Что должен знать и уметь оператор коптера. Часть 3. Основы авиационной метеорологии и аэродинамики. Пособие

Метеорология – это наука о физических процессах и явлениях в атмосфере Земли и их взаимодействии с земной поверхностью и космической средой. Термин «метеорология» произошел от двух греческих слов: «метеор», что означало всякое небесное явление (движение звезд, облаков и т.п.), и «логос» – изучение, познание.

Развитие метеорологии как науки привело к оформлению ее отдельных крупных разделов в самостоятельные научные дисциплины, среди которых сформировалась прикладные дисциплины – авиационная метеорология, агрометеорология, морская метеорология и др.

Авиационная метеорология – наука, изучающая влияние метеорологических факторов на деятельность авиации, разрабатывающая теоретические основы и практические вопросы метеорологического обеспечения полетов.

Главная задача авиационной метеорологии как науки – обеспечение безопасности, регулярности и экономической эффективности полетов ЛА. Полеты ЛА без метеорологической информации невозможны.

Кроме того, физические характеристики атмосферы (метеорологические элементы), такие как плотность, температура, давление и влажность воздуха, а также сила ветра оказывают влияние на летно-технические характеристики ЛА и безопасность полетов.

В этой связи операторы БЛА должны знать основы авиационной метеорологии, уметь анализировать метеорологические элементы, прогнозировать погоду на период выполнения полетов, определять опасные явления погоды (ОЯП) и знать как действовать при непреднамеренном попадании в сложные метеорологические условия (СМУ) и ОЯП.

1. Состав и строение атмосферы

Атмосфера – газовая оболочка Земли, представляющая собой механическую смесь газов и коллоидных примесей (пыли, кристаллов, капелек). Данная смесь газов называется воздухом.

Атмосфера участвует суточном и годовом вращении Земли.

Вертикальная протяженность атмосферы составляет 60—70 млн. м. Резкой верхней границы атмосферы не существует, она постепенно переходит в межпланетную среду.

Общая масса атмосферы приближенно оценивается в 5,15·10¹⁸ кг, что составляет примерно одну миллионную массы Земли.

Примерно 50% всей массы атмосферы заключено в слое от земной поверхности до высоты 5 тыс. м, 75% – до высоты 10 тыс. м, 95% – до 20 тыс. м, около 99,9% – до высоты 100 тыс. м.

Плотность воздуха, т.е. количество его массы в единице объема, уменьшается с высотой. На уровне моря она составляет в среднем 1270—1300 г/м³, на высоте 20 тыс. м – около 90 г/м³ и на высоте 100 тыс. м – лишь около 1 мг/м³. На верхней границе атмосферы плотность воздуха приближается к плотности вещества, заполняющего межпланетное пространство.

Незначительная толщина основного (по массе) слоя атмосферы по сравнению с ее горизонтальной протяженностью приводит к тому, что вертикальные масштабы наблюдаемых в атмосфере явлений и процессов оказываются значительно меньше горизонтальных: воздушные массы, циклоны и антициклоны, фронтальные поверхности по горизонтали занимают области в сотни и тысячи километров, а по вертикали распространяются лишь на несколько километров.

До высоты 100 тыс. м состав атмосферы не меняется, так как разделению газов препятствует непрерывное турбулентное движение воздуха. Этот слой называется гомосферой (однородный). Непостоянным является только содержание углекислого газа, водяного пара и пыли. Содержание углекислого газа в нижних слоях атмосферы постоянно увеличивается за счет сжигания топлива и жизнедеятельности фауны. Пыль поступает в атмосферу и с поверхности земли (заводы, степи, пустыни, вулканы) и из космоса. Космическая пыль образуется главным образом при сгорании метеоров. Ежедневно на Земле выпадает 1000 т космической пыли.

Выше 100 тыс. м расположена гетеросфера (неоднородный слой). Здесь под действием ультрафиолетовой радиации Солнца молекулы газа расщепляются на атомы. Состав воздуха по высоте значительно изменяется. Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются.

По решению Международного геодезического и географического союза, принятого в 1951 г., атмосфера по характеру изменения температуры с высотой и другим физическим свойствам подразделяется на пять слоев:

Тропосфера (от греч. tropos – поворот, изменение) – слой атмосферы, непосредственно прилегающий к Земле. Ее высота колеблется в пределах от 7 тыс. м над полюсами до 16—18 тыс. м над экватором. Средняя высота этого слоя составляет 11 тыс. м. В тропосфере сосредоточено около 80% всей массы воздуха атмосферы. В этом слое температура понижается на 0,65°С на каждые 100 м.

