волны, величины отражен-
ной мощности для капель диаметром 0,1, 0,2 и 0,3 см со-
ставляли бы соответственно Р, 4Р и т. д. Этот пример
наглядно показывает, как сильно зависит количество от-
раженной каплей мощности от ее диаметра.

Закон Релея также поясняет влияние длины волны на
количество отраженной каплей энергии. Он устанавли-
вает, что отраженная мощность обратно пропорциональна
четвертой степени длины волны. Следовательно, если
диаметр капли остается постоянным, отражение будет
тем сильнее, чем короче длина волны. Так, например,
мощность, отраженная 5-сантиметровой волной, была бы
в 16 раз больше, чем мощность, отраженная 10-санти-
метровой волной, если при этом диаметр капли оста-
вался бы неизменным. Таким образом, можно констати-
ровать, что для получения сильного радиоэхо от капель
малого размера следует использовать радиолокатор, ра-
ботающий на очень короткой длине волны.

Однако при выборе наиболее выгодной длины волны
для обнаружения дождей следует учитывать не только
отражательную -способность капель, но и ряд других фак-
торов, главным из которых является эффект ослабления
мощности излучаемого и отраженного сигнала вследствие
его прохождения в атмосфере, облаках и каплях дождя.

Ослабление возрастает при переходе к более корот-
ким волнам. По этой причине для наблюдения за облож-
ными дождями, занимающими большие площади, жела-
тельнее применять радиолокаторы, работающие на более
длинных волнах, например от 10 до 20 см. На таких вол-
нах общее ослабление сигнала за счет поглощения и рас-
сеяния значительно меньше, чем на волнах длиной от 1
до 3 см. Таким образом, при выборе длины волны радио-
локатора, применяемого для наблюдения за дождями,
приходится учитывать два противоречивых фактора.
С одной стороны, желательно применять короткие волны,
обеспечивающие возможность обнаружения мелких ка-
пель. С другой стороны, увеличение длины волны умень-
шает общее ослабление сигнала. Очевидно, что при вы-
боре рабочего диапазона станции следует исходить из
компромиссного решения. Большинство исследователей
считает оптимальной для наблюдения за дождями длину
волны 5 см. Практически для разных метеорологических
наблюдений используются радиолокаторы с длиной волны
1, 3, 5, ГО и 20 см. Выбор конкретной длины волны все-
цело определяется задачей исследования.

До сих пор мы имели дело только с дождевыми кап-
лями. Рассмотрим теперь, как изменится отражательная
способность этих капель, если они замерзнут. Если капли
малого диаметра, то их замерзание приводит к умень-
шению интенсивности радиоэхо по сравнению с такими
же, но жидкими каплями примерно в пять раз. Вопросы
отражения от больших ледяных частиц несферической
формы рассмотрены в следующей главе.

ОТРАЖЕНИЕ ОТ ГРУППЫ ДОЖДЕВЫХ КАПЕЛЬ

Простые расчеты мощности, отраженной дождевой
каплей, показывают, что она слишком мала, чтобы быть
обнаруженной обычным радиолокационным приемником.
Например, капля диаметром 0,1 см, находящаяся на рас-
стоянии 10 км от станции, создает на входе обычно ис-
пользуемого для метеорологических наблюдений 10-сан-
тиметрового радиолокатора мощность около 6-ГО-20 вт.
Такая мощность много меньше мощности минимально
обнаруживаемого сигнала, составляющего для большин-
ства станций 10"13 вт,
В действительности в зоне, облученной радиолокато-
ром, находится не одна, а множество капель. Исследова-
ния показали, что обычно число капель в единице объема
уменьшается с ростом их диаметра, а абсолютное коли-
чество капель меняется в широких пределах. Наиболее
часто в 1 куб. м воздуха содержится от 100 до 1000 ка-
пель дождя.

Допустим, что радиолокатор имеет симметричный луч
шириной 3° и излучает импульсы с пространственной дли-

Рис. 11. Обратно рассеиваемая мощность
одновременно создается всеми каплями,
находящимися в объеме усеченного конуса
с основанием, равным площади луча, и вы-
сотой, равной половине протяженности
импульса (обычно 150 м).

ной 300 м. Тогда все капли, заключенные в объеме луча
антенны с длиной, равной половине пространственной
протяженности импульса, смогут одновременно отражать
падающую на них мощность в антенну радиолокатора
(рис. 11). Ввиду сложности объяснения причины, по ко-
торой при рассмотрении облучаемого объема во внима-
ние принимается лишь половина пространственной длины
импульса, не будем останавливаться на ней более по-
дробно, так как это не является принципиальным. Инте-
ресующийся читатель способен самостоятельно дать
подробное объяснение.

Итак, если на расстоянии 10 км луч радиолокатора
заполнен дождевыми каплями, концентрация которых
равняется БОО1/^3, то для расчета общего числа капель,
одновременно участвующих в отражении падающей на
них мощности, следует умножить их концентрацию на об-
лученный объем. Для наиболее типичного метеорологи-
ческого радиолокатора с шириной луча 3° и простран-
ственной длиной импульса 300 м общее число таких ка-
пель в облученном объеме будет составлять около 2* 10 10,
28'
Если принять, что мощность, отраженная отдельной
каплей, 6- Ю*-20 вт, а число таких капель 2- 1010, то об-
щая мощность, отраженная от дождя, будет 12 • 1010 вт.
Величина такого сигнала намного превышает порог обна-
ружения радиолокатора, поэтому радиоэхо дождя будет
отчетливо видно на индикаторе. Заметим, что в рассма-
триваемом нами случае мы пренебрегли эффектом ослаб-
ления. Такое приближение допустимо, однако, только до
тех пор, пока используются радиоволны длиной 10 см и
более. В случае применения более коротких волн при
расчетах общей отраженной мощности должны быть
введены соответствующие поправки на ослабление.

Водяные частицы диаметром 0,1 см уже можно рас-
сматривать как капли дождя, так как они, прежде чем
испариться, в состоянии пройти путь в несколько тысяч
метров. Для обнаружения облаков, состоящих из дожде-
вых частиц, могут быть использованы радиолокаторы,
работающие в широком диапазоне волн. Частицы разме-
ром от 0,01' до 0,001 см являются облачными каплями.
Такие капли не могут быть обнаружены с помощью
радиолокаторов, работающих на длине волны более 10 см.
Для метеорологических наблюдений за облачностью сле-
дует использовать радиолокаторы с длиной волны
около 1 см.

В главе 5 рассмотрен вопрос об использовании радио-
локатора для измерения интенсивности дождей, а.в связи
с этим и задача о рассеянии радиоволн каплями дождя.
Однако прежде чем рассматривать этот вопрос, полезно
остановиться на особенностях отражения радиоволн от
самых больших частиц, присутствующих в облаках. Та-
кими частицами являются градины, поэтому следующая
глава посвящена их взаимодействию с радиоволнами.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

РАДИОЛОКАТОР ОБНАРУЖИВАЕТ ГРАД

Когда было установлено, что радиолокатор способен
обнаруживать дожди, метеорологи приняли на вооруже-
ние гидрометеорологической службы радиолокационные
средства. В то же время продолжались поиски новых пу-
тей применения радиолокации. Прежде всего усилия
были направлены на то, чтобы разработать метод наблю-
денйя за градом, как наиболее опасным видйм осадков,
приносящих ежегодно огромные убытки людям.

Читатель, вероятно, представляет себе град — боль-
шие сферические ледяные частицы, выпадение которых
обычно сопровождается грозовыми явлениями. Во многих
частях света град — чрезвычайно редкое явление. Однако
в ряде областей град выпадает регулярно. К таким градо-
носным районам относятся: западная часть Великой

Рис. 12. Градина диаметром около 7,5 см.

Равнины Соединенных Штатов Америки, Канада, Север-
ная Италия, южная часть ФРГ, Кавказ. В этих местах
град, достигая необычайной силы, уничтожает зерновые
посевы, сбивает фрукты, разрушает строения.

В отдельных местах отмечались градины диаметром
свыше 7—8 см. Так, например, на западе штата Коло-
радо— наиболее градоносной области — примерно ка-
ждый седьмой шторм сопровождается выпадением гра-
дин, диаметр которых превышает 2—3 см. На рис. 12 по-
казана большая градина, выпавшая в этой области.

Известно, что град опасен не только для людей и их
имущества, но и для (самолетов. Эта опасность возрастает
по мере увеличения скорости воздушных кораблей. Так,
реактивный самолет, летящий со скоростью 800 км/час,
может получить серьезные повреждения, если он встре-
тится с градиной диаметром 5 см. Известен случай, когда
в США реактивному бомбардировщику были нанесены
сильные повреждения в результате попадания его на вы-
соте 10 000 м в область града, диаметр которого превы-
шал 5 см. Одно время считалось, что на таких больших
высотах вероятность града невелика. Однако в настоя-
щее время, когда полеты на этих высотах стали обычным

Рис. 13. Радиоэхо грозы с гра
дом на индикаторе кругового обзора
5,5-сантиметрового самолетного ра-
диолокатора. Масштаб меток даль-
ности 8 км. Стрелкой обозначен «па-
лец» радиоэхо, указывающий на
присутствие града.

явлением, установлено, что град может забрасываться
туда сильными восходящими потоками во время гроз.

Очевидно, что при исследовании гроз с помощью
радиолокационных средств весьма желательно разли-
чать, содержат ли они град и каковы его размеры, К со-
жалению, град обычно сопровождается дождем, а по-
этому радиоэхо града на индикаторах кругового обзора
во многих отношениях напоминает радиоэхо грозового
облака, в котором имеются лишь дождевые капли
(рис. 13),
В 1955 г. директор метеорологической службы воз-
душного флота США Гаррисон с группой исследовате-
лей провел работы по анализу особенностей радиоэхо
градовых облаков. Они пришли к заключению, что кри-
терием наличия града в облаке является определенная
форма и интенсивность его радиоэхо. На основании вы-
полненной работы пилотам были даны практические ука-
зания, предписывающие обход подобных областей радио-
эхо на расстоянии более 8 км. Имея радиолокатор на
борту самолета, пилот мог легко выполнять такое указа-
ние. Начиная с 1956 г., когда этот порядок был введен
в воздушном флоте США, удается избегать аварий и по-
вреждений самолетов в результате их попадания в градо-
вые облака.

Несмотря на то что метод обхода самолетом градовых
облаков хорошо разработан, в настоящее время исследо-
ватели продолжают поиски способов радиолокационного
разделения дождевых облаков от градовых, а также
способов определения размеров града. В последние годы
в этом направлении получены обнадеживающие резуль-
таты.

В 1957 г. Дональдсон провел тщательный анализ ин-
тенсивности радиоэхо грозовых облаков, сопровождаю-
щихся градом. Он нашел, что в подобных случаях интен-
сивность радиоэхо много выше, чем следовало бы ожи-
дать даже при выпадении наиболее сильных дождей.
Аналогичные исследования вскоре были выполнены и в
Англии. Атлас, работающий совместно с Ладламом
в исследовательском центре Кембриджа, предположил,
что причиной возникновения интенсивного радиоэхо от
града является его большая, чем у водяных капель, отра-
жательная способность.

Любопытно, что это предположение было высказано
и проверено много раньше. Действительно, в 1946 г.
Райдом в Англии была опубликована статья, в которой
он теоретически доказал, что град обладает высокой
радиолокационной отражаемостью. К сожалению, полу-
ченные им результаты не были обобщены. Поэтому мно-
гие исследователи, занимающиеся подобными вопросами,
были в недоумении от того, что отражаемость ледяных
частиц почти в пять раз меньше, чем водяных.

В 1959 г. Атлас, Ладлам и др. провели прямое изме-
рение обратного рассеяния градом. Их эксперимент был
прост по замыслу. Путем замораживания воды в спе-
циальных формах были изготовлены ледяные шарики.
Шарики подвесили на нейлоновой нити к привязанному
аэростату на 50 м ниже его. Аэростат был отнесен при-
мерно на 1,6 км от радиолокатора (рис. 14). Предвари-
тельно с помощью холодильных ящиков ледяные сферы
доводились до температуры —40° С. Вследствие такой
низкой температуры сферы оставались сухими на высоте

Рис. 14. Схема измерения радиолокацион-
ной отражаемости ледяных сфер.

1 — ледяная сфера.

в несколько сотен метров в течение достаточно длитель-
ного времени, пока велись измерения. Таяние частиц на-
чиналось только тогда, когда внешний слой льда при-
обретал температуру 0°С. Измерения мощности, отра-
женной от сухой ледяной сферы и сферы, начавшей
таять, позволили выяснить влияние тонкой водяной обо-
лочки на радиолокационную отражаемость.

ТЕОРИЯ МИ

Изучив результаты предыдущих измерений, автор и
Герман провели в Аризонском университете теоретиче-
ский вычисления величины обратного рассеяния от сухих
и обводненных ледяных сфер. Работы выполнялись с по-
мощью электронно-вычислительной машины, которая
позволила в короткое время решить сложнейшие урав-
нения, относящиеся к данному вопросу. В наиболее об-
щем виде теория рассеяния электромагнитных волн на
сферических частицах произвольного размера была раз-
вита с 1908 г. ученым Ми. С тех пор она применялась к
широкому кругу задач, в которых рассматривается обрат-
ное рассеяние сферами. Эту же теорию использовал и
Райд в 1946 г. для исследования отражения от сухих гра-
дин. Независимо от Райда экспериментальное и теорети-
ческое изучение отражения от града было выполнено в

Рис. 15. Сравнительные харак-
теристики обратного рассеяния
водяными и ледяными сферами
на волне 3 см. По вертикаль-
ной оси отложена величина,
называемая приведенным попе-
речным сечением обратного
рассеяния, по горизонталь-
ной— диаметр сфер. Отражен-
ная мощность пропорцио-
нальна значениям по верти-
кальной оси, умноженным
на соответствующие величины
площадей поперечного сечения
сфер.

1 — ледяные сферы, 2 — водяные
сферы.

Техасском университете.

Сравнение теоретических
и экспериментальных ре-
зультатов показало, что они
хорошо согласуются. Таким
образом, одиночная крупная
градина отражает в радиоло-
катор в миллионы раз боль-
шую мощность, чем отдель-
ная -капля дождя. Теперь
становится ясным, что очень
интенсивные радиоэхо грозо-
вых облаков, наблюденные
Дональдсоном, были обу-
словлены присутствием в них

'града.

Кроме того, .исследования
показали, что в тех случаях,
когда частицы града по-
крыты тонким слоем воды,
они отражают мощность так
же, как если бы они со-
стояли полностью из воды.
Наблюдаемые сильные отра-
жения от крупных градин
происходят из-за того, что су-
хой лед слабо поглощает
электромагнитные волны и
градина ведет себя ‘подобно
линзе. Падающая на нее

мощность фокусируется на противоположной стороне
сферы и затем отражается обратно, по направлению к
радиолокатору. Когда лед начинает таять, условия отра-
жения резко меняются. Вода поглощает электромагнит-
ную энергию гораздо сильнее, чем лед. В результате, если

градина покрыта даже тонкой пленкой воды, толщина
которой всего 0,0Г см, значительная часть падающей
энергии будет поглощена еще до того, как произойдет
фокусирование и рассеяние энергии от выпуклого перед-
него края сферы. Очевидно, что вследствие значитель-
ного поглощения энергии пленкой воды величина обратно
рассеянной мощности для обводненной сферы будет
меньше, чем для чисто ледяной такого же размера.

На рис. 15 приведены сравнительные величины мощ-
ности, принятой 3-сантиметровым радиолокатором от во-
дяных и ледяных сфер различных размеров. Как было
отмечено в главе 2, в случае очень малых частиц вели-
чина рассеянной мощности для водяных сфер выше, чем
для ледяных. Для больших частиц справедливо обрат-
ное положение. Если на ледяной частице образуется тон-
кий слой воды (толщина около 0,1 мм), то такая частица
будет рассеивать так же, как если бы она целиком со-
стояла из воды.

ИНТЕНСИВНОСТЬ РАДИОЭХО

Теория Ми, а также экспериментальные результаты,
полученные для сфер большого размера, наглядно пока-
зывают, что, если размеры частиц равны или больше
длины волны радиолокатора, простой закон рассеяния,
удовлетворяющий уравнению Релея, становится непри-
менимым. Рассеивающие свойства таких частиц не могут
быть описаны простым уравнением с несколькими чле-
нами. Математическое выражение для интенсивности рас-
сеяния этими частицами достаточно сложно и графи-
чески может быть представлено в виде кривой колеба-
тельного характера (рис. 15).

Таким образом становится очевидным, что в некото-
рых случаях нельзя судить о наличии града только на
основании измерения интенсивности радиоэхо. Предпо-
лагать наличие града в облаке можно лишь тогда, когда
мощность радиоэхо превосходит значение, которое можно
было бы ожидать от дождя максимальной интенсивности.

Данные о наличии града в грозовом облаке могут
быть получены и из другого вида радиолокационной ин-
формации. Дональдсон, а затем и Дуглас, работающие
в Мак-Джилльском университете, показали, что, чем
больше вертикальная протяженность радиоэхо грозового
облака, тем выше вероятность образования в нем града.
Этот критерий основывается на том, что для образова-
ния града в грозовом облаке должны существовать до-
статочно сильные восходящие потоки. Для того чтобы
диаметр градины мог увеличиться до нескольких санти-
метров, градина должна удерживаться в верхней части
грозового облака в течение ГО—20 минут. Для этого и
необходимы мощные восходящие потоки, способные под-
держивать градины в верхней части облака.

Можно констатировать, что грозовые облака очень
большой вертикальной мощности, простирающиеся до
стратосферы и создающие очень интенсивное радиоэхо,
содержат град. Следует также отметить, что, чем выше
интенсивность радиоэхо, тем больше размеры градин.

Основываясь на результатах теоретических и экспери-
ментальных исследований особенностей обратного рас-
сеяния града, Атлас и Ладлам предложили метод, позво-
ляющий определять размеры градин и их число в еди-
нице объема облака. Этот метод предусматривает изме-
рение интенсивности радиоэхо с помощью трех радиоло-
каторов, работающих на разных длинах волн. Для
каждой длины волны снимается кривая, подобная изобра-
женной на рис. 15. Различие между этими кривыми будет
состоять лишь в том, что в зависимости от длины волны
они будут смещены вправо или влево. Сравнивая изме-
ренные значения отраженной мощности, с помощью трех
кривых можно определить наиболее вероятные размеры
присутствующих в облаке градин. В настоящее время
этот новый метод проходит испытания.

Все вышесказанное поясняет, каким образом град,
обычно замаскированный дождем, может быть обнару-
жен с помощью радиолокационных средств.

ГЛАВА ПЯТАЯ

ИЗМЕРЕНИЕ ЖИДКИХ ОСАДКОВ
С ПОМОЩЬЮ РАДИОЛОКАТОРА

Атмосферная вода играет очень важную роль почти
во всех сферах человеческой деятельности. Поэтому уже
с давних пор люди научились измерять количество вы-
павших осадков. К счастью, сведения о количестве
жидких осадков, выпадающих в определенной точке, по-
лучить весьма несложно. В качестве дождемера может
быть использовано обыкновенное ведро; поместить его
следует на определенном расстоянии от деревьев и строе-
ний. В настоящее время большая часть данных о выпав-
ших осадках получена с помощью аналогичных при-
боров.

Так, например, стандартный дождемер Бюро погоды
США (рис. 16) представляет собой цилиндрический сосуд
с заборным отверстием диаметром 200 мм. Попавшая в
него дождевая вода сливается в узкий внутренний ци-
линдр. Количество жидких осадков определяется путем
погружения в такой цилиндр измерительной планки. Пло-

щадь поперечного сечения узкого цилиндра составляет

одну десятую площади заборного от-
верстия. Поэтому, если погруженная в
узкий цилиндр планка показывает, что
уровень воды 5 см, нетрудно пере-
считать действительное количество
осадков: оно равно 0,5 см. Для упро-
щения и быстроты отсчета измеритель-
ная планка обычно градуируется в еди-
ницах измерения осадков.

В других странах применяются
дождемеры, работающие на этом же
принципе; они различаются лишь дета-
лями, например площадью заборного
отверстия.

Если осадки выпадают в виде сне-
га, количество их измеряется высотой
столба воды, получаемой после его
таяния. Как правило, высота снежного
столба в 10 раз больше высоты столба

Рис. 16. Стандарт-
ный дождемер Бю-
ро погоды США.

воды, получаемой после таяния снега. Так, например,
высоте снежного покрова 25 см соответствует слой воды

примерно 2,5 см.

Рассмотренные нами типы дождемеров дают показа-

ния лишь в тех случаях, когда количество собранной ими

воды достаточно для производства отсчета с помощью
измерительной планки. Другими словами подобные дож-
демеры пригодны для измерения осадков, выпавших за
достаточно длинный промежуток времени. Подобный ме-
тод обычно используется, когда измерения проводятся с
интервалами в несколько часов. В результате такие из-

мерения не характеризуют интенсивности осадков, т. е.
количество дождя, выпадающего в минуту или в час. Для
измерения интенсивности осадков в метеорологии приме-
няются специальные дождемеры. В этих приборах, как и
в обычных дождемерах, тоже имеется отверстие для
сбора осадков, однако способ измерения несколько иной.
В настоящее время наиболее широко распространены
два типа дождемеров, измеряющих интенсивность осад-
ков: 1) дождемер с опрокидывающимся ведром и 2) ве-
совой дождемер.

В дождемере с опрокидывающимся ведром вода через
воронку и узкое отверстие попадает в одно из двух ма-
леньких ведер, подвешенных на концах коромысла. Ведро
вмещает количество воды, эквивалентное слою дождя
0,025 см. Ведро закреплено так, что когда оно напол-
няется водой, то переворачивается и вода выливается.
В этот момент дождевая вода начинает заполнять второе
ведро. Когда и второе ведро оказывается заполненным,
оно также опрокидывается и освобождается от воды, в
то время как первое ведро возвращается в исходную по-
зицию. Число опрокидываний ведер регистрируется само-
писцем. Так как количество дождевой воды, необходимой
для заполнения одного ведра, известно, общее количество
осадков может быть получено умножением количества
воды в ведре на число опрокидываний за определенный
интервал времени, например за час.

Как показывает само название, в весовом дождемере
используется принцип измерения выпавших осадков.
Осадки, попадающие сквозь верхнее заборное отверстие
дождемера, поступают в сосуд, связанный с весами. Дви-
жение весов регистрируется на движущейся бумажной
ленте. По мере накопления воды или снега в сосуде перо
самописца перемещается на бумаге, приводимой в свою
очередь в движение часовым механизмом. Зная вес еди-
ницы объема воды, нетрудно вычислить и толщину слоя
выпавших осадков по общему весу собранной воды, а
принимая во внимание скорость перемещения диаграмм-
ной бумаги, — и интенсивность осадков.

В тех случаях, когда интерес представляет лишь об-
щее количество осадков, приходящееся на данную пло-
щадь, все три способа измерения дают удовлетворитель-
ные результаты. Однако следует заметить, что данные,
которые будут получены с помощью таких дождемеров,
приложимы к очень малой площади. Точнее, эта инфор-
мация достоверна лишь для площади, равной поверх-
ности верхнего заборного отверстия дождемера. Зимой
интенсивность осадков часто мало меняется на неболь-
ших расстояниях, поэтому измерения в одной точке могут
характеризовать интенсивность выпадающих осадков в
радиусе нескольких километров вокруг дождемера.
Однако для летних осадков типа ливней и гроз колеба-
ния интенсивности дождя даже в очень малых расстоя-
ниях могут быть весьма значительными. Например, диа-
метр зоны ливней может быть равен всего 2—3 км с
очень резкими границами между областями выпадающих
осадков. Зачастую при ливнях в одной части города идет
сильный дождь, а в другой осадки совсем отсутствуют.
В этом случае одиночный дождемер, находящийся, на-
пример, в центре города, будет характеризовать очень
малую площадь, охваченную осадками. Практически
невозможно создать сеть дождемеров, расположенных
через 1—2 км по всей территории. Поэтому до настоя-
щего времени метеорологи были вынуждены удовлетво-
ряться недостаточно эффективным методом измерения
осадков. Однако радиолокация сделала возможным про-
извести коренные изменения в этой области.

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
ИН1ЕНСИВНОСТИ ОСАДКОВ

В главе 3 было показано, что мощность, отраженная
от облака, содержащего водяные капли, зависит от раз-
меров этих капель. Если параметры радиолокатора точно
известны, для определенной мощности можно записать
следующее уравнение:

р=^--	(1)

В уравнении (1) Р — средняя мощность, рассеянная
обратно областью дождевых капель со средним диамет-
ром Р, расположенной на расстоянии г от радиолокатора.
Чтобы получить значение среднего диаметра капли D,
необходимо подсчитать величину Z)6 для всех размеров
капель, просуммировать их, разделить на общее число
капель и, наконец, извлечь корень шестой степени. Коэф-
фициент Л в уравнении (1)—постоянный множитель,
главным образом зависящий от параметров радиолока-
тора, a N — число капель дождя, приходящееся на еди-

5 Л. Дж. Баттан

39
ницу объема. Уравнение (1) применимо до тех пор, пока
длина волны радиолокатора много больше диаметра
дождевых частиц. При использовании 10-сантиметрового

радиолокатора это уравнение применимо ко всем дождям,
так как обычно дождевые капли редко имеют диаметр

более 0,8 см.

Можно показать, что существует корреляционная связь
между произведением NDQ и интенсивностью дождя J.
В этом случае уравнение (1) - может быть представлено
в виде зависимости Р от J. Если бы все капли имели

одинаковые размеры, такое преобразование можно было

Рис. 17. Распределение числа ка-
пель по размерам в типичном
ливне

ходе

от одного типа дождя к

бы выполнить весьма лег-
ко. К сожалению, это
почти никогда не имеет
места. Известно, что круп-
ных капель в дожде всегда
много меньше, чем мел-
ких. На рис. 17 показано,
каким образом меняется
число капель в зависи-
мости от их размеров для
одного из типичных дож-
дей. Многочисленными из-
мерениями было показано,
что спектр распределения
капель по размерам ме-
няется от дождя к дождю

и что эти изменения осо-
бенно велики при пере-
другому. Так, например,

дожди, выпадающие в горах тропических островов, значи-
тельно отличаются своей микроструктурой от грозовых
дождей на континентах. Значительные вариации в спект-
рах размеров капель различных дождей затрудняют на-
хождение корреляционной связи между Р и J. Однако
такая связь все же существует.

Измерения диаметров капель дождя и интенсивности
осадков были выполнены многочисленными исследовате-
лями в различных частях света. Статистический анализ
этих данных позволил найти различные корреляционные
соотношения между D и J. В результате исследований
было показано, что для большинства дождей, кроме не-
которых типов тропических ливней и мороси, удовлетво-
рительные результаты получаются, если применить сле-
дующее уравнение:

ND6 = 200/1’6.	(2)

Если теперь подставить уравнение (2) в уравнение (1),
то получим, что

где С — постоянная, равная 200 Л.

Уравнение (2) позволяет вычислять интенсивность
дождя Л если известно его удаление г и величина отра-
женной от него мощности Р. Оба эти параметра можно
получить из радиолокационных измерений. Подобное
уравнение может быть выведено и для снега.

Уравнение (3) было тщательно исследовано путем
непосредственного измерения осадков, выпадающих над
заданной площадкой, находящейся на известном расстоя-
нии, и синхронного радиолокационного измерения мощ-
ности, рассеянной объемом, заполненным каплями и рас-
положенным непосредственно над той же площадкой.
Если луч радиолокатора направлен слишком высоко, по-
казания радиолокатора могут не дать истинной интенсив-
ности осадков, так как дождевые капли в процессе их
падения на землю меняют свои размеры как за счет слия-
ния при столкновении с другими каплями, так и за счет
разбрызгивания.

Остин с группой сотрудников в Массачусетсском тех-
нологическом институте выполнила весьма интересную
работу по сравнению радиолокационных и дождемерных
измерений осадков. При выполнении этой работы были
приняты меры к уменьшению возможных ошибок изме-
рений. С этой целью использовались специальные дожде-
меры и весьма чувствительные приборы для измерения
мощности отраженных сигналов.

Величина Р в уравнении (3) характеризует среднее
значение мощности сигнала, отраженного от капель над
дождемером. В то же время дождевые капли находятся
в постоянном движении под действием сил гравитации и
турбулентного перемешивания. В результате величина Р
быстро меняется во времени. На индикаторе типа А
радиоэхо дождя похоже на травку, которая колеблется

5*

41
вверх и вниз. Наблюдая за индикатором, можно отметить
уровень, около которого происходит колебание сигналов,
и таким образом установить точное значение средней
мощности отраженного’ сигнала.

Наилучший путь измерения Р состоит в использова-
нии специального устройства, получившего название
«интегратор импульсов». Это устройство суммирует на-
пряжение сигналов от большого числа импульсов и вы-
числяет их среднее значение. Зная среднее напряжение,
можно получить Р, так как средняя мощность приблизи-
тельно равна квадрату среднего напряжения сигнала.
Этим методом, например, пользовалась Остин в своих
исследованиях.

Измерения, проведенные в Массачусетсском техноло-
гическом институте и других исследовательских центрах,
показали, что тщательно откалиброванный радиолокатор,
работающий на длине волны, для которой ослабление
незначительно, дает несколько заниженные значения
интенсивности осадков по сравнению с дождемерными
измерениями. К сожалению, до сих пор еще не найдено
удовлетворительного объяснения этому явлению. Однако,
так как это расхождение всегда лишь в одну сторону, его
можно учесть умножением правой части уравнения (3)
на соответствующий поправочный множитель. Для 10-сан-
тиметрового радиолокатора такой множитель равен 0,2.
При введении поправки интенсивность осадков может
быть измерена радиолокационным способом с удовлетво-
рительной точностью.

ИЗМЕРЕНИЯ ОСАДКОВ НА МАЛОЙ ПЛОЩАДИ

Гидрологов, изучающих течение рек, обычно не инте-
ресует интенсивность осадков в одной точке. Напротив,
они хотят знать, какое количество дождя выпало над
водной поверхностью за прошедший час или несколько
часов. Имея такие сведения, можно вычислить скорость,
с которой вода будет стекать в ручьи и реки. Таким об-
разом можно предсказать уровень воды в различных ка-
налах, а также прогнозировать паводки и наводнения.
Зная количество осадков, выпадающих в данной мест-
ности в определенное время года, гидротехники могут
предотвращать наводнения, отводя воду с помощью пло-
тин и дамб, для того чтобы следующие порции выпавшей
воды могли быть запасены в водоемах и далее реализо-
ваны.

В районе большинства водоемов имеется сеть плюви-
ографов, расположенных на расстоянии в несколько де-
сятков километров друг от друга. Их данные исполь-
зуются для нанесения на карты изогиет — линий равной
интенсивности дождей. Для того чтобы правильно про-
вести изогиеты, необходимо иметь достаточное количе-
ство данных наблюдений. Так, например, на карте, при-

Рис 18 Карта изогиет.

/ — места расположения дождемеров,
2 — изогиеты. Цифры — количество осадков
в миллиметрах.

веденной на рис. 18, положение изогиеты 1,25 см недоста-
точно определенно. Действительно, на одной станции тол-
щина слоя выпавших осадков равна 2,5 см, а на другой,
удаленной от нее на 20 км, осадки совсем не выпадали.
Можно только предполагать, что в этом случае изогиета
1,25 см проходит между этими двумя станциями. Такая
неопределенность особенно затрудняет построение изо-
гиет для ливневых осадков во время гроз. Возможность
ошибок в этом случае очень велика. В тех случаях, когда
дождь более или менее однороден на большой террито-
рии, построение изогиет облегчается вследствие меньших
изменений дождя на малых расстояниях. Опытный иссле-
дователь, много лет имеющий дело с осадками и хорошо
знакомый с характеристиками различных облачных си-
стем, из которых они выпадают, обычно может выполнить
весьма точный анализ положения зон осадков. Однако
в тех случаях, когда изолированное грозовое облако дает
интенсивные осадки, даже очень опытные специалисты
могут допустить при построении изогиет серьезные
ошибки.

Как только гидролог, прогнозирующий паводки, по-
строил карту изогиет, он может оценить и общее коли-
чество осадков. Для этого необходимо умножить пло-
щадь, заключенную между двумя соседними изогиетами,
на соответствующую им среднюю интенсивность осадков.
Например, если площадь заштрихованной на рис. Г8
зоны составляет 22 кв. км, то общее количество выпав-
ших на нее осадков может быть получено -путем умноже-
ния 22 кв. км на среднюю интенсивность осадков, рав-
ную 1,8 см. Общее количество осадков составит в дан-
ном случае около 400 000 т воды. Производя подобные
вычисления для каждой зоны, заключенной между изо-
гиетами, и суммируя далее полученные результаты,
можно найти общее количество воды, выпавшее на всю
площадь, охваченную дождем. Очевидно, что если изо-
гиеты проведены неправильно, то и общее количество
воды, вычисленное таким способом, окажется ошибочным.

Радиолокатор может дать общую картину распреде-
ления осадков, а также некоторые дополнительные све-
дения, в значительной мере облегчающие построение
изогиет. Данные о площадном распределении осадков
могут быть использованы наряду с обычными дождемер-
ными наблюдениями. Однако радиолокация может при-
меняться и как самостоятельное средство для опреде-
ления общего количества осадков на малых площа-
дях.

В 1948 г. Байерс показал, что радиолокатор может
давать сведения об общем количестве осадков на малой
площади в том случае, если он соответствующим образом
откалиброван. Метод Байерса сводится к измерению
площади радиоэхо через пятиминутные интервалы, опре-
делению среднего значения этих площадей и затем умно-
жению его на общую продолжительность осадков. Полу-
ченная таким образом величина сравнивалась графиче-
ским путем с истинным количеством осадков, выпавших
на заданной площади. Истинное количество осадков было
получено с помощью густой сети плювиографов, располо-
женных на расстоянии 1 км друг от друга. Такой метод
ПОз&олил построить «калибровочную кривую», графи-
чески выражающую зависимость общего количества
осадков от -площади радиоэхо. Если подобная кривая
получена, в дальнейшем можно определять общее коли-
чество осадков путем измерения площади радиоэхо. По-
добный метод носит чисто статистический характер.
Интенсивность радиоэхо при этом не принимается во
внимание.

Более точный способ измерения осадков был предло-
жен Рокнеем. Этот способ был детально разработан Хай-
зером и сотрудниками Майамского университета, кото-
рые осредняли площадь радиоэхо фотографическим мето-
дом, учитывая одновременно и его интенсивность. После
того как радиолокатор был тщательно откалиброван,
производилось фотографирование экрана индикатора
кругового обзора с очень длительными экспозициями.
Например, при определении количества осадков, выпав-
ших на данной площади за период с 12 до 15 часов, про-
должительность экспозиции равнялась этому периоду.
Для радиолокатора, антенна которого вращается со
скоростью 10 оборотов в минуту, за время экспозиции на
пленку будет наложено Г8 ООО отдельных изображений.
Вследствие движения радиоэхо по экрану его изображе-
ние на фотографии будет размазанным. Плотность по-
чернения в любой точке пленки будет зависеть от двух
факторов: 1) интенсивности радиоэхо и 2) длительности
его существования. Для использования этого метода
необходимо иметь специальную пленку и тщательным об-
разом ее обработать.

После того как получена негативная пленка, степень
ее почернения  измеряется с помощью специального
устройства, носящего название «фотоденситометр». Этот
прибор определяет плотность почернения пленки по ко-
личеству света, проходящего сквозь нее. Если измерить
плотность почернения пленки в тех местах, где располо-
жены дождемеры, то, зная расстояние от них до радио-
локатора, можно построить семейство кривых интенсив-
ности осадков. На рис. 19 показаны графические резуль-
таты подобного рода градуировки. По горизонтальной
оси отложена плотность почернения пленки в условных
единицах, по вертикальной — расстояние. В каждой
точке графика, соответствующей положению дождемера,
отложено количество выпавших осадков, измеренное за
Плотность потемнения

Рис 19 Семейство кривых, ха-
рактеризующих зависимость ко-
личества осадков от расстояния
и степени потемнения пленки. На-
пример, если плотность пленки 10,
а расстояние 22 км, то интенсив-
ность осадков 1,25 см.

определенный период, например от 12 до 15 часов. В тех
случаях, когда на данной площади имеется достаточное
количество дождемеров, можно провести линии равного
количества осадков. Каждая линия характеризует ком-
бинацию расстояния и плотности почернения пленки, со-
ответствующую данному количеству осадков. Такая диа-
грамма представляет собой калибровочную карту для
радиолокатора и пленки. Получив один раз подобную
диаграмму, можно в дальнейшем по степени потемнения
пленки определять коли-
чество осадков и в тех
точках, где не было дож-
демеров. Для этого необ-
ходимо знать расстояние
до интересующего нас
места, измерить плотность
почернения пленки и най-
ти на диаграмме точку
пересечения соответствую-
щих горизонтальной и
вертикальной линий. Этот
способ можно использо-
вать и для вычисления
количества осадков во
многих точках, что позво-
лит построить более точ-
ную карту изогиет общего
количества осадков, а за-
тем рассчитать по ней об-
щее количество осадков,
выпавших над водоемом,
жидких осадков на задан-

ной площади было разработано несколько электронных
схем. Так, доктор Остин предложила метод измерения
осадков в одной точке, основанный на применении инте-
гратора импульсов для измерения средней мощности,
отраженной от осадков над площадью около 30 кв, км.
Для перевода отсчетов мощности в величины средней
интенсивности осадков было использовано уравнение, по-
добное (3). Повторив серию подобных наблюдений,
можно получить удовлетворительные сведения об общем
количестве выпавших осадков.

В одном из специальных ведомств штата Иллинойс

Для измерения количества
была разработана электронная аппаратура для автома-
тического измерения площадей радиоэхо. При фиксиро-
ванной чувствительности радиолокационного приемника
край радиоэхо соответствует определенной величине от-
раженной мощности. Это значение мощности может быть
сопоставлено с величиной интенсивности осадков, кото-
рая вычисляется из уравнения (3). Изменяя ступенями
чувствительность радиолокационного приемника, можно
получить данные о распределении интенсивности осадков
по площади. Работа электронной схемы рассчитана
таким образом, что для получения среднего количества
осадков над всем водоемом следует лишь умножить по-
лученные данные на соответствующую константу. Пре-
имущества электронных схем, употребляющихся для из-
мерения общего количества осадков, имеют принципиаль-
ный характер. С одной стороны, применение подобных
схем для получения количества осадков исключает ка-
кую-либо ручную обработку данных. С другой стороны,
этот метод более сложен, дорогостоящ и не всегда доста-
точно надежен в эксплуатации. Фотографический метод
длинных экспозиций значительно проще, чем электрон-
ный, и более надежен в работе.

Необходимо отметить, что все описанные методы
требуют, чтобы луч радиолокатора сканировал как
можно ближе к земле. Это обстоятельство чрезвычайно
затрудняет использование радиолокации для измерений
осадков в горных районах. Радиолокационные методы
измерения осадков более перспективны на равнинной
или слегка холмистой местности.

В настоящее время применение радиолокационной
техники для измерения жидких осадков задерживается
в значительной мере уровнем развития самих радиолока-
ционных средств. До последнего времени радиолокацион-
ные данные использовались лишь в качестве дополни-
тельной информации, облегчающей построение карт
изогиет. Более совершенные методы, к сожалению, еще
мало используются на практике. Однако начиная с 1951 г.
наблюдается сильный сдвиг в направлении более полного
и эффективного использования средств радиолокации
для измерения осадков. Можно ожидать, что в ближай-
шем будущем радиолокатор станет важнейшим средством
наблюдений и измерений осадков,
ГЛАВА Ш ЕСТАЯ

ОБРАЗОВАНИЕ ДОЖДЯ И СНЕГА

Обычно под естественными природными богатствами
понимают лишь минералы, добываемые из недр Земли.
Однако в последние годы ученые стали уделять много
внимания «богатствам атмосферы», а именно дождю и
снегу. Все чаще из разных частей света приходят сооб-
щения о нехватке воды. Это явление особенно харак-
терно для засушливых и полузасушливых районов.
К сожалению, оно не ограничивается только этими ме-
стами. В связи с увеличением населения Земли в сель-
ском хозяйстве более широко применяется ирригация,
растет, распространяясь по всему земному шару, про-
мышленность. А это с каждым годом увеличивает по-
требность в пресной воде. В ряде областей недостаток
дешевой воды является важнейшим фактором, ограни-
чивающим рост экономики.

В настоящее время имеется всего два основных
источника пресной воды: 1) накопленная вода в озерах
и подземных слоях, 2) вода в атмосфере в виде дождя
и снега.

В последнее время были предприняты большие уси-
лия по разработке средств опреснения воды в океанах.
Однако вода, получаемая подобным путем, еще слишком
дорога, чтобы ее можно было использовать для агротех-
нических и промышленных целей.

Воды озер имеют большое значение для близрасполо-
женных населенных пунктов. Но если озера удалены от
населенных пунктов на несколько сотен километров, зна-
чение их почти полностью утрачивается, так как про-
кладка труб, установка и эксплуатация насосов слишком
удорожают стоимость доставляемой воды. Вероятно, мо-
жет показаться удивительным тот факт, что в периоды
продолжительной жаркой погоды с малым количеством
осадков некоторые пригороды Чикаго испытывают
серьезную нехватку воды, несмотря на то что они нахо-
дятся менее чем в 80 км от одного из величайших хра-
нилищ пресной воды— озера Мичиган.

В некоторых районах, например в южной части штата
Аризона, большая доля воды, используемой для иррига-
ции и городского хозяйства, добывается из подземных
водоносных слоев. К сожалению, водоносные слои по-
полняются просачивающейся дождевой водой весьма не-
значительно. Та вода, которая добывается в настоящее
время из-под земли, весьма древнего происхождения:
она осталась там еще со времен обледенения. Количество
такой воды, называемой реликтовой, ограничено. Есте-
ственно, что при интенсивной добыче воды с помощью
насосов уровень ее все время понижается. Несомненно,
что общее количество подземной воды достаточно ве-
лико. Однако с чем больших глубин добывается вода,
тем она дороже. Поэтому для некоторых районов должны
изыскиваться другие, более рентабельные источники
пресной воды.

Одним из таких источников является атмосфера.
Благодаря испарению с морей и океанов в атмосфере
существует большое количество влаги. Как часто гово-
рят, атмосфера представляет собой океан с низкой плот-
ностью воды. Если взять столб воздуха, простирающийся
от поверхности земли до высоты 10 км, и сконденсиро-
вать весь водяной пар, содержащийся в нем, то толщина
слоя полученной воды будет лежать в диапазоне от не-
скольких десятых долей сантиметра до 5 см. Наимень-
ший слой воды дает холодный и сухой воздух, наиболь-
ший— теплый и влажный. Например, в южной части
штата Аризона в июле и августе толщина слоя воды,
содержащейся в столбе атмосферы, составляет в сред-
нем более 2,5 см. На первый взгляд это количество воды
кажется небольшим. Однако если учесть общую пло-
щадь, занимаемую штатом Аризона, то получится весьма
внушительная цифра. Следует также заметить, что за-
пасы этой воды практически неисчерпаемы, так как во
время ветров воздух штата Аризона постоянно насыщен
влагой.

Естественно возникает жизненно важный вопрос: ка-
кое же количество водяного пара может выпасть в виде
дождя или снега в данной местности? Метеорологи фор-
мулируют этот вопрос несколько иначе. Они спраши-
вают, насколько эффективны в этом районе процессы
образования дождя. Другими словами, какая часть воды
(в процентах), находящейся над данной поверхностью
в виде пара, действительно достигнет земли? Эффектив-
ность процессов образования дождя различна в разных
частях земного шара.
В холодных и влажных районах, как, например, на
полуострове Аляска, эффективность близка к 100%.
С другой стороны, для таких засушливых районов, как
штат Аризона, эффективность в течение сезона летних
дождей составляет всего около 5%. Если бы удалось уве-
личить эффективность даже на очень малую величину,
.скажем, до 6%, выпадение дождей возросло бы на 20%.
К сожалению, пока мы еще не знаем, как этого достичь.
Данная задача — проблема преобразования природы,
которую ученые всего мира пытаются решить в течение
многих лет. Попытки активных воздействий с целью
стимулирования процессов образования дождя начались
еще в 1946 г., когда Ленгмюр и Шефер показали, что
возможно искусственно вызывать осадки из определен-
ных типов облаков, засевая их ядрами сухого льда. С тех
пор в методах воздействия на облака достигнут опре-
деленный прогресс. Однако еще нет достаточных осно-
ваний считать, что количество осадков из какой-либо
системы облаков может быть искусственно увели-
чено.

Основная причина, по которой метеорологи в настоя-
щее время еще не могут изменять погоду, заключается
в недостаточном знании процессов образования осадков.
К сожалению, мы еще не всегда знаем природу образо-
вания дождя в различных случаях.

ЛЕТНИЕ ЛИВНИ И ГРОЗЫ

Еще не так давно метеорологи считали, что все осад-
ки образуются в виде твердых частиц. Попадая в теплый
воздух вблизи поверхности земли, ледяные кристаллы
или снежинки тают и превращаются в капли дождя. Та-
кое представление основывалось на фундаментальной
работе.Бержерона, опубликованной им в начале 30-х го-
дов. В настоящий момент мы уверены в том, что процесс
образования осадков, описанный Бержероном, действи-
тельно имеет место в большинстве случаев, но не яв-
ляется единственно возможным.

Однако возможен и иной процесс, известный под
названием коагуляции. При этом процессе дождевые
капли растут за счет их столкновения и слияния с более
мелкими облачными частицами. Для образования дождя
за счет коагуляции наличие ледяных кристаллов уже не-
обязательно. Напротив, в этом случае должны существо-
вать крупные частицы, которые падают быстрее, чем
остальные, и производят много соударений.

Радиолокация сыграла важную роль в подтвержде-
нии того обстоятельства, что процесс коагуляции в обла-
ках 'конвективного развития протекает весьма эффек-
тивно. Конвективные облака, напоминающие цветную
капусту, иногда перерастают в грозовые. С помощью
радиолокаторов с вертикально сканирующими антеннами

Рис. 20 Серия фотограмм развития радиоэхо ливневого об-
лака на индикаторе «дальность—высота» 3-сантиметрового
радиолокатора. Верх фотограмм соответствует высоте 7000 м,
низ — поверхности земли, ширина по горизонтали 20 км.
Цифры под фотограммами означают время наблюдений в ми-
нутах и секундах.

можно наблюдать процесс развития таких облаков и от-
метить, на каких высотах появляются первые частицы
осадков.

Исследование роста области крупных частиц вверх и
вниз может быть выполнено только при непрерывном
наблюдении за одним и тем же облаком. Таким методом
были получены серии наблюдений, одна из которых по-
казана на рис. 20. Серия состоит из 11 различных радио-
локационных наблюдений, иллюстрированных фотограм-
мами с интервалами от 10 до 80 секунд.

Как видно из приведенной на рис. 20 серии наблюде-
ний, первичное радиоэхо простиралось до высоты около
3000 м, где температура была 10° С. Далее радиоэхо
быстро развивалось как вверх, так и вниз. Однако даже
тогда, когда оно достигло максимальных размеров, вер-
шина его не превышала 6000 Л1, где температура состав-
ляла около 0°С. Очевидно, нет оснований считать, что
дождь в этом облаке мог образоваться из ледяных кри-
сталлов, так как зона осадков возникла в области поло-
жительных температур.

Большое количество подобных радиолокационных
наблюдений было произведено в разных районах США,
Австралии и Англии. Такие наблюдения позволяют счи-
тать, что в образовании ливневых осадков -процесс коагу-
ляции играет главную роль. Возникает вопрос, почему
этот важный факт не был установлен до применения
радиолокации. Одна из' главных причин, объясняющих
это обстоятельство, состоит <в том, что невозможно опре-
делить, где и когда возникают в облаке первые частицы
осадков. Следует заметить, что при выпадении дождя
вершина облака может простираться до высоты в не-
сколько тысяч метров, достигая области с температура-
ми —15° С и ниже, где существует множество ледяных
кристаллов. Это обстоятельство и 'приводило ранее к
ошибочному заключению, что ледяные кристаллы яв-
ляются источниками осадков.

В настоящее время мы, к сожалению, еще не знаем
относительной роли обоих механизмов образования
дождя. Более детальное изучение этого вопроса поможет
метеорологам успешнее развивать методы искусственного
воздействия на облака.

НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА КОНВЕКТИВНЫХ ОБЛАКОВ

Радиолокационные наблюдения позволили более де-
тально исследовать конвективные облака. Применяя раз-
личные типы радиолокаторов, исследователи обнаружили,
что в ряде случаев отдельные «башни» радиоэхо разви-
ваются до очень больших высот. Так, например, в неко-
торых случаях облака, имеющие диаметр 2—3 км, про-
стираются до 12—13 км.

Мощные грозы обычно развиваются ступенчато. Вна-
чале одна из башен радиоэхо растет, достигая высоты
около 8000 м, затем снижается. Спустя несколько минут
рядом с этой башней начинает вытягиваться вверх дру-
гая, которая достигает большей высоты — примерно
12 км. Ступенчатый рост радиоэхо продолжается до тех
пор, пока грозовое облако не достигнет стратосферы.

Таким образом, каждая башенка радиоэхо может
рассматриваться как отдельный кирпич в общем здании
или как единичная ячейка всей системы — грозового об-
лака. Существование таких ячеек в грозовом облаке
было постулировано в свое время Байерсом и Брехемом
на основании результатов анализа большого количества
метеорологических наблюдений, проведенных за различ-
ными характеристиками гроз. Байерс и Брехем предпо-
ложили, что грозовое облако состоит из одной или более
таких ячеек, цикл жизни которых весьма непродолжи-
телен. В то' же время группа английских исследователей
во главе со Скорером и Ладламом выдвинула свою тео-
рию образования грозы. Они считали, что в каждом гро-
зовом облаке есть большие пузыри .воздуха, поднимаю-
щиеся от земли в верхние слои. Несмотря на различия
в теориях образования грозы, обе эти теории все же
предполагают, что развитие грозового облака происхо-
дит ступенчато.

Исследования показали, что средние скорости роста
башен радиоэхо в конвективных облаках составляют от 5
до 10 м/сек, а в некоторых типах грозовых облаков
они могут быть и в два-три раза больше. Ясно, что в этом
случае самолеты, попадающие в такие облака, испыты-
вают значительную болтанку и перегрузки под действием
сильных восходящих потоков и интенсивной турбулент-
ности.

Каждому, кто пережидал грозу, известно, что она мо-
жет длиться час или более. В то же время жизнь отдель-
ной башенки или ячейки весьма коротка: как показывают
радиолокационные наблюдения, примерно 23 минуты.
Очевидно, что в большом грозовом облаке может быть
множество ячеек, развивающихся последовательно одна
за другой. В этом случае от момента появления дождя
до его окончания может пройти значительно больше вре-
мени, чем 23 минуты. В течение грозы, которая может
продолжаться и несколько часов, интенсивность дождя
не остается постоянной. Напротив, она то достигает
максимума, то уменьшается почти до полного исчезнове-
ния дождя. Каждое такое увеличение интенсивности
дождя соответствует развитию очередной ячейки или
башенки. Нетрудно убедиться в вышесказанном самому,
если проследить с часами в руках за чередованием мак-
симумов и минимумов интенсивности ливневого дождя.
В теплое время года значительная часть осадков вы-
падает из ливневых и грозовых облаков. Отдельные об-
лака, простирающиеся до больших высот, дают осадки
в виде локальных ливней. В образовании осадков из та-
ких облаков важную роль играет процесс коагуляции.
Как правило, отдельные облака имеют малые площади
поперечного сечения, в них развиваются мощные восхо-
дящие и нисходящие потоки, а продолжительность их
существования не более часа.

Большинство осадков, выпадающих в. холодное время
года, дают облака другого вида. Вместо локальных обла-
ков в зимнее время появляются распространяющиеся по
огромной площади облачные системы, существующие уже
не часы, а дни. Такие облачные системы образуются
вследствие очень медленного вертикального перемеще-
ния воздуха (со скоростью менее 1 м/сек, в ряде случаев
даже 10 см/сек/).

Облака, из которых выпадает большая часть осад-
ков, называются слоисто-дождевыми. Их форма обус-
ловлена медленными, но продолжительными восходя-
щими движениями воздуха в циклонах, возникающих
в средних широтах и перемещающихся с западными те-
чениями. Дожди из таких облачных систем обычно на-
зывают обложными дождями. Они более однородны по
своей структуре, чем дожди из конвективных облаков.
Тем не менее при наблюдении за такими системами
с помощью радиолокаторов внутри областей, где следо-
вало было ожидать равномерного распределения осад-
ков, обнаруживаются участки более высокой интенсив-
ности осадков. Такие участки наблюдаются там, где
скорости восходящих потоков заметно превышают сред-
ние значения.

На рис. 21 приведена фотограмма типичной радиоло-
кационной картины зимних осадков. Фотограмма полу-
чена в Мак-Джилльском университете (Канада) с по-
мощью радиолокатора с неподвижной вертикальной ан-
тенной. Такой метод наблюдений давал разрез всей об-
лачной системы, которая проходила над станцией. При-
веденная фотограмма получалась путем экспонирова-
ния пленки, медленно двигавшейся перед экраном инди-
катора кругового обзора, на котором была видна одна
только вертикальная линия развертки с изменяющейся по
высоте яркостью в тех местах, где отмечалось радиоэхо.
Таким образом, результирующая картина радиоэхо на
фотограмме может рассматриваться как сумма мгно-
венных картин, состоящая из множества близко рас-
положенных вертикальных линий.

На фотограмме можно заметить, что на высоте бо-
лее 2500 м наблюдаются наклонные стримеры, перехо-
дящие в вертикальные и правильно расположенные яр-

Рис 21. Фотограмма пространственно-временного разреза об-
лачной системы, полученная в Монреале (Канада) с помощью
3-сантиметрового радиолокатора с неподвижной вертикальной
антенной Шкала дальности вычислена с учетом скорости
ветра 28 м!сек на высоте 6000 м.

кие ячейки. Группа исследователей из Мак-Джилльского
университета, возглавлявшаяся Маршаллом, предполо-
жила, что яркие ячейки представляют собой области, в ко-
торых образуются кристаллы льда, а наклонные стри-
меры — полосы падения осадков.

Если скорость ветра с высотой не меняется, то и ско-
рость падения частиц осадков тоже постоянна. В этом
случае нетрудно вывести простое соотношение, описываю-
щее траекторию падения частиц. Для расчетов скоростей
выпадения частиц Маршалл использовал метод наблю-
дений с регистрацией картины радиоэхо на медленно
движущуюся пленку. Проанализировав один из наиболее
четко зафиксированных случаев и определив, что сред-
няя скорость падения частиц составляла около 1,3 м/сек,
Маршалл предположил, что частицы представляют собой
конгломераты ледяных кристаллов.
При исследовании яркой линии радиоэхо (на фото-
грамме это полоса на высоте около 2000 м) становится
очевидным, что зародившиеся частицы осадков, по край-
ней мере в большей своей части, являются твердыми.
Яркая полоса возникает несколько ниже уровня таяния,
вблизи изотермы 0°С. Явление яркой полосы радиоэхо
на фотограммах зимних осадков отмечалось многими
исследователями и было детально изучено в последнее
время.

Первым, кто дал удовлетворительное объяснение
этому явлению, был Райд. Его гипотеза, разработанная
в 1946 г., до сих пор считается правильной; позднее в нее
другими исследователями были внесены некоторые уточ-
нения.

Райд первым показал, что в том случае, когда раз-
меры отражающих частиц много меньше длины волны,
их отражательная способность в жидком состоянии при-
мерно в пять раз выше, чем в твердом. Резкое возра-
стание интенсивности радиоэхо ниже уровня нуле-
вой изотермы происходит вследствие быстрого таяния
падающих твердых частиц. Растаяв, частицы быстро пре-
вращаются в сферические водяные капли, которые па-
дают быстрее, чем снежинки. Увеличение скорости паде-
ния частиц ниже изотермы 0°С и связанное с ним умень-
шение их числа в единице объема воздуха, а следова-
тельно, и внутри объема, освещенного лучом радиолока-
тора, приводят к уменьшению интенсивности радиоэхо
ниже слоя таяния. На рис. 21 видно, что полосы радио-
эхо, расположенные ниже яркой линии, идут несколько
круче, чем полосы радиоэхо, расположенные над ней.
Большая крутизна полос падения в области ниже уровня
таяния свидетельствует о том, что здесь частицы падают
быстрее.

На основе анализа подобных наблюдений можно сде-
лать вывод, что дожди, выпадающие из некоторых форм
зимних облаков, возникают при очень низких темпера-
турах. Даже в совершенно изолированных облаках об-
разуются ледяные кристаллы, которые могут расти и
увеличиваться в размерах до тех пор, пока не будут
выпадать. При столкновении кристаллы объединяются
в снежинки, которые движутся ino траектории, определяе-
мой их скоростями падения и ветром. Проникая в ниж-
ние слои, снежинки могут попасть в облака, состоящие
56
из маленьких переохлажденных капель, и продолжать
свой рост за счет столкновения с ними. Сами по себе та-
кие облака не могут быть обнаружены большинством
современных радиолокаторов из-за малого размера ка-
пель. Как только твердые частицы проходят уровень ну-
левой изотермы, они быстро тают и увеличивают ско-

Рис. 22. Фотограмма радиоэхо грозы на
индикаторе «дальность—высота» 3-сан-
тиметрового радиолокатора. Расстояние
между грозой и радиолокатором 35 км.
Темные почти горизонтальные линии —
метки высоты через 3 км, вертикальные
светлые линии — метки горизонтальной
дальности через 16 км. Частицы осадков
ниже 4 км не создают радиоэхо, так
как затеняются горой.

рость своего падения. При попадании таких частиц в об-
лака нижнего яруса они продолжают свой рост за счет
столкновений и слияний с облачными каплями. Если
температура у поверхности земли ниже 0°С, частицы
осадков так и останутся в форме снежинок.

Однако не у всех широко распространенных систем
облаков наблюдаются ясно выраженные стримеры выше
уровня замерзания, подобные приведенным на рис. 22.
В ряде случаев облака создают только отчетливые и
яркие полосы радиоэхо, выше которых отсутствуют за-
метные отражения. Такая картина, вероятно, возникает
из-за того, что кристаллы льда, находящиеся выше яркой
полосы, слишком малы, чтобы создать обнаруживаемое
радиоэхо. При попадании таких кристаллов в область
таяния увеличение их отражаемости происходит как за
счет изменения фазового состояния, так и за счет даль-
нейшего роста их размеров благодаря слиянию с более
мелкими каплями.

Радиолокационные наблюдения привели к ряду важ-
ных- выводов. Было твердо установлено, что дождь, выпа-
дающий из большинства облаков зимних форм и дости-
гающий поверхности земли, образуется на больших вы-
сотах в форме кристаллов льда. С другой стороны, вы-
падение дождя из конвективных облаков зачастую про-
исходит и при отсутствии ледяных кристаллов.

Когда исследователям удастся установить роль
твердой фазы и процесса коагуляции в образовании осад-
ков из данного типа облаков, появится реальная воз-
можность активно воздействовать на них с целью искус-
ственного вызывания осадков. Нет сомнения в том, что
рано или поздно человек научится управлять облаками.
Метеорологи всего мира объединяют свои усилия, чтобы
ускорить решение этой задачи. Научившись управлять
процессом осадкообразования, они смогут внести свой
вклад в разрешение проблемы мировых водных ресурсов.
Можно надеяться, что, когда появится возможность ис-
кусственного регулирования осадков, будут найдены
средства более эффективного их использования.

ГЛАВА СЕДЬМАЯ

ГРОЗЫ, ТОРНАДО И УРАГАНЫ

Ежегодно атмосферные явления являются причиной
многих человеческих жертв и огромного материального
ущерба. К таким явлениям относятся интенсивные
дожди, выпадающие в течение продолжительного вре-
мени, засухи, метели, резкие похолодания. Однако го-
раздо более гибельными и разрушительными являются
грозы, ураганы и торнадо.
Грозы могут вызывать внезапные наводнения. Они
часто сопровождаются градом, который губит урожай.
Грозы напоминают гигантские генераторы, выделяющие
огромное количество электрических зарядов. Когда раз-
ность потенциалов между облакохМ и землей достигает
определенной величины, происходит разряд — вспыхи-
вает молния. Наконец, грозы зачастую сопровождаются
сильным ветром, производящим большие разрушения.

Торнадо почти всегда связано с грозами, однако оно
возникает гораздо реже их. Торнадо — это большое сти-
хийное бедствие, приносящее смерть и разрушения. Оно
представляет собой узкий столб воздуха, скорость кото-
рого может превышать 500 км/час\ торнадо может раз-
рушать строения, поднимать вверх тяжелые предметы.

Вращающийся столб воздуха, напоминающий во-
ронку, обычно существует всего несколько минут. Диа-
метр воронки не более 30 м. Известно, что давление
в центре такой воронки резко понижается. В некоторых
случаях оно может быть на 10% ниже давления на ее
наружной части. Когда торнадо проходит над зданием,
давление вокруг быстро падает, в то время как давле-
ние внутри воронки -практически не меняется. Эта раз-
ность давлений вызывает силы, подобные силам взрыв-
ной волны, которые могут сорвать крышу здания пли
разрушить его стены. Давление на стены может превы-
шать 1200 кг/м2. Если такие силы прикладываются
к стене высотой 2,5 м и длиной 3 м, то общая сила дав-
ления будет составлять около 8500 кг, чего вполне доста-
точно для сильного толчка. Сильный ветер подхватывает
части разрушенного здания и несет их по воздуху. По-
этому из всех метеорологических явлений торнадо самое
жестокое.

Ураганы — тропические циклоны — также ежегодно
производят огромные разрушения, а иногда приводят и
к человеческим жертвам. В отличие от торнадо, которое
существует лишь короткий промежуток времени, тропи-
ческие циклоны наблюдаются в течение многих часов.
Ветер при этом не достигает такой ужасающей силы, как
при торнадо, однако зачастую скорость ветра доходит
до 150—200 км!час. Такие сильные ветры могут охваты-
вать большие области — до 80 км в диаметре. Еще боль-
шие области охватывают ветры скоростью 100—
НО км/час. Приближающиеся к берегам ураганы обра-
зуют чудовищные волны, которые заливают низменное
побережье. Статистика показывает, что в основном чело-
веческие жертвы при ураганах вызваны наводнениями.

В течение многих десятилетий метеорологи изучают
сильные штормы. Одной из главных причин сравнительно
небольших успехов в изучении штормовых явлений,
а следовательно, и развитии методов их прогнозирования
являлось отсутствие необходимых наблюдений, особенно
в случае возникновения торнадо и ураганов. Для того
чтобы изучить эти явления, необходимо наблюдать одно-
временно за большими площадями. Торнадо имеет ма-
лую протяженность, жизнь его очень коротка, поэтому
чрезвычайно трудно точно предсказать место его образо-
вания. Существующие методы позволяют прогнозировать
с достаточной точностью лишь возможность образования
торнадо на площади с диаметром около 150 км. Поэтому
для детального изучения торнадо необходимо проследить
за его движением по всей площади. Несмотря на то что
ураганы охватывают значительные площади и суще-
ствуют продолжительное время, для изучения их также
необходимы учащенные наблюдения за большими тер-
риториями.

В настоящее время для проведения исследований, на-
правленных на раскрытие тайн образования торнадо,
ураганов и гроз, широко используются самолетные и
радиозондовые методы метеорологических наблюдений.
Важнейшую роль в этих исследованиях играют радио-
локационные наблюдения, позволяющие получить де-
тальную картину распределения ливней и их интенсив-
ности на территории, охваченной сильным штормом. Эти
сведения являются весьма ценными, так как характери-
зуют тип шторма. За последние годы радиолокационные
наблюдения сыграли огромную роль в проблеме всесто-
роннего изучения штормовых явлений.

ГРОЗЫ

При рассмотрении вопроса об осадках, выпадающих
из конвективных облаков, уже отмечалось, что грозы
развиваются ступенчатым путем до тех пор, пока они не
проникают высоко в атмосферу. Радиолокационные на-
блюдения показали, что весьма часто грозовые облака
достигают высоты 12 000 м. Отмечались отдельные слу-
60
чаи, когда вершины грозовых облаков простирались идо
высоты 20 000 м.

Следует заметить, что область радиоэхо обычно соот-
ветствует той части облака, которая содержит наиболь-
шее количество крупных капель или ледяных частиц. На
самом деле граница облака обычно простирается не-
сколько выше, чем вершина радиоэхо. Причина, по кото-
рой воздух внутри облаков поднимается вверх, состоит
в том, что он несколько теплее и менее плотен, чем воз-
дух снаружи облака. До тех пор пока это соблюдается,
существует ускорение, направленное вверх. Обычно как
только облако проникает в стратосферу, воздух в нем
быстро становится холоднее и тяжелее наружного. Это
охлаждение приводит к ослаблению восходящих движе-
ний и прекращению дальнейшего роста облака. Таким
образом, нижняя граница стратосферы, расположенная
на высотах от 13 000 до 20 000 ж, является обычно пре-
делом развития грозовых облаков.

В некоторых условиях скорость восходящих потоков
в грозовых облаках настолько велика, что даже в тех
случаях, когда облако достигает стратосферы и подвер-
гается воздействию сил, направленных вниз, все же на-
блюдается общая тенденция к дальнейшему росту об-
лака. Вершина его в этом случае будет выше нижней гра-
ницы стратосферы на несколько сотен метров.

Радиолокационные наблюдения показали, что неко-
торые вершины грозовых облаков проникают в страто-
сферу почти на 5 км, для чего необходимы восходящие
потоки с огромной скоростью. Грубо говоря, на каждый
километр подъема вершины облака в стратосферу тре-
буется вертикальная составляющая скорости около
10 м[сек.

Для проникновения в стратосферу на 5 км скорость
восходящих потоков у нижней границы стратосферы
должна составлять около 100 м!сек. Такие величины
вертикальных скоростей превосходят наибольшие из
когда-либо измеренных значений. К сожалению, непос-
редственных самолетных измерений на таких больших
высотах крайне мало.

Всем самолетам следует избегать грозовых облаков.
Поэтому чрезвычайно важно научиться предсказывать
появление гроз над такими объектами, как, например,
аэропорты и др., а также вовремя обнаруживать штормы
и следить за их движением, развитием или распадом.
Тот факт, что грозовые облака развиваются и рас-
падаются одновременно с процессом их движения,
в значительно?! мере осложняет задачу предсказания
скорости и направления перемещения грозы в последую-
щие моменты времени.

Грозовые облака представляют собой обширные об-
ласти скопления капель и ледяных частиц, которые
большей частью движутся по ветру. Было найдено, од-
нако, что движение облаков не всегда точно согласуется
с ветром. Действительно, в облаках вертикального раз-
вития некоторое количество воздуха обтекает их, а неко-
торое количество проникает сквозь облако. На наветрен-
ной стороне воздух проникает в облачную массу, а на
подветренной стороне вытекает из нее. В результате
облако движется несколько медленнее ветра.

Вследствие того что грозовые облака постоянно ме-
няют свои размеры, иногда создается впечатление, что
их радиоэхо движется необычным путем. При слабом
ветре горизонтальное движение облака и капелек дождя
невелико. Поэтому если вблизи существующего грозо-
вого облака возникают новые ячейки, сливающиеся
с первоначальным облаком, то центр результирующего
радиоэхо может смещаться почти в любом направлении
в зависимости от того, где возникли новые ячейки. Следо-
вательно, при слабом ветре даже знание его направления
на верхних уровнях не может способствовать правиль-
ному предсказанию того, пройдет ли грозовое облако
над аэропортом или нет. В таких случаях необходимы не-
прерывные радиолокационные наблюдения за состоя-
нием и распределением радиоэхо по данной пло-
щади.

При сильном ветре в верхних слоях атмосферы можно
предсказать направление движения существующего гро-
зового облака с.удовлетворительной точностью, при этом
необходимо внимательно следить за возникновением но-
вых облаков.

Многочисленные исследования показали, что на вы-
соте около 3000 м направление ветра хорошо коррели-
руется с направлением движения отдельных грозовых
ячеек. Эту высоту иногда называют управляющим уров-
нем, так как ветер на этой высоте управляет движением
гроз.
Отдельное грозовое облако с чистыми белыми краями
и наковальней на фоне голубого неба представляет со-
бой прекрасное зрелище. Такие локальные облака менее
опасны, чем те, которые объединяются в группы или ли-
нии. Иногда такие линии гроз простираются на сотни
километров. В зоне линий выпадают ливневые дожди,

Рис. 23. Линия гроз на индикаторе круго-
вого обзора 3-сантиметрового радиолока-
тора Концентрические круги — метки даль-
ности через 80 км.

град, возникают сильные ветры, опустошающие целые
районы в течение нескольких часов. На рис. 23 показана
радиолокационная картина линии шквалов с множеством
грозовых очагов. Линии, подобные этой, зачастую могут
быть радиолокационно прослежены в течение многих
часов. Таким путем удается с большой точностью опре-
делить их движение и предсказать возможность появле-
ния в данном месте.

МОЛНИИ

Различие между ливневым и грозовым дождем со-
стоит в том, что последний сопровождается громом. Если
слышатся раскаты грома, то можно быть уверенным-, что
имела место и вспышка молний. Возникновение молний
означает, что электрические заряды в облаке достигли
таких огромных величин, что образовалась гигантская
искра или дуга. Обычно принято считать, что молния —
это гигантская искра. Однако сейчас известно, что мол-
ния по целому ряду характеристик подобна электриче-
ской дуге. Это чрезвычайно протяженный в пространстве
разряд огромного количества электрической энергии, вы-
зывающий высокую температуру и ионизацию воздуха.
Мы вернемся к вопросу об ионизации в свете этой
проблемы в последней главе, а сейчас рассмотрим
некоторые электрические свойства типичного грозового
облака.

Исследования показали, что обычно в центральной
части грозового облака над уровнем замерзания распо-
лагается очаг повышенной концентрации отрицательных
зарядов. Верхняя же часть облака преимущественно
имеет избыточный положительный заряд. После начала
дождя в нижней части облака, т. е. в зоне тяжелых ка-
пель, также иногда формируется небольшой положитель-
ный заряд. По мере того как электрические заряды, скон-
центрированные в этих трех областях, накапливаются,
разность потенциалов между этими областями возра-
стает. Если напряженность поля достигает величины про-
бивного потенциала воздуха, т. е. порядка 10 000 в/си,
происходит внезапный разряд.

Так как центры положительных и отрицательных за-
рядов могут находиться на расстоянии до 2 км, нетрудно
подсчитать разность потенциалов между центрами заря-
дов в момент пробоя. Для этого необходимо умножить
пробивное напряжение на соответствующее расстояние.
В данном случае это составит около 2* 109 в, или два
миллиарда вольт. Обычно время накопления заряда со-
ставляет несколько десятых долей секунды. С обычной
точки зрения это очень маленький отрезок времени. Од-
нако по сравнению с длительностью электрических про-
цессов, которая может быть измерена с помощью совре-
менных электронных устройств, это весьма продолжи-
тельное время. Разряды молний неоднократно изучались
с помощью электронной и фотографической аппаратуры.
В особенности тщательно изучен во многих частях зем-
ного шара разряд из облака на землю.

Когда электрический потенциал между облаком и
землей достигает пробивной величины, внезапно возни-
кает направленный вниз импульс электрического раз-
ряда. Его длина может составлять около 50 ж, а ско-
рость— примерно около одной шестой части скорости
света (5*107 м/сек). После первого разряда наступает
пауза длительностью около 100 мксек, а затем возникает
второй разряд. Вследствие серии разрядов, следующих
один за другим, конец светящейся области молнии дви-
жется вниз, к земле. Начальный удар молнии называется
ступенчатым лидером. За его движением можно просле-
дить с помощью специальных киноаппаратов. Оказалось,
что ступенчатый лидер не несет в себе большого заряда.
Как правило, он и не слишком ярок.

Как только ступенчатый лидер достигает высоты 20—
30 м над землей, происходит внезапный обратный раз-
ряд огромного количества энергии в направлении, проти-
воположном движению ступенчатого лидера. Этот раз-
ряд называется главным ударом. Менее чем за 10 мксек
электрический ток может достичь максимальной величи-
ны— 200 000 а. В результате наблюдается ослепляющая
вспышка света, которая при определенных условиях мо-
жет быть видна на расстоянии более 160 км. Главный
удар направлен вверх со скоростью около 3,5-107 м/сек.

Вотдельных случаях возникает несколько главных
ударов, которые проходят вверх по одному каналу.
Вместо ступенчатого лидера, предшествующего первому
главному удару, встречаются так называемые стрелооб-
разные лидеры, движущиеся от облака к земле перед
каждым главным ударом. Известен случай, когда не-
сколько разрядов молнии состояло более чем из 30 глав-
ных ударов, разделенных промежутками времени в не-
сколько сотых секунды.

Человеческий глаз малочувствителен к быстро меняю-
щимся процессам, поэтому визуально невозможно раз-
личить последовательные стадии развития молнии. Та
вспышка света, которую мы обычно наблюдаем, является
результатом одного или нескольких главных ударов.
Если принять во внимание, что средняя величина тока во
время каждого главного разряда может достигать
20 000 а, станет ясным, почему молния является мощным
и устрашающим явлением природы.

Молния сопровождается не только световым, но и зву-
ковым эффектом. Ток огромной силы нагревает воздух
и создает разрежение, которое является причиной воз-
никновения колебательных движений, вызывающих зву-
ковые волны. Так как звук распространяется много мед-
леннее, чем свет, гром слышен после того, как была
видна молния. Расстояние до грозы можно легко опреде-
лить, если сосчитать количество секунд между вспышкой
молнии и разрядом грома и помножить его на скорость
распространения звука в воздухе. Например, если этот
промежуток времени равен 15 секундам, то гроза нахо-
дится на расстоянии около 5 км.

Разрушения, производимые молнией, чаще всего яв-
ляются результатом выделения ею тепла. Ежегодно
молнии вызывают лесные пожары, уничтожающие тысячи
гектаров леса. Сгорают дома, сараи и другие сооруже-
ния. Иногда под действием молнии ломаются деревья и
разрушаются кирпичные здания. Это происходит вслед-
ствие внезапного притока тепла, вызывающего испарение
влаги и создающего внутреннее давление, которое рас-
калывает стволы деревьев или вырывает кирпичи из
здания.

Самолет, пролетающий сквозь грозовое облако или
вблизи него, может подвергнуться удару молнии, кото-
рый представляет серьезную опасность. В результате
многолетних исследований в настоящее время приняты
защитные меры, предохраняющие самолеты от разруши-
тельной силы молнии. Суть этих мер заключается в том,
что все наружные поверхности самолета делаются элек-
тропроводящими и соединяются электрически. В этом
случае при ударе молнии заряд остается на корпусе са-
молета. На заре авиации пожары на металлических са-
молетах иногда начинались из-за больших токов, возни-
кающих в радиоантеннах в момент удара молнии. Соеди-
нение антенны с корпусом самолета устранило эту опас-
ность. Использование проводящих электричество ветро-
вых стекол решило еще одну проблему. До тех пор пока
стекла были изолированы от корпуса самолета, электри-
ческие дуги часто разрушали их. В современных самоле-
тах повреждения от ударов молний обычно сводятся
к нескольким небольшим отверстиям (диаметром около
0,6 см) на крыльях и в хвостовой части.

Возможно, наиболее опасным следует считать дей-
ствие молнии на глаза пилота. Внезапная ослепительная
вспышка света вызывает временную слепоту. Чтобы из-
бежать этого, пилот обычно надевает защитные очки,
сводящие действие вспышки молнии к минимуму.

Почти до 1950 г. было неизвестно, может ли радио-
локатор фиксировать удары молний. Наконец, исследо-
ватели Майрон и Лигда провели некоторые наблюдения,
которые показали, что вспышки молнии способны созда-
вать радиоэхо на 10-сантиметровом радиолокаторе. Луч
радиолокатора направлялся на грозовое облако, и на
индикаторе типа А наблюдалась картина радиоэхо. Пе-
ред молнией индикатор регистрировал обычное радио-
эхо осадков. При прохождении разряда молнии через
луч радиолокатора радиоэхо быстро возрастало по ве-
личине, а затем медленно уменьшалось. Максимальных
размеров оно достигало примерно через полсекунды,
а уменьшилось до нуля за 1—5 секунд. Другие исследо-
ватели впоследствии нашли, что средняя продолжитель-
ность радиоэхо молнии составляет несколько десятых до-
лей секунды.

В течение последних лет молнии обнаруживались и
при помощи других типов радиолокационных устройств.
Большая часть радиолокационных наблюдений за мол-
ниями была выполнена на длинах волн 10, 23 и 50 см.
Как правило, число наблюдаемых радиоэхо молний воз-
растает с увеличением длины волны радиолокатора.

Почему же радиолокатор обнаруживает разряды мол-
ний? Были высказаны различные предположения. Наибо-
лее приемлемое объяснение состоит в том, что радиоэхо
есть результат отражения от большого числа свободных
электронов, содержащихся в канале молнии. Как уже
ранее отмечалось, огромный импульс тока в канале мол-
нии ионизирует заключенные в нем газы. В процессе
ионизации высвобождается большое количество электро-
нов, вырываемых из атомов и молекул газа.

Когда радиоволна проходит через электронное обла-
ко, она заставляет электроны колебаться с частотой па-
дающей волны. Эти колеблющиеся (осциллирующие)
электроны во многих отношениях подобны тем, которые
создают первичное излучение в антенне радиолокатора.
В результате осцилляций мы имеем вторичное излучение
электромагнитной энергии, но уже направленное к ра-
диолокатору.

Можно вычислить то количество свободных электро-
нов, которое необходимо для создания радиоэхо. Было
найдено, что, чем больше длина волны, тем меньше
нужно электронов. Из расчетов Лигды следует, напри-
мер, что для получения отраженного сигнала на волне
3 см концентрация электронов должна быть равна
1011 куб. см. При переходе к волнам длиной 10, 23 и
50 см критическая концентрация электронов, необходи-
мая для образования радиоэхо на этих волнах, умень-
шается соответственно до 1010, 2- 109 и 4-108 куб. см. То
обстоятельство, что при использовании более длинных
волн для получения радиоэхо требуется меньшая концен-
трация электронов, хорошо объясняет причину более на-
дежных и многочисленных наблюдений за молниями на
этих волнах. В конце 40-х и начале 50-х годов для этих
целей в основном использовались 3-сантиметровые мете-
орологические радиолокаторы. В последние же годы на-
блюдения за молниями ведутся на волнах длиной бо-
лее 20 см.

Однако требует своего объяснения не только вели-
чина радиоэхо молнии, но и продолжительность его су-
ществования. Атлас и Хьюит подробно изучали этот
вопрос. Измеренные ими значения интенсивности сигна-
лов они объяснили наличием свободных электронов. Од-
нако результаты их не согласуются между собой. Оче-
видно, различия могли бы быть устранены, если бы их
первоначальные предположения относительно концентра-
ции свободных электронов в канале молнии были более
сходными.

Продолжительность радиоэхо молнии очень мала, так
как в ее канале сконцентрировано огромное количество
как свободных электронов, так и положительных газовых
ионов, которые могут в течение кратчайшего времени ре-
комбинировать и образовать нейтральный газ, какой
имел место перед электрическим пробоем. Легко пока-
зать, что менее чем за одну секунду концентрация сво-
бодных электронов за счет рекомбинации может упасть
настолько, что радиоэхо исчезнет.

На рис. 24 приведена фотография радиолокационных
наблюдений за молнией, полученная Атласом. Как сле-
дует из нее, радиоэхо простирается от вершины радиоэхо
грозового облака вверх. Эхо молнии более рельефно вы-
деляется на фоне остального эхо благодаря фотографи-
ческому приему, впервые использованному Лигдой. Вна-
чале он взял негатив, где имелось изображение эхаосаД’
68
ков и молнии. Затем был изготовлен позитивный транс-
парант радиолокационной картины, наблюдавшейся за
несколько минут до появления молнии. Печать произво-
дилась путем наложения негатива и позитива друг на
друга. Так как радиоэхо осадков получалось на обеих
пленках, свет, проходя через них, оказывался ослаблен-
ным. Поэтому на отпечатке радиоэхо осадков менее ин-
тенсивно. В свою очередь радиоэхо молнии имело место
только на одном негативе. Оно и отпечаталось более

Рис. 24. Фотограмма радиоэхо молнии на инди-
каторе «дальность—высота» 10,7-сантиметрового
радиолокатора. Фотограмма получена путем на-
ложения позитивной пленки с изображением
радиоэхо молнии и осадков на негативную пленку
с изображением только радиоэхо осадков, сня-
тую до появления молнии.

рельефно и отчетливо. Такая техника фотографии очень
полезна для усиления изображений, которые быстро по-
являются и исчезают, частично сливаясь с другим изобра-
жением. Так как радиоэхо молний существует очень ко-
роткое время — меньше секунды, наблюдать его можно
только за время одного сканирования антенны, как это
показано на рис. 24. Поэтому располагая только одной
картиной радиоэхо, трудно различить на ней отражения
молнии.

Лигда провел детальные исследования большого
числа радиолокационных наблюдений, выполненных на
23-сантиметровом радиолокаторе. Он нашел, что неко-
торые радиоэхо простираются на расстояние более 80 км.
Этот экспериментальный результат был неожиданным,
так как большинство метеорологов не предполагало, что
единичный разряд может быть столь протяженным. Од-
нако радиолокационные наблюдения доказали это.

Совершенно очевидно, что применение радиолокации
чрезвычайно полезно для лучшего понимания не только
разряда молнии, но и всего сложного механизма разде-
ления электрических зарядов в грозовом облаке.

ТОРНАДО

Одна из причин, по которой метеорологи особенно
интересуются линиями шквалов, состоит в том, что на
них возникают торнадо. Точные условия образования
торнадо до сих пор еще не установлены.

Давно известно, что большинство гроз не сопровож-
дается торнадо. В свою очередь торнадо никогда не воз-
никают при отсутствии грозовой ситуации. Еще 15 лет
назад не знали, в каком месте по отношению к грозе об-
разуется воронка торнадо. В 1953 г. группе исследовате-
лей гидрологической службы штата Иллинойс посчастли-
вилось включить свою радиолокационную установку в тот
момент, когда торнадо проходило в 16 км от их обсер-
ватории. Им удалось получить серию фотографий, пока-
зывающих образование весьма характерного радиоэхо,
которое, несомненно, было связано с торнадо. Некото-
рые из этих фотографий приведены на рис. 25. На фото-
графии отчетливо видна большая область радиоэхо от
грозового очага, которая двигалась в северо-восточном
направлении в 15—30 км от радиолокатора. На правой
стороне радиоэхо имелся узкий отросток в виде пальца,
вытянутого к югу. Отросток вращался против часовой
стрелки и образовал радиоэхо, напоминавшее цифру 6.
Подробный анализ, выполненный Фюита в Чикагском
университете, подтвердил, что на южном крючкообраз-
ном конце радиоэхо действительно возникло несколько
воронок торнадо.
Рис. 25. Серия фотограмм индикатора кругового обзора 3-сан-
тиметрового радиолокатора, показывающая развитие радиоэхо
торнадо. В центре фотограмм радиоэхо от земли и местных пред-
метов. Возникновение торнадо характеризуется образованием
в области грозового радиоэхо вытянутого на юг «пальца». Внизу
фотограмм указано время наблюдения в часах и минутах.
После публикации этих фотографий многие наблюда-
тели также обнаружили подобные радиоэхо, всегда со-
провождавшиеся торнадо. Обычно «крючки» распола-
гаются на правых краях грозового радиоэхо. К сожале-
нию, было также найдено, что большинство радиоэхо
гроз, сопровождающихся торнадо, не имеет крючкообраз-
ного отростка. Отсюда вытекает вывод, что если на фото-
грамме есть «крючок», то торнадо имеет место. Однако
отсутствие такого «крючка» не свидетельствует об обрат-
ном явлении.

В процессе исследования были найдены и другие ха-
рактеристики радиоэхо гроз, сопровождающихся торнадо.
Но ни одна из них еще не может считаться удовлетвори-
тельным и надежным признаком торнадо. Эти результаты
не должны расхолаживать исследователей, которые про-
должают в настоящее время поиски надежных критериев
для распознавания торнадо с помощью радиолокации.

В последнее десятилетие были проведены интересные
исследования с помощью новой для метеорологии тех-
ники—допплеровских радиолокаторов. В то время как
обычный радиолокатор определяет координаты и раз-
меры цели, допплеровский радиолокатор дает скорость,
с которой она движется по направлению от радиолока-
ционной станции. Эта система регистрирует изменение
частоты радиоволн, возникающее ’при движении цели.
В элементарной физике эффект Допплера обычно пояс-
няется на примере звуковых волн. Известно, например,
что тон свистка паровоза зависит от того, приближается
или удаляется поезд от станции, так как при движении
поезда возникает изменение частоты звуковых волн,
а следовательно, и изменение тона звука. По изменениям
частоты радиоволн можно вычислить скорость движения
радиолокационной цели. Подобный принцип мог бы быть
использован для радиолокационного обнаружения тор-
надо, так как для него характерны очень высокие ско-
рости движения капель воды.

Для проверки этого предположения Бюро погоды
США провело эксперимент с 3-сантиметровым радиоло-
катором допплеровского типа. Такой радиолокатор излу-
чает не отдельные короткие импульсы, а непрерывные ко-
лебания. С его помощью нельзя измерить время прохож-
дения импульса до цели и обратно, а следовательно, и
расстояние до цели. Однако если целями будут частицы,
захваченные торнадо, можно определить их скорость дви-
жения. С помощью этого метода было найдено, что для
одного торнадо допплеровское смещение частоты соответ-
ствовало скорости ветра 300 км!час. Конечно, по одному
измерению нельзя уверенно судить о реальности таких
скоростей. Тем не менее имеются все основания предпо-
лагать, что данный метод окажется эффективным для
радиолокационного обнаружения торнадо.

УРАГАНЫ

Ураганы возникают над тропическими океанами во
многих районах земного шара. В разных странах их на-
зывают по-разному (например, тайфун или вилли-вилли),
однако все они развиваются более или менее одинаково
и поэтому обладают сходными свойствами. В северном
полушарии ветры -в ураганах дуют против часовой
стрелки, а в южном — по часовой. Если двигаться
к центру урагана, то ветер будет постепенно усиливаться
примерно до расстояния 30—50 км от его центра. При
дальнейшем приближении к центру можно заметить, что
ветер постепенно стихает.

Интересной особенностью урагана является его
центральная область, называемая глазом. Здесь ветер
очень слаб, а облачность небольшая. При прохождении
глаза урагана сильные дожди и ветры внезапно сменя-
ются хорошей погодой. Однако штиль продолжается не-
долго, всего час или два, после чего снова наступает
штормовая погода.

Радиолокационные наблюдения дали много сведений
об ураганах. Они показали, что для большинства тропи-
ческих штормов характерно весьма закономерное рас-
пределение ливневых осадков. Наиболее часто радиоло-
кационная картина ливней состоит из нескольких спи-
ральных полос (рис. 26). Сенн и Хейсер из Майамского
университета нашли, что полосы радиоэхо осадков хо-
рошо совпадают с кривой, близкой к логарифмической
спирали. Сравнивая распределение осадков на экране
локатора с логарифмической спиралью, можно найти
центр урагана. Этот метод в настоящее время наиболее
широко применяется для определения центра урагана.

Однако не всегда распределение осадков в ураганах
имеет вид логарифмической спирали. Например, Джор-
дан (университет штата Флорида) наблюдал несколько
ураганов, радиоэхо которых представляло кольцо вокруг
центра шторма. В одном урагане такое радиоэхо прости-
ралось по вертикали почти до 20 000 м.

Как указывалось выше, радиоэхо некоторых грозовых
облаков имеют тенденцию двигаться по ветру на уровне
3000 м, особенно при сильных ветрах. Определив на ос-
новании этого траекторию радиоэхо, можно получить
весьма ценные данные о скорости и направлении ветров

Рис. 26. Фотограмма радиоэхо урагана
«Донна» с индикатора кругового обзора
радиолокатора WSR-57, полученная Бюро
погоды США в Майами, Флорида. Мас-
штаб меток дальности 80 км.

в урагане. Подобные наблюдения были проведены Сен-
ном и Хайсером, которые получили подробную картину
распределения скоростей ветра для нескольких штормов.
Если такую информацию сочетать с другими видами на-
блюдений, например с самолетными и наземными ме-
теорологическими, то можно будет точнее описать свой-
ства ураганов и развить более полную теорию их обра-
зования.

Одной из наиболее сложных задач является предска-
зание движения и развития урагана. Для того чтобы
дать прогноз с заблаговременностью, скажем, 2 дня, не-
обходимо провести широкий комплекс метеорологических
наблюдений на большой территории северного полуша-
рия.

Ураган — это перемещающийся в воздушном океане
вихрь, движение которого в одном месте усиливается
движениями в других частях атмосферы. Если уменьшить
заблаговременность прогноза, то можно ограничиться
анализом процессов над меньшей территорией. Однако
для всех прогнозов необходимо знать точное предше-
ствующее и настоящее распределение осадков на боль-
шой площади. С помощью радиолокационной сети такая
информация может быть получена сравнительно легко н
точно, если только ураган попадает в сферу действия
радиолокаторов.

Для того чтобы оповещать южную и юго-восточную
части США о неожиданном появлении ураганов, на се-
вероамериканском побережье Атлантики и Мексикан-
ского залива была создана сеть специальных радиолока-
ционных станций. При наличии такой сети можно не сом-
неваться в том, что приближение урагана к побережью
не останется незамеченным.

ГЛАВА ВОСЬМАЯ

РАДИОЛОКАТОР ПОМОГАЕТ ПИЛОТУ

Когда в кабинах самолетов появились первые радио-
локационные индикаторы, некоторые пилоты отнеслись
к ним весьма скептически. Однако сразу же стало ясно,
что радиолокатор действительно полезен при пилотиро-
вании самолетов. Впервые появилась возможность «ви-
деть» сквозь облака и находить области с неблагоприят-
ной погодой.

Еще в конце 40-х годов многие метеорологи считали,
что самолетные радиолокаторы очень полезны для на-
блюдения за погодой. Однако авиационная промышлен-
ность еще не была готова к поставке такого оборудова-
ния. Существовавшие самолетные радиолокаторы, для
того чтобы их можно было использовать в метеорологи-
ческих целях, требовали доработки. Большей частью они
были предназначены для таких военных задач, как бом-
бометание или корректировка огня. Эти радиолокаторы
были весьма громоздкими. Некоторые из них весили
160 кг и даже более. Кроме того, подобное оборудова-
ние было достаточно дорогостоящим и сложным в экс-
плуатации. Были и другие трудности. Например, не хва-
тало еще опыта, который показал бы эффективность при-
менения такой аппаратуры в метеорологических целях.
Необходимо также было выявить специфические требо-
вания, предъявляемые к самолетному метеорологиче-
скому радиолокатору.

В 1947—1949 гг. национальный авиационный комитет
США начал широкие исследования по выяснению воз-
можности и эффективности метеорологического исполь-
зования радиолокационных средств в системе управле-
ния воздушным движением.

Группа ученых провела сравнение самолетных дан-
ных о турбулентности в грозовых облаках с характери-
стиками радиоэхо гроз, полученных с помощью назем-
ных радиолокаторов. Последние измерения были выпол-
нены исследовательской группой, возглавлявшейся Бай-
ерсом из Чикагского университета. Ученые пришли к вы-
воду, что применение радиолокации может значительно
уменьшить вероятность попадания самолетов в зоны ин-
тенсивной турбулентности. Радиолокация поможет пило-
там получить точные сведения о местоположении гроз и
других опасных для авиации явлений.

В 1949 г. одна из авиационных компаний. США про-
вела ряд летных испытаний 3-сантиметрового военного
радиолокатора с целью выяснения его пригодности для
метеорологических целей. При испытаниях выяснились
два вопроса:

1)	может ли радиолокатор помочь пилоту избежать
областей сильной турбулентности и града?

2)	может ли радиолокатор уменьшить опасность
столкновения самолета с горами или другими наземными
препятствиями?

Радиолокатор, использовавшийся в этом случае, имел
новую электронную схему, предложенную молодым уче-
ным Атласом, который работал в системе авиации.
В 1947 г. Атлас высказал предположение, что наиболее
сильную турбулентность можно ожидать в областях, где
имеются большие изменения интенсивности радиоэхо на
малых расстояниях. Более точно это означает, что боль-
шие градиенты интенсивности радиоэхо связаны с интен-
сивной турбулентностью. Атлас разработал схему для
получения на одном индикаторе кругового обзора инфор-
мации, достаточной для прямых измерении градиентов
интенсивности радиоэхо.

Когда мы наблюдаем радиоэхо на индикаторе круго-
вого обзора, то внешний край этого радиоэхо соответ-
ствует минимальной мощности, которую радиолокатор
еще может обнаружить. Если отраженный сигнал меньше
этой величины, то на индикаторе мы вообще не увидим
изображения радиоэхо. Если величина отраженного сиг-
нала очень большая, то радиоэхо ярче, чем в обычном

случае. Величина мощ-
ности, которая создает
едва различимое челове-
ческим глазом радиоэхо,
носит название порога об-
наружения. Линия, очер-
чивающая пороговое ра-
диоэхо, называется конту-
ром изоэхо, так как вдоль
этой линии мощность ра-
диоэхо не меняется. Отка-
либровав радиолокатор
соответствующим обра-
зом, можно получить по-
рог обнаружения на лю-
бом заданном уровне.

Каждый радиолокатор
имеет так называемый ре-
гулятор чувствительности.

контуров
кругового

Рис 27. Изображение
изоэхо на индикаторе
обзора.

значение,

1 — первое пороговое _________________,

2 — второе пороговое значение, «? —об-

ласть с максимальными градиентами
радиоэхо.

Он эквивалентен регулятору

громкости в обычном радиоприемнике. Изменяя его по-
ложение, мы тем самым увеличиваем усиление прини-
маемых сигналов. В результате звук радиоприемника
становится громче и становятся слышными слабые сиг-
налы далеких станций. Регулятор чувствительности ра-
диолокатора выполняет те же функции, что и регулятор
усиления в обычном приемнике. Он изменяет усиление
принимаемых радиолокационных сигналов.

При уменьшении коэффициента усиления радиоэхо
будут создавать только сильные сигналы. Так, например,
если для случая, приведенного на рис. 27, усиление умень-
шится до такой величины, что порог обнаружения будет
соответствовать изолинии 2, то на индикаторе кругового
обзора мы увидим значительно меньшую область радио-
эхо, чем первоначально. Если нанести, как это сделано
на рис. 27, изолинии 1 и 2 одновременно, то область
с максимальным градиентом радиоэхо может быть выде-
лена непосредственно. В данном случае она находится
справа, там, где линии пороговых значений мощности
1 и 2 расположены наиболее близко друг к другу. Это и
есть та область, где следует ожидать наибольшей тур-
булентности.

ПОЛУЧЕНИЕ КОНТУРОВ ИЗОЭХО

Как уже говорилось, схема для одновременного пред-
ставления двух уровней разной интенсивности радиоэхо
была предложена Атласом. Эта схема получила название
системы контуров изоэхо. Принцип действия такой си-
стемы сводится к использованию двух цепей, каждый из
которых предназначена для обнаружения только опре-
деленного значения пороговой мощности. Если обе цепи
включены нормально, их сигналы положительны по
знаку. Если эти сигналы просуммировать и подать одно-
временно на индикатор кругового обзора, получится ра-
диоэхо обычного вида. По краям оно наиболее бледное.
Яркость увеличивается к центру, где обычно распола-
гается область с максимальной интенсивностью осадков.

При работе схемы контуров изоэхо выходной сигнал
цепи с большим значением пороговой мощности вначале
меняет свой знак, становясь отрицательным. Затем он
суммируется с выходным сигналом цепи с меньшей по-
роговой мощностью. В областях, где отрицательные сиг-
налы одной цепи налагаются на положительные сигналы
другой, происходит их взаимное уничтожение. Такое
уничтожение сигналов имеет место внутри области, огра-
ниченной контуром изоэхо с большой интенсивностью.
В результате на индикаторе кругового обзора видно ра-
диоэхо с «дыркой» посередине. С внешней стороны его
очерчивает изолиния пороговой мощности 1, а с внут-
ренней— изолиния пороговой мощности 2.

На рис. 28 представлены две фотограммы индикатора
кругового обзора самолетного радиолокатора. На левой
фотограмме показано радиоэхо осадков в его обычном
виде. Правая фотограмма, полученная вскоре после ле-
вой, демонстрирует работу схемы контуров изоэхо. Тем-
ные пятна внутри области радиоэхо на расстоянии 16 zcAt
к северо-западу и 28 км к северо-востоку свидетельствуют
78
6 наличии в этих местах сильных дождей и значитель-
ных градиентов интенсивности радиоэхо. Можно предпо-
ложить, что затемненные области радиоэхо созданы
осадками с большей турбулентностью, чем радиоэхо на
юго-западе. Наконец, из анализа фотограмм следует, что
наибольшая турбулентность наблюдается в области, рас-
положенной в южной и западной частях радиоэхо на рас-
стоянии 16 км, так как здесь наибольшие градиенты ин-
тенсивности радиоэхо.

Рис. 28. Фотограммы радиоэхо грозового
облака с индикатора кругового обзора
5,5-сантиметрового самолетного радиолока-
тора. Масштаб меток дальности 8 км

Исследования, проведенные различными авиакомпа-
ниями США, показали, что самолетные радиолокаторы,
снабженные схемой для получения контуров радиоэхо,
помогают пилотам избежать областей с сильной турбу-
лентностью. Однако эти работы еще не выявили возмож-
ности использования самолетных радиолокаторов для
того, чтобы обходить области града и наземные пре-
грады.

В начале 50-х годов одна из авиакомпаний устано-
вила 5,5-сантиметровый радиолокатор на одном из своих
самолетов и провела ряд интересных летных испытаний.
На рис. 28 приведена фотография, полученная на этом
радиолокаторе. Настоящий радиолокатор был первой
самолетной метеорологической радиолокационной стан-
цией, специально предназначенной для получения конту-
ров изоэхо. Возглавлявший эти исследования Гаррисон
и его сотрудники убедительно доказали, что радиолока-
тор удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям.
Он может помочь пилоту обнаруживать и обходить об-
ласти с сильной турбулентностью. Облетая эти области,
пилот также может избежать столкновения с градом.
Эта авиакомпания дала пример оснащения самолетов
метеорологическими радиолокаторами. Вскоре и другие
авиакомпании последовали ему. Затем национальное
авиационное агентство США приняло решение об осна-
щении к 1961 г. всех гражданских самолетов определен-
ного размера метеорологическими радиолокаторами.

Ранее уже указывалось, что радиолокаторы, суще-
ствовавшие в конце 40-х годов, были непригодны для ис-
пользования на самолетах. В настоящий момент эта про-
блема в значительной степени решена. Прежде всего
было упрощено управление радиолокационными сред-
ствами, затем ограничены их функции в соответствии
с теми задачами, которые они решают. Это позволило
значительно удешевить эти средства, уменьшить их вес
и габариты. Общий вес ныне используемых самолетных
радиолокаторов составляет около 80 кг.

Однако один вопрос — об оптимальной длине волны
таких станций — еще до сих пор окончательно не решен.
Некоторые авиакомпании широко используют 3-санти-
метровые устройства, так как они обеспечивают обнару-
жение штормов на больших расстояниях и создают более
узкий луч, чем радиолокаторы, работающие на более
длинных ' волнах. Другие авиакомпании применяют
5,5-сантиметровые радиолокаторы. Хотя для 5,5-санти-
метровых станций максимальная дальность обнаружения
штормов меньше, а ширина луча больше, чем у 3-санти-
метровых, они все же имеют некоторые преимущества,
обусловленные незначительным ослаблением такой
волны в сильных дождях. В результате эти радиолока-
торы могут «видеть» сквозь более широкие полосы силь-
ных дождей. Необходимо также заметить, что большин-
ство антенн самолетных радиолокаторов располагается
в носовой части самолета. Это накладывает определен-
ные ограничения на размеры антенн, которые не могут
быть больше 60—90 см, чтобы не нарушить аэродинами-
ческие свойства самолета. Обычно антенны самолетных
радиолокаторов помещают в специальный обтекаемый
колпак. Он делается из материала, через который радио-
волны проходят, не испытывая заметного поглоще-
ния.
Самолетные радиолокаторы, повсеместно используе-
мые в гражданской авиации, оборудованы антеннами, ко-
торые позволяют сканировать только вокруг вертикаль-
ной оси. Такие антенны дают обычную информацию,
представляемую на индикаторах кругового обзора. Автор
настоящей книги предложил модифицировать антенную
систему самолетных радиолокаторов таким образом, что-
бы по желанию пилота он мог получать информацию не
только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости,
лежащей перед самолетом. Для этого необходимо, чтобы
антенна имела возможность сканировать вокруг горизон-
тальной оси.

Представим себе, что самолет летит по направлению
к линии гроз, расположенной в 50—60 км впереди. Если
антенна радиолокатора может быть переведена из гори-
зонтального сканирования в вертикальное, индикатор
кругового обзора будет автоматически давать картину
радиоэхо в координатах высота — горизонтальная даль-
ность. В этом случае высота грозового облака может
быть непосредственно отсчитана по индикатору (рис. 29).
Вообще говоря, сведения о вершинах грозовых облаков
можно получить и при помощи обычного горизонталь-
ного сканирования. Однако это требует много времени.
Как уже указывалось в главе 7, вертикальная протяжен-
ность грозового облака представляет большой интерес
для пилота, так как она характеризует интенсивность
грозовой деятельности.

Если сочетать вертикальное сканирование с получе-
нием контуров изоэхо, можно за короткий промежуток
времени получить необходимые сведения как о макси-
мальной высоте, так и о максимальной интенсивности
радиоэхо. Это позволило бы сделать более надежные вы-
воды о возможности существования града или торнадо.

Радиолокатор с вертикально сканирующей антенной
облегчает также обнаружение яркой полосы. Сам факт
существования яркой полосы в облаках показывает, что
в этих облаках интенсивного обледенения самолета не
будет. Обледенение, т. е. накопление льда на поверхности
самолета, происходит обычно в тех случаях, когда пере-
охлажденные капли воды замерзают, ударяясь о поверх-
ность самолета. Обледенение не представляет серьезной
опасности для современных воздушных лайнеров, однако
иногда оно все же значительно затрудняет полет. При
наличии отчетливой яркой полосы область, расположен-
ная выше уровня замерзания, в большей части заполнена

Рис. 29. Фотограмма радиоэхо ливня и грозы
на индикаторе «дальность—высота» 3-санти-
метрового самолетного радиолокатора. Кон-
центрические окружности — метки дальности
через 1,8 км. Горизонтальная светлая по-
лоса — отражения от земной поверхности. По-
ложение самолета соответствует центру фото-
граммы. Слева — радиоэхо грозы, простираю-
щееся более чем на 1,5 км выше самолета.
Справа — радиоэхо ливня, вершина которого
на 2 км ниже самолета. Фотография получена
в направлении, перпендикулярном движению
самолета. Для обеспечения метеорологической
безопасности полетов антенна радиолокатора
должна сканировать в плоскости движения
самолета.

снежинками и ледяными кристаллами. Если же из об-
лака выпадают осадки в твердом виде, обледенение
обычно слабое.

Другой способностью радиолокатора с вертикально
сканирующей антенной является возможность получения
топографического профиля местности в вертикальной
плоскости. В прошлом имели место несчастные случаи,
когда самолет врезался в горы. Иногда катастрофа про-
исходила даже тогда, когда летчик знал расположение
гор. В одних случаях самолет терял управление, в других
горы были замаскированы густой облачностью или ту-
маном. Возможность радиолокационного наблюдения на-
земных предметов по мере приближения самолета к аэро-
дрому, затянутому облачностью, уменьшит вероятность
его столкновения с возвышенностями, особенно в тех
районах, где посадочные навигационные и радиолокаци-
онные средства недостаточно развиты.

Идея применения в гражданской авиации самолет-
ного радиолокатора с вертикально сканирующей антен-
ной еще совершенно новая и поэтому недостаточно апро-
бирована. Однако в силу ее большой перспективности
она должна быть всесторонне исследована в самое бли-
жайшее время.

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ

РАДИОЛОКАТОР ВИДИТ ЗЕМЛЮ

И „АНГЕЛОВ66

Когда излучаемая радиолокатором энергия достигает
земной поверхности, часть ее отражается обратно и соз-
дает видимое радиоэхо на индикаторах радиолокацион-
ной станции. Подобное явление следовало ожидать, и
оно легко поддается объяснению. Однако иногда на ин-
дикаторах радиолокационных станций радиоэхо появля-
ются при совершенно чистом небе. На заре существова-
ния радиолокации эти радиоэхо получили такие забав-
ные названия, как «эхо духов», «эхо призраков» и, нако-
нец, «ангел-эхо». Последнее из названий оказалось наи-
более стойким. Поэтому обычно радиоэхо, происхождение
которых не может быть объяснено элементарным обра-
зом, называются «ангелами». В настоящее время имеется
несколько правдоподобных предположений о причинах
этого загадочного явления. Однако вначале полезно
рассмотреть отражение от земной поверхности и мест-
ных предметов, а затем уже вернуться к «ангел-
эхо»,
РАДИОЭХО ОТ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Почти всегда на индикаторах кругового обзора на-
земных радиолокационных станций видны на очень
близких расстояниях отражения от земной поверхности
и близрасположенных предметов. Часто эти отражения
называют помехами земли, так как они почти никогда
не служат полезным целям. Напротив, маскируя основ-
ные отражения, эти помехи мешают обнаруживать такие
цели, как самолеты, проходящие близко от радиолока-
тора.

Причина частого появления отражений от земли со-
стоит в том, что для получения обнаруживаемого сигнала
от хорошо отражающей или рассеивающей поверхности,
находящейся на близком расстоянии, достаточно не-
большой мощности. Такое малое количество мощности
излучается антенной радиолокатора в весьма широком
телесном угле даже в тех случаях, когда луч антенны
узок. Когда мы говорим, что радиолокатор имеет луч
шириной 2°, мы вовсе не подразумеваем, что вся мощ-
ность сконцентрирована в телесном угле 2° вокруг оси
луча. На самом деле обычная антенна радиолокатора
концентрирует в своем луче лишь около 80% общей из-
лучаемой ею мощности. Остальные же 20% излучаются
«боковыми лепестками», расположенными под различ-
ными углами к оси антенны. Если учесть, что диапазон
углов, в которых распределено 20% общей мощности,
достаточно широк, становится ясным, что мощность, из-
лучаемая «боковыми лепестками» на единицу площади,
действительно весьма мала. В результате, если цели уда-
лены от радиолокатора более чем на 15—20 км, на инди-
каторе не видно отражений от близких предметов и
радиоэхо создается только главным «лепестком» антенны.
Вот почему местные предметы могут наблюдаться только
в ближней от радиолокатора зоне.

Однако в некоторых случаях появляются отражения
и от сильно удаленных наземных предметов. Так, на-
пример, иногда удается наблюдать предметы даже на
расстояниях до 600—800 км. На первый взгляд это ка-
жется странным. Было бы естественно предположить,
что узкий пучок электромагнитных волн распростра-
няется почти горизонтально вдоль прямой линии, иногда
называемой линией видимого горизонта. Однако в дей-
84
ствительности радиоволны в атмосфере почти никогда
не распространяются прямолинейно. Только в вакууме
они вели бы себя именно так. Но атмосферу, конечно,
нельзя считать вакуумом. Изменения с высотой темпера-
туры, влажности и давления являются теми факторами,

которые заставляют «искривляться» луч радиолокатора.
Искривление световых лучей легко продемонстрировать.

Если карандаш наполовину погрузить в воду (рис. 30),
то погруженная часть кажется короче, чем в действи-

тельности. Это происходит
из-за того, что лучи света
отражаясь от карандаша,
преломляются на поверх-
ности воды. Причину из-
менения направления све-
тового луча можно объ-
яснить, если рассматри-
вать свет как волну,
скорость которой меняет-
ся при переходе из одной
среды в другую. Если
световые волны переходят
из среды более плотной
в среду менее плотную,
например из воды в воз-
дух, то скорость света воз-
растает. Величина этого
возрастание^ очень мала,
но все же она достаточна
для того, чтобы изменить

Рис. 30. Луч света, отраженный
от острия карандаша, изменяет
направление своего движения при
выходе из воды. В результате
карандаш кажется короче, чем
в действительности. Изменение
направления движения луча про-
исходит вследствие того, что
коэффициент преломления воз-
духа меньше, чем воды.

го направление движения,

которое она имела в воде. Это отклонение называется
преломлением. Изменение угла, под которым распростра-
няется волна, связано с определенной величиной п, на-
зываемой показателем преломления, который равен от-
ношению скорости света в вакууме с к реальной скорости
распространения волны v в данной среде:

(4)

Очевидно, что при переходе электромагнитной волны
из среды с одним значением п в среду с меньшим п
скорость волны должна возрастать.
Ё атмосфере коэффициент преломления монотонно
убывает с высотой. Поэтому радиоволна, направленная
например, вверх под углом 45°, будет постоянно увели-
чивать свою скорость при переходе к более высоким
слоям атмосферы, а следовательно, отклоняться вниз от
своего первоначального направления. Следует еще раз
подчеркнуть, что изменение скорости очень мало и волна
никогда не может достичь в атмосфере скорости света
в вакууме.

Рис. 31. В нормальной атмосфере
коэффициент преломления убывает
с высотой. В результате траектория
радиолокационного луча искрив-
ляется вниз, в то время как траек-
тория света представляет собой пря-
мую линию.

1 — световой луч, 2 — радиолокационный
луч.

Показатель преломления воздуха может быть вычис-
лен из уравнения, которое учитывает давление, темпера-
туру и влажность воздуха. С изменением этих трех фак-
торов меняется и коэффициент преломления. Обычно
вблизи поверхности земли он равен 1,0003, а градиент
уменьшения коэффициента с высотой в среднем состав-
ляет около 4 • 10-8 на 1 ж подъема. Можно показать,
что в такой атмосфере радиоволна, посланная горизон-
тально, будет отклоняться вниз и двигаться по дуге,
радиус которой примерно в 1,3 раза больше радиуса
Земли. Сказанное выше наглядно иллюстрируется
рис. 31, где показана траектория радиоволны, послан-
ной горизонтально. Радиоволна по мере своего распро-
странения постепенно отклоняется все дальше и дальше
от поверхности земли. Как видно, это отклонение за счет
преломления в атмосфере, называемого рефракцией, про-
исходит более медленно, чем если бы волна распростра-
нялась прямолинейно.

Как же объяснить то, что в некоторых случаях назем-
ные предметы видны на расстоянии многих сотен ки-
лометров?

Положение, которое обсуждалось выше, относится
к средним, или так называемым нормальным, условиям
в атмосфере. Однако иногда ход температуры и влаж-
ности с высотой отличается от нормального. В этих слу-
чаях и волна распространяется аномально.

На рис. 31 мы видели, что луч радиолокатора при
нормальных условиях отклоняется вниз незначительно.
При других условиях искривление луча может быть на-
столько большим, что он может коснуться поверхности
земли на некотором расстоянии от радиолокатора. Для
того чтобы это произошло, необходимо, чтобы скорость
волны возрастала с высотой быстрее, чем в нормальной
атмосфере. Это и имеет место в случаях аномального
распространения.

Давление в атмосфере всегда уменьшается с высо-
той, и степень его уменьшения мало меняется ото дня ко
дню и в разных точках земного шара. С другой стороны,
вертикальные изменения температуры и влажности под-
вержены более сильным изменениям. Обычно темпера-
тура и влажность уменьшаются с высотой, однако иногда
имеет место и обратное явление.

Исследование уравнения для показателя преломле-
ния атмосферы убеждает нас, что он убывает с высотой
быстрее в том случае, когда температура растет, а влаж-
ность, наоборот, уменьшается с высотой. Такие условия
могут возникнуть при различных метеорологических си-
туациях, например, когда теплый сухой воздух движется
над водной поверхностью. Вода резко понижает темпе-
ратуру воздуха вблизи своей поверхности, в результате
чего образуется так называемая температурная инвер-
сия, т. е. в некотором приземном слое температура воз-
растает с высотой. Кроме того, испарение с водной по-
верхности увеличивает влажность в нижних слоях воз-
духа. Оба эти обстоятельства способствуют аномальному
распространению волны, при котором траектория луча
может оказаться заключенной в узком слое, примыкаю-
щем к поверхности земли (рис. 32). В этом случае волна
может распространяться путем многократного «отраже-
ния» от верхней границы приземного слоя и земной по-
верхности. Иногда этот слой называют каналом или
атмосферным волноводом, потому что распространяю-
щаяся энергия заключена внутри него.

Условия, подобные описанным, иногда возникают над
Средиземным морем, когда теплый сухой воздух из
Африки движется над поверхностью воды. Поэтому здесь

Рис. 32. Когда вблизи земной поверх-
ности температура воздуха растет с вы-
сотой, а влажность падает, образуется
атмосферный волновод, который концен-
трирует распространяющиеся волны и
направляет их вдоль земной поверх-
ности. В результате радиоэхо от земли
и других местных предметов может на-
блюдаться на очень больших расстоя-
ниях.

и наблюдалось большинство случаев аномального рас-
пространения радиоволн, зафиксированных во время
второй мировой войны, когда наземные цели, удаленные
на много сотен километров, создавали на экранах радио-
локаторов интенсивные радиоэхо.

Возникновение каналов и аномальное распростране-
ние радиоволн наблюдаются иногда и в ясные ночи над
влажной почвой. В этих условиях сильное излучение
с поверхности земли приводит к образованию темпера-
турной инверсии в нижних слоях и соответствующему
распределению влажности. Образование атмосферных
волноводов особенно сильно влияет на передачу телеви-
зионного изображения. Например, телезрители Чикаго
могут иногда принимать станцию Милуоки, удаленную
более чем на 150 км. Несмотря на то что радиоволны,
используемые в телевидении, много длиннее радиоволн
обычных радиолокаторов, они подчиняются тем же зако-
нам преломления.

Помехи от поверхности земли возникают и при дру-
гих метеорологических условиях. Поэтому оператор ра-
диолокационной станции должен знать о таких условиях
для того, чтобы правильно интерпретировать картину
радиоэхо на индикаторе.

Очень часто радиоэхо от наземных предметов может
быть весьма сходным с радиоэхо от осадков. Если мете-
орологические условия допускают аномальное распро-
странение, то сомнительные случаи радиоэхо нуждаются
в дополнительном исследовании.

Одним из методов проверки того, является ли данное
радиоэхо отражением от ливня или от наземного пред-
мета, может служить способ увеличения угла возвыше-
ния антенны. Нетрудно показать, что при углах возвы-
шения антенны, больших 2°, луч искривляется уже не-
достаточно для того, чтобы он коснулся земли. Это спра-
ведливо даже в случаях аномального распространения,
когда показатель преломления быстро уменьшается
с высотой.

Если это так, то возникает естественный вопрос: по-
чему при метеорологических наблюдениях не работать
всегда под углами возвышения антенны, большими или
равными 2°? В ряде случаев это действительно можно
сделать. Однако если требуется обнаруживать осадки
на значительных расстояниях, то необходимо направлять
антенну под минимально возможным углом к горизонту.
В противном случае радиолокационное обнаружение не
будет эффективным, так как луч пройдет над вершинами
большинства ливневых и грозовых облаков, в то время
как они могли бы быть обнаружены при меньшем угле
наклона антенны.

В целом можно констатировать, что поверхность
земли является хорошим отражателем радиолокацион-
ной энергии. Обычно атмосферные условия таковы, что
отражения от земли возникают на относительно малых
расстояниях. При резком же повышении температуры и
уменьшении влажности с высотой могут создаваться
атмосферные каналы, которые концентрируют радио-
локационную энергию вблизи земной поверхности и по-
этому являются причиной образования радиоэхо от
земли на больших расстояниях.
АНГЕЛЫ*1

Первое сообщение об «ангел-эхо» было опубликовано
в 1940 г. Френдом. Направляя антенну радиолокатора
вертикально вверх, он обнаружил на экране радиолока-
тора радиоэхо, которое не могло быть вызвано каким-
либо видимым объектом. Небо было совершенно ясным,
поэтому нельзя было приписать возникновение радиоэхо
облакам или дождевым каплям. Френд предположил,
что, по-видимому, электромагнитная энергия отражается
от слоя воздуха, в котором либо температура, либо

Рис. 33. Фотограмма негативного изображения «ангел-эхо»,
наблюдаемых на 0,86-сантиметровом радиолокаторе с непо-
движной вертикальной антенной. Высота расположения
«ангел-эхо» от 300 до 700 л<.

влажность, либо оба этих параметра быстро изменяются
с высотой. Со времени наблюдений Френда был собран
обширный материал об «ангел-эхо». Типичная фото-
грамма радиоэхо такого рода показана на рис. 33.

Иногда «ангел-эхо» появляется в виде слоя равно-
мерно распределенных точечных отражений, иногда на-
блюдается несколько подобных слоев. Наконец, имеет
место и такая картина, когда отдельные точечные
«ангел-эхо» хаотически распределены относительно
Друг друга.

Перед тем как рассматривать другие типы «ангел-
эхо», полезно до конца уяснить причину отражений от
ясного неба.

В свое время было высказано предположение, что
причиной «ангел-эхо» являются рои насекомых или стаи
птиц, находящихся высоко в небе за пределами види-
мости, но способных тем не менее создавать значитель-
ные радиолокационные отражения. Планк, работавший
в Исследовательском авиационном центре в Кем-
бридже, произвел подробный анализ большой группы
«ангел-эхо», наблюденных в окрестностях Бостона
с помощью радиолокатора с длиной волны 1,25 см. Пред-
варительно изучив поведение насекомых и птиц, обитаю-
щих в окрестностях Бостона, он пришел к заключению,
что ни в один из дней, когда наблюдалось «ангел-эхо»,
не было такого количества птиц или насекомых, которое
было бы достаточным для возникновения радиоэхо.
С другой стороны, в дни с «ангел-эхо» наблюдались
условия, благоприятные для возникновения больших гра-
диентов показателя преломления воздуха. Как уже от-
мечалось, показатель преломления воздуха главным
образом зависит от температуры и влажности атмо-
сферы. Он падает с повышением температуры и умень-
шением влажности. В результате этого на границе
области с повышенной влажностью, окруженной более
сухим воздухом, может возникнуть большой градиент
показателя преломления.

Но работ Планка было недостаточно для того, чтобы
убедить ряд исследователей в том, что «ангел-эхо» не
могут быть вызваны птицами. Так, например, Ричардсон,
работавший в Массачусетсском технологическом инсти-
туте, представил доказательства, что одиночная морская
чайка способна создавать «радиоэхо». Он подсчитал,
что морская чайка имеет площадь радиолокационного
отражения около 100 кв. см. Цель с такой площадью мо-
жет вызвать сильное радиоэхо на индикаторе радиоло-
катора даже при удалении около 30 км. Тем более что
одна птица, попадающая в раствор луча, который дости-
гает на этом расстоянии ширины 1—2 км, может, вообще
говоря, легко ускользнуть из поля зрения наблюдателя.
Из результатов этой работы и других наблюдений, ко-
торые будут обсуждены ниже, можно сделать вывод, что
некоторые «ангел-эхо» создаются птицами.

Однако очевидно, что все многообразие «ангел-эхо»
не может быть объяснено присутствием птиц и насеко-
мых.

Нет сомнений в том, что, если показатель преломле-
ния сильно изменяется на очень малом расстоянии, мо-
жет возникнуть отражение, мощность которого доста-
точна для создания обнаруживаемого радиоэхо.
Согласно разработанным в настоящее время теориям,
для возникновения такого процесса необходимы очень
большие градиенты показателя преломления. К сожа-
лению, обычные приборы для прямого измерения пока-
зателя преломления слишком инерционны, чтобы
обнаруживать большие градиенты в очень тонких
слоях.

Наилучшим прибором для подобных измерений
является микроволновой радиолокатор, разработанный
в Техасском университете и установленный на самолете.
В результате . многочисленных измерений с помощью
этого прибора было найдено, например, что большие
градиенты показателя преломления возникают на гра-
ницах конвективных облаков, развивающихся в сухом
воздухе. Возникновение больших градиентов показателя
преломления в основном может быть объяснено значи-
тельными колебаниями влажности на периферии таких
облаков. К сожалению, современный самолетный реф-
рактометр не может измерять градиенты показателя
преломления на расстояниях, меньших 90 сж. В то же
время, согласно принятым сейчас теориям, возникнове-
ние «ангел-эхо» на экранах 3-сантиметровых радиолока-
торов возможно лишь в тех случаях, когда большие гра-
диенты показателя преломления локализованы на рас-
стоянии около 5 см. Возможно, что с применением менее
инерционных приборов, которые сейчас разрабатыва-
ются, будут обнаружены такие градиенты.

Несмотря на недостаточность теоретических предпо-
сылок в объяснении природы «ангел-эхо», все же можно
предполагать, что причиной их являются большие гра-
диенты показателя преломления воздуха.

Рассмотрим теперь разновидности «ангел-эхо». В те
дни, когда имеются конвективные облака, иногда на-
блюдаются различные типы «ангел-эхо». Под облаками,
в области восходящих движений воздуха, отчетливо раз-
личаются маленькие «точки» или «столбики» радиоэхо,
подобные приведенным на рис. 33. Некоторые исследо-
ватели полагают, что такой тип радиоэхо вызывается
изменениями показателя преломления на границе нагре-
тых объемов воздуха, находящихся у основания облака.
Другое объяснение предполагает наличие птиц в нагре-
тых слоях воздуха, которые охотятся за насеко-
мыми.

«Ангел-эхо» большой протяженности и длительно су-
ществующие были обнаружены перед шквальными ли-
ниями. На рис. 34 приведена фотография группы очагов
радиоэхо гроз, перед которой видна тонкая линия «ангел-
92
эхо». Из множества наблюдений было установлено, что
такие линии «ангел-эхо» возникают в областях, где почти
нет или полностью отсутствуют какие-либо облака.
В этих случаях «ангел-эхо» образуется на переднем крае
холодного воздуха, вытесняемого из грозового облака.
По мере прохождения на высоте переднего края холод-

Рис. 34. Фотограмма группы очагов радиоэхо с ин-
дикатора кругового обзора 10-сантиметрового ра-
диолокатора. Тонкая линия радиоэхо, указанная
стрелкой, — отражение от птиц. Масштаб меток
дальности 8 км. Радиоэхо в центре — отражения от
земли и местных предметов.

ного воздуха температура быстро падает, а относитель-
ная влажность растет. Некоторые исследователи припи-
сывают возникновение такого радиоэхо резким измене-
ниям показателя преломления на переднем крае холод-
ного воздуха.

Однако Гарнер (Королевский колледж в Лондоне)
объясняет возникновение линий «ангел-эхо» перед гро-
зовыми облаками отражением радиоволн от птиц. На-
блюдая в телескоп область атмосферы, которая созда-
вала «ангел-эхо», он увидел множество стрижей, мель-
кавших в поле зрения телескопа, и сделал вывод, что эти
стрижи охотятся за насекомыми, увлекаемыми вверх
поднимающимся теплым воздухом. Однако уже давно
известно, что по мере подтекания холодного воздуха под
грозовое облако на переднем его крае образуются вос-
ходящие движения. Когда воздух начинает подниматься
вверх, возможно образование термиков, а следовательно,
и «ангел-эхо». Поэтому объяснение, данное Гарнером,
хотя и правдоподобно, но не исчерпывающе, так как не
может быть отнесено ко всем случаям возникновения
линий «ангел-эхо».

Наиболее интересно «ангел-эхо» в форме кольца.
Впервые его наблюдал Элдер из Мичиганского универ-
ситета, использовавший 23-сантиметровый радиолокатор.
Элдеру удалось получить длинную серию фотоснимков
такого радиоэхо, сделанных через 10 секунд. Если про-
смотреть серию этих фотоснимков как кинофильм, можно
заметить, что вначале радиоэхо возникают в виде ма-
леньких кружков, которые затем расширяются со ско-
ростью около 80 км/час. Иногда в одном и том же месте
возникает до четырех колец, которые развиваются при-
мерно за 4 секунды. Движущееся изображение такого
радиоэхо напоминает спокойную поверхность озера,
в которое брошен камень, вызвавший кольцевые волны.
Элдер предположил, что возникновение подобного радио-
эхо также связано с градиентами коэффициента прелом-
ления. Однако некоторые исследователи утверждают,
что и в данном случае появление кольцеобразного эха
объясняется наличием птиц. Они предположили, что
иногда птицы скапливаются в огромном количестве,
а затем, испугавшись чего-либо, разлетаются во всех
направлениях. Их предположение подкреплялось не-
большим числом наблюдений кольцевых «ангел-эхо»,
сопровождавшихся одновременным появлением в этих
местах птиц. Очевидно, что наличие птиц как единствен-
ного источника радиоэхо не объясняет его причудливой
формы. Если бы действительно все кольцеобразные
«ангел-эхо», наблюдавшиеся Элдером, были вызваны
птицами, следовало бы, вопреки здравому смыслу, до-
пустить, что полет птиц строго организован.
Следующим типом «ангел-эхо», который был подвер-
гнут тщательному изучению, особенно Атласом, является
радиоэхо морских бризов. Обычно на берегах морей
в ночное время ветры дуют к морю, а в послеполуденные
часы — наоборот, к берегу. Такая циркуляция является
следствием того, что солнечные лучи нагревают сушу
сильнее, чем море. В результате, когда воздух над сушей
становится достаточно теплым, он начинает подниматься
и заменяется более холодным воздухом, который бриз
приносит с моря. В некоторых районах земного шара
данный вид циркуляции воздуха достаточно регулярен,
поэтому люди с нетерпением ожидают освежающих
морских бризов.

Исследования показали, что толщина слоя охлажден-
ного водой воздуха составляет примерно 700—1000 м и
что этот воздух движется над поверхностью земли, как
единое тело. Для наблюдений за морским бризом на бе-
регу Массачусетсского залива Атлас с группой исследо-
вателей использовал 1,25-сантиметровый радиолокатор.
Он заметил, как при совершенно безоблачном небе на
переднем крае морского бриза возникло отчетливое
радиоэхо. Оно приближалось со скоростью около
15 км!час. В тот момент, когда бриз проходил над го-
ловой, температура резко понижалась, а влажность воз-
растала. После тщательного анализа наблюдений Атлас
пришел к выводу, что «ангел-эхо» морских бризов есть
следствие градиентов показателя преломления воздуха.

Подводя итоги вышесказанному, следует еще раз
констатировать, что во многих случаях радиолокаторы,
работающие на различных длинах волн, регистрировали
эхо, приходящее от областей без облаков или других
видимых объектов. Является также фактом то, что одна
крупная птица, например морская чайка, может создать
радиоэхо даже тогда, когда она находится более чем
в 30 км от радиолокатора. При наличии стаи таких птиц,
находящихся на расстоянии менее 800 м друг от друга,
можно наблюдать линии радиоэхо в течение того вре-
мени, пока птицы освещаются лучом радиолокатора.

Однако в некоторых случаях особенности конфигура-
ции «ангел-эхо», время их существования, а также рас-
пределение и скорость движения свидетельствуют о том,
что возникновение «ангел-эхо» не обусловлено птицами.
Вероятно, в этих случаях радиоэхо создается в резуль-
тате отражения электромагнитной энергии от областей
атмосферы, где показатель преломления сильно ме-
няется на малых расстояниях.

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ

НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ
РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

С тех пор как радиолокация проникла в сферу на-
блюдений и прогноза погоды, исследователи, занимаю-
щиеся проблемами метеорологии, сконцентрировали свое
внимание на разработке электронной техники, способ-
ствующей решению специфических задач.

Блестящим примером нового применения электроники
в метеорологических целях является радиолокационный
индикатор кругового обзора постоянной высоты. При изу-
чении мощных грозовых систем желательно знать распре-
деление осадков на заданной высоте. При использовании
обычного индикатора радиолокатора это сделать невоз-
можно. Даже в том случае, когда антенна направлена
горизонтально и вращается по кругу, вследствие кривизны
земной поверхности очаги радиоэхо на разных расстоя-
ниях будут относиться к различным высотам.

Решением задачи о наблюдении радиоэхо на по-
стоянной высоте занялись исследователи Мак-Джилль-
ского университета во главе с Маршаллом. Они разрабо-
тали специальную аппаратуру, которая автоматически
увеличивала ступенчатым образом угол возвышения
антенны радиолокатора после каждого ее оборота, одно-
временно уменьшая расстояния, на которых исследова-
лось радиоэхо (рис. 35). Выбирая соответствующим
образом интервалы ступенчатого увеличения угла воз-
вышения и соответствующие интервалы уменьшения рас-
стояния, можно получить серию колец радиоэхо, отно-
сящихся к одной и той же высоте. Далее эти кольцевые
участки радиоэхо определенным образом комбинировали
с помощью электронной схемы, в результате чего полу-
чили полную картину кругового обзора на заданной
высоте. С помощью этой аппаратуры можно наблюдать
картину радиоэхо на любой высоте, вплоть до 17 000 м.
Наиболее характерным является уровень 3000 м, так как
выше его обычно располагается большая часть облаков,
дающих осадки.
С помощью сети радиолокаторов, расположенных на
расстоянии 150—300 км друг от друга и снабженных
подобной аппаратурой, можно получить детальную кар-
тину шторма. Без аппаратуры для приведения радиоэхо
к постоянным высотам зачастую трудно определить,
являются ли наблюдаемые колебания интенсивности
радиоэхо следствием изменения расстояния или же вы-
соты. В Мак-Джилльском университете с помощью по-
добной аппаратуры были получены весьма важные све-

Рис. 35. Рассмотрим радиолокатор с ан-
тенной, вращающейся вокруг вертикаль-
ной оси. Изменяя ступенчатым образом
угол возвышения антенны и выбирая
соответственно расстояние, можно полу-
чить серию колец с определенным попе-
речным сечением. Сочетание информа-
ции по всем кольцам дает полную кар-
тину кругового обзора на заданной вы-
соте.	е—угол возвышения антенны,

Н — высота

дения о распределении дождей и снежных бурь по пло-
щади. К сожалению, рассматриваемую аппаратуру, раз-
работанную несколько лет назад, только сейчас начали
широко использовать. Применение ее открывает огром-
ные возможности в исследованиях большого круга во-
просов, которые ранее не могли быть решены.

Не менее важное значение имеет и другая идея,
предложенная этой же группой исследователей в 1958 г.

В предыдущих главах была показана важность изме-
рения интенсивности радиоэхо. В этой связи описывался
широко используемый метод получения двух контуров
изоэхо на одном индикаторе кругового обзора. Даль-
нейшим развитием этого метода является способ пред-
ставления интенсивности радиоэхо в виде «ступенчатой
соответствует минимально

Рис. 36. Картина радиоэхо на
индикаторе кругового обзора,
представленная методом «сту-
пенчатой серой шкалы». Вместо
плавного изменения яркости
радиоэхо от черного цвета до
белого имеет место ступенча-
тое изменение. Каждой сту-
пени яркости соответствует
определенная интенсивность
радиоэхо. В результате можно
построить контуры изоэхо.

серой шкалы». Этим способом можно различать до пяти
и более уровней интенсивности радиоэхо.

Как известно, обычное радиоэхо дождя на индика-
торе кругового обзора имеет яркостную отметку, цвет
которой меняется от черного до почти белого. Изменение
яркости от периферии радиоэхо к его центру происходит
очень плавно. Радиоэхо, едва различимое на индикаторе,
обнаруживаемому сигналу.
Наиболее яркая область
радиоэхо, соответствующая
«насыщению» индикатора,
характеризует максималь-
ный уровень сигнала, кото-
рый может быть измерен.
Для определения промежу-
точных уровней интенсив-
ности можно использовать
фотоденситометр, с помощью
которого измеряется яркость
свечения радиоэхо. Однако
для того чтобы перевести
единицы яркости изображе-
ния в единицы мощности,
рассеиваемой дождем, необ-
ходимо знать чувствитель-
ность пленки к свечению эк-
рана и провести ее тщатель-
ную градуировку. Эти труд-
ности делают данный метод
практически неприемлемым.
Способ нанесения «сту-

пенчатой серой шкалы» устраняет трудности градуи-
ровки системы. Вместо плавного изменения яркости
радиоэхо используется только несколько его дискретных
оттенков. Для градуировки системы в радиолокационный
приемник вводится специальная калибрующая усили-
тельная цепочка. Прокалиброванные по мощности
оттенки яркости радиоэхо имеют вид, показанный
на рис. 36. Каждому оттенку яркости соответствует
вполне определенный уровень средней мощности. Такой
способ дает возможность легко и быстро нанести кон-
туры изоэхо на область отражений и выделить районы
с большими градиентами интенсивности,
Новой аппаратурой, созданной в последнее время,
является также специальный индикатор, позволяющий
получить подробное распределение интенсивности ра-
диоэхо в виде «профилей средней отражаемости» в го-
ризонтальной и вертикальной плоскостях. Схема дан-
ной аппаратуры была разработана Кесслером, работаю-
щим в Исследовательском авиационном центре Кем-
бриджа. Аппаратура позволяет, например, получить вер-
тикальный профиль средней интенсивности радиоэхо гро-
зового облака. Это дает возможность непосредственно
наблюдать как за высотами, на которых возникают мак-
симальные интенсивности радиоэхо, так и за самой вели-
чиной интенсивности сигнала. Как уже указывалось
выше, знание вертикальной протяженности грозового об-
лака и максимальной интенсивности радиоэхо позволяет
сделать вывод о наличии в таком облаке града. Индика-
тор Кесслера непосредственно дает подобные сведения.
Он также позволяет более эффективно изучать про-
цессы развития и распространения всех видов частиц
осадков. Такие знания являются существенными для фи-
зики осадкообразования.

ФОРМА ЧАСТИЦ

В первых главах при рассмотрении процесса обрат-
ного рассеяния на водяных и ледяных частицах было
сделано допущение об их сферичности. Однако известно,
что многие виды частиц твердых осадков сильно отли-
чаются от сфер. Например, ледяные кристаллы и сне-
жинки по своей форме больше напоминают пластинки.
Форма маленьких капель, как правило, близка к сфере,
однако большие капли (с диаметром более 3—4 мм) от-
личаются от сфер: они сплюснуты. Обычно нижняя по-
верхность таких капель более плоская, в то время как
верхняя — круглая.

Мгновенные фотографии падающих больших капель
показывают, что при падении капли испытывают коле-
бательные движения вдоль вертикальной оси. В начале
падения капля сплющивается, причем сплющивание про-"
должается до тех пор, пока вертикальный размер капли
не составит около одной четверти ее горизонтального
размера. Затем она возвращается к первоначальной
форме, снова становясь круглой.
Несколько исследователей, в том числе Атлас, Кер-
кер и Хитчфельд, рассмотрели задачу о рассеянии волны
на водяных и ледяных сфероидах, размеры которых
много меньше длины волны радиолокатора.

В общем случае беспорядочно ориентированные не-
сферические водяные капли дают в среднем более силь-
ный отраженный сигнал, чем сферические капли с та-
кой же массой. Если же несферические частицы ориен-
тированы, например^так, что их большие оси преимуще-
ственно одинаково' направлены, отраженный сигнал
может быть либо больше, либо меньше сигнала от сфер
одинаковой с ними массы. Результаты зависят от харак-
тера электромагнитной волны, поэтому остановимся на
этом вопросе более подробно.

Как известно, электромагнитная волна создается те-
кущим вдоль проводника электрическим током, который
меняет во времени свою величину и направление движе-
ния. Движущиеся электрические заряды создают элек-
трические и магнитные поля. Оба эти поля с частотой /
движущегося тока попеременно то достигают макси-
мальной величины, то доходят до минимума. Передающие
антенны всех типов: и радиопередающие, и телевизион-
ные, и радиолокационные — работают на принципе излу-
чения электромагнитных волн. Выше мы уже описывали
действие больших металлических отражателей, исполь-
зуемых в радиолокационных антеннах. Эти рефлекторы
не создают электромагнитных волн. Напротив, они лишь
фокусируют энергию, излучаемую маленькой антенной,
в узкий луч. Проводник, являющийся излучателем элек-
тромагнитных волн, обычно помещается в фокусе метал-
лического «зеркала». Длина этого проводника равна
половине длины волны радиолокатора. Таким образом,
антенна, состоящая из измерителя и большого металли-
ческого «зеркала», создает концентрированное в виде
узкого луча электромагнитное поле, которое меняется
с заданной частотой f. При распространении волн в про-
странстве расстояние между их максимумами остается
равным длине радиоволны. Следует напомнить, что длина
волны равна скорости света с, деленной на частоту f.

Когда мы говорим об электрическом поле, то имеем
в виду силовое поле, которое создается в области между
двумя электрически заряженными телами. В антенне
такое поле создается зарядами разных знаков, находя-
100
щихся на противоположных концах проводника. О су-

ществовании сил электрического поля можно судить
хотя бы по тому, что заряженное тело, помещенное

в электрическое поле, начинает перемещаться определен-
ным образом. Аналогичным образом мы определяем и
силовое поле, называемое гравитационным. Если мы под-
бросим камень в воздух, то он упадет на землю вслед-

ствие наличия силы тяжести.
Электрическое поле подобно
гравитационному во многих
отношениях. К сожалению,
мы не имеем возможности ви-
деть его, но можем установить
его присутствие путем воздей-
ствия этого поля на заряжен-
ные тела.

Магнитное поле создается
вокруг проводника, по кото-
рому протекает электрический
ток. О наличии магнитного
поля можно судить по откло-
нению стрелки компаса вблизи
проводника.

Общее свойство всех полей:
электрического, магнитного и
гравитационного — состоит в
том, что они создают силы,

Рис. 37. Каждая электро-
магнитная волна может
быть представлена двумя
составляющими — электри-
ческой Е и магнитной Ht
которые взаимно перпенди-
кулярны и лежат в пло-
скости, перпендикулярной
направлению движения
волны.

направленные определенным
образом. Так, гравитация вы-
зывает силу, направленную к центру Земли. Электри-
ческое поле вызывает силы в направлении провод-

ника, а магнитное — силы, перпендикулярные провод-
нику. Таким образом, направление сил взаимодей-
ствия в различных полях является их спецификой.
Электромагнитная волна состоит из связанных между
собой электрического и магнитного полей, направления
которых, как показано на рис. 37, взаимно перпендику-
лярны и перпендикулярны направлению движения

волны.

При рассмотрении процесса обратного рассеяния на
несферических частицах, оси которых преимущественно
ориентированы в одном направлении важно знать
направление электрического поля. Если направление
электрического поля совпадает с направлением больших
осей частиц, отражение от них будет больше, чем от сфер
равной им массы. Если же электрическое поле перпен-
дикулярно большим осям, наблюдается обратное явле-
ние.

Было найдено, что влияние формы менее существенно
для твердых частиц, чем для жидких капель. В самом
деле, для большинства метеорологических задач влияние
формы частиц не играет существенной роли, «поэтому
этим вопросом зачастую пренебрегают. Однако это допу-
стимо не всегда.

Так, для полного объяснения природы яркой полосы,
описанной ранее, необходимо учитывать форму твердых
частиц. Влияние формы частиц в этом случае весьма
существенно из-за того, что яркая полоса возникает не-
посредственно под уровнем таяния. Хотя форма сухих
твердых частиц и мало влияет на интенсивность радио-
эхо, незначительное обводнение твердых частиц увели-
чивает их отражательную способность. Покрытые таким
слоем воды, твердые частицы ведут себя подобно водя-
ным каплям.

Интересной особенностью несферических частиц яв-
ляется то, что при беспорядочной ориентации относитель-
но радиолокационной антенны они вызывают изменение
направления рассеянного электрического поля. Если,
например, падающее электрическое поле было горизон-
тальным, то рассеянное поле может отклоняться от гори-
зонтальной плоскости. Величина этого отклонения зави-
сит от степени несферичности капель или твердых частиц.

Для сфер рассеянное электрическое поле не меняет
своего направления, в то время как для эллиптических
частиц наблюдается отклонение, величина которого за-
висит от отношения больших осей частиц к их диамет-
рам.

По изменению угла наклона направления электриче-
ского поля или, что более точно, по характеру вращения
электрической компоненты электромагнитной волны
можно установить форму рассеивающих частиц.

ТУРБУЛЕНТНОСТЬ В ОБЛАКАХ

Ранее при обсуждении вопроса об использовании ра-
диолокации для измерения осадков было показано, что
необходимо измерять среднюю отраженную мощность.
Также указывалось, что отраженный сигнал непрерывно
изменяется по величине вследствие движения капель.
Некоторые исследователи, как, например, Флейер и
Хитчфельд, изучили вопрос об использовании флуктуа-
ционных характеристик сигналов для получения новой
метеорологической информации. Они предположили, что
если движение капель вызывает флуктуации сигнала, то
возможно путем измерения этих флуктуаций получить
данные о движениях частиц в облаках и осадках.

Рассмотрим факторы, определяющие движение ка-
пель в облаках и осадках. Во-первых, это силы гравита-
ции, под влиянием которых капли падают по направле-
нию к земле со скоростями, возрастающими по мере уве-
личения диаметра капель. Во-вторых, это силы турбу-
лентного перемешивания, которые заставляют капли дви-
гаться беспорядочно и изменять свою вертикальную ско-
рость. Следует заметить, что неустойчивое горизонталь-
ное движение капель, обусловленное ветром, вызывает
флуктуации радиолокационного сигнала. Однако этот
эффект можно существенно уменьшить, если применять
радиолокаторы с очень узким лучом.

Флейшер с группой исследователей разработал
устройство для автоматического измерения флуктуаций
отраженных сигналов. На выходе прибора могли быть
непосредственно получены данные об относительных
скоростях турбулентного движения частиц. С помощью
этого устройства было получено несколько интересных
результатов о характере воздушных течений в штормах.

НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
ИЗМЕРЕНИЯ ВЕТРА

Метеорологическое применение радиолокации нача-
лось с измерения ветра. Новый принцип предусматривал
определение траектории движения радиолокационного
отражателя, который подвешивался к шару-пилоту.

В 1953 г. австралийские ученые Уорнер и Боуэн пред-
ложили новый метод определения ветра. Этот метод со-
стоял в том, что с помощью мелких отражателей, выбра-
сываемых в атмосферу, создавались «облака» искус-
ственных помех. Траектория таких помех по мере их
медленного движения по направлению к земле опреде-
лялась радиолокатором. В качестве радиолокационных
отражателей были использованы связки небольших алю-
миниевых лент, длина которых равнялась примерно по-
ловине длины волны радиолокатора. Такие отражатели
получили название пассивных помех. Во время второй
мировой войны подобные отражатели широко употреб-
лялись для создания радиолокационных помех, маски-
рующих самолеты. Когда связка таких лент выбрасы-
вается из самолета и увлекается воздушным потоком,
она распадается и засевает объем воздуха сотнями от-
ражающих целей. На индикаторе такой объем создает
радиоэхо подобно самолету. Когда летящий самолет
выбрасывает в определенном порядке большое число та-
ких связок, создаваемое ими на индикаторе радиоэхо
напоминает картину отражений от целой эскадрильи са-
молетов. Такой прием маскировки и дезориентации ши-
роко использовался во время войны. Обычно скорость
падения связок отражателей составляет не более
50 cmImuh. Поэтому до момента их приземления прохо-
дит несколько десятков минут, в течение которых они
успевают распространиться по большому объему воз-
духа, маскируя тем самым радиоэхо самолета. По мере
падения алюминиевые ленты увлекаются в горизонталь-
ном направлении ветром. Определяя их траектории, не-
трудно вычислить скорость ветра на различных уровнях.

Применение пассивных отражателей позволяет полу-
чить детальное распределение ветра на заданной высоте
по большой территории. Для этой цели на одинаковой
высоте выбрасывают в различных местах много связок
лент и наблюдают за их движением на индикаторе кру-
гового обзора. В последние годы использовался способ
разбрасывания отражателей с помощью ракет, подни-
мающихся на большую высоту, чем обычные шары-пи-
лоты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

За последние годы метеорологи узнали много нового
об облаках и осадках. Было раскрыто множество зага-
док гроз, торнадо и циклонов, чему немало способство-
вала радиолокация. Наряду с исследовательскими само-
летами, которые производят измерения в свободной ат-
мосфере, радиолокация дала в руки метеорологов новый
вид наблюдений, позволяющих более эффективно опи-
сывать многие типы метеорологических ситуаций.
Другое блестящее достижение последних 20 лет - -
быстродействующие электронно-вычислительные устрой-
ства— позволило решить некоторые из сложнейших
уравнений, которые описывают основные процессы в ат-
мосфере и используются при прогнозе погоды. Таким
образом, счетные устройства помогли решить проблемы,
которые были полностью неразрешимы в 40-х годах.

Наиболее важным событием в метеорологии за пос-
ледние два десятилетия является расширение круга ком-
петентных исследователей, которые включились в изу-
чение атмосферы. Известно, что успехи многих наук в
значительной мере определяются квалификацией рабо-
тающих в той или иной области лиц. В последние годы
в связи с успешным запуском искусственных спутников
Земли наука об атмосфере получила новые ценные дан-
ные. По мере того как современная наука и техника бу-
дут решать старые вопросы, жизнь будет выдвигать на
повестку дня все новые и новые проблемы.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ РЕДАКТОРОМ
ЛИТЕРАТУРА

Батт ан Л. Дж Радиолокационная метеорология Гидрометео-
издат, Л , 1962

Мейсон Б. Дж. Физика облаков. Гидрометеоиздат, Л, 1961.

Нелепец В. С., Степаненко В Д. Радиолокационные методы
метеорологических наблюдений. Гидрометеоиздат, Л., 1961.

«Физика облаков». Под ред. А X Хргиана Гидрометеоиздат, Л.,
1961.

Шишкин Н С Облака, осадки и грозовое электричество. Гидро-
метеоиздат, Л., 1964.
ОГЛАВЛЕНИЕ

От редактора .....................•.................... 3

Предисловие ........................................... 5

Глава 1 Введение....................................... 7

Применение радиолокатора в метеорологии ............ 9

Глава 2. Принцип работы радиолокатора.................. 11

Типы индикаторов.................................... 14

Радиолокаторы, используемые для метеорологических
наблюдений ....................................... 13

Глава 3. Радиолокатор обнаруживает дождевые капли 23

Отражение от единичной дождевой капли............	24

Отражение от группы дождевых капель................. 25

Глава 4. Радиолокатор обнаруживает град................ 29

Теория Ми........................................... 33

Интенсивность радиоэхо ............................. 35

Глава 5. Измерение жидких осадков с помощью радио-
локатора .......................................... 36

Радиолокационные измерения интенсивности осадков 39

Измерения осадков на малой площади................. 42

Глава 6. Образование дождя и снега..................... 48

Летние ливни и грозы............................... 50

Некоторые свойства конвективных облаков..........	52

Зимние осадки...................................... 54

Глава 7. Грозы, торнадо и ураганы..................... 58

Г розы ............................................ 60

Молнии ............................................ 63

Торнадо............................................ 70

Ураганы............................................ 73

Глава 8. Радиолокатор помогает пилоту................. 75

Получение контуров изоэхо.......................... 78

Некоторые новые разработки ........................ 81

Глава 9. Радиолокатор видит землю и «ангелов» ...	83

Радиоэхо от земной поверхности..................... 84

«Ангелы» .......................................... 90

Глава 10. Некоторые специальные радиолокационные
методы ............................................ 96

Форма частиц....................................... 99

Турбулентность в облаках ........................... 102

Некоторые специальные вопросы измерения ветра . .	103

Заключение ............................................ 104

Рекомендуемая редактором литература.................... 106
Л. Дж. БАТТ АН
РАДИОЛОКАТОР НАБЛЮДАЕТ ЗА ПОГОДОЙ
Редактор Г. Я. Русакова
Художник Г. Т. Жамкочъян
Худож. редактор Ю. Н. Шаромов
Техн, редактор М. И. Брайнина
Корректор С. Н. Иванова

Сдано в набор 4/V 1964 г. Подписано к пе-
чати 11/VIII 1964 г. Бумага 84 X 1О8’/з2.

Бум. л. 1,68. Печ. л. 5,67. Уч.-изд. л. 5,23.
Тираж 5700 экз.	Индекс ПЛ-21.

Гидрометеорологическое издательство,
Ленинград, В-53, 2-я линия, дом № 23
Заказ № 741. Цена 19 коп.

Тем. план 1964 г., № 164

Типография им. Котлякова издательства
«Финансы» Государственного комитета
Совета Министров СССР по печати, Ленинград,
Садовая, 21.
ЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКА
SHEBA.SPBPU/ZA

Хочу всё знать (теория)
ЮНЫЙ ТЕХНИК (ПРАКТИКА)
ДОМОВОДСТВО (УСЛОВИЯ)