Тропосферу называют «фабрикой погоды», т.к. только в этом слое наблюдаются метеорологические явления.

Стратосфера (от лат. stratum – слой) простирается до высоты 50—55 тыс. м. В стратосфере сосредоточено около 20% массы атмосферы. До высоты 20—25 тыс. м температура остается постоянной – -56,5°С, а затем повышается на 1—2°С на каждые 1000 м и на верхней границе стратосферы приближается к 0°С. Повышение температуры объясняется активным образованием озона под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца.

Вследствие незначительного содержания водяного пара в стратосфере облака не образуются, за исключением изредка возникающих перламутровых облаков, состоящих из мельчайших переохлажденных капелек воды. Ветры преобладают западные, летом выше 20 тыс. м происходит переход к восточным ветрам.

В нижние слои стратосферы могут из верхней тропосферы проникать вершины кучево-дождевых облаков. Также в нижних слоях существуют струйные течения шириной в сотни километров, имеющие скорость 150—500 км/ч.

Мезосфера (от греч. mesos – средний, промежуточный) расположена над стратосферой и простирается до высоты 80—90 тыс. м. Температура в этом слое уменьшается в среднем на 3°С на 1000 м и достигает значений около -90°С.

В мезосфере наблюдаются красивые серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов.

Термосфера (от греч. terme – теплота, жар) – слой атмосферы от 80 тыс. м до 450 тыс. м. Температура здесь резко увеличивается с высотой и на верхней границе термосферы может составлять 700—800°С. Но так как плотность воздуха на этих высотах очень мала, то высокие температуры не вызывают нагревания находящегося там тела. Излучение Солнца вызывает ионизацию и диссоциацию молекул воздуха в верхнем слое термосферы, поэтому этот слой называют ионосферой. В ионосфере происходят полярные сияния.

Экзосфера (от греч. exo – вне, наружу) – сфера рассеивания, переходящая в межпланетное пространство. Она мало изучена, верхняя ее граница точно не установлена. Условно за верхнюю границу приняты высоты 2—3 млн м, где плотность воздуха в 16·10¹⁷ раз меньше, чем у Земли. Температура здесь возрастает до 20000°С.

На верхней границе экзосферы атмосфера плавно переходит в космическое пространство.

Между слоями в атмосфере существуют переходные слои в 2—3 тыс. км, называемые паузами (тропопауза, стратопауза и так далее).

Тропопауза – переходной слой между тропосферой и стратосферой толщиной от нескольких сот метров до 1—2 тыс. м. За нижнюю границу тропопаузы принимается высота, где падение температуры с высотой сменяется ровным ходом температуры, повышением или замедлением падения с высотой.

Высота тропопаузы зависит от температуры тропосферного воздуха, т.е. от широты места, времени года, характера синоптических процессов (в теплом воздухе она выше, в холодном ниже).

В тропосфере различают три слоя:

Пограничный (слой трения) – от поверхности Земли до 1000—1500 м. В этом слое сказывается тепловое и механическое воздействие земной поверхности. Наблюдается суточный ход метеоэлементов.

Нижняя часть пограничного слоя толщиной до 600 м называется «приземным слоем». Здесь сильнее всего сказывается влияние земной поверхности, вследствие чего такие метеорологические элементы, как температура, влажность воздуха, ветер испытывают резкие изменения с высотой.

Характер подстилающей поверхности в значительной степени определяет погодные условия приземного слоя.

R – удельная газовая постоянная сухого воздуха, равная 2,870·10⁶ эрг/г·град.

Согласно уравнению, плотность воздуха находится в прямой зависимости от атмосферного давления и в обратной зависимости от температуры.

В целом плотность воздуха с высотой уменьшается, так как с высотой атмосферное давление падает значительно быстрее, чем понижается температура воздуха.

Средний (свободная атмосфера) располагается от верхней границы пограничного слоя и простирается до высоты 6000 м. В этом слое почти не сказывается влияние земной поверхности, а погодные условия определяются в основном атмосферными фронтами и вертикальными конвективными токами воздуха.

Верхний слой лежит выше среднего и простирается до тропопаузы.

2. Стандартная атмосфера

Реальная атмосфера очень изменчива, поэтому для проектирования, испытания и эксплуатации ЛА используются параметры «стандартной атмосферы».

Стандартная атмосфера (СА) – это предположительное вертикальное распределение температуры, давления, плотности воздуха и других геофизических характеристик, которое по международному соглашению представляет среднегодовое и среднеширотное состояние атмосферы. Ее основные параметры:

атмосфера на всех высотах состоит из сухого воздуха;

нулевая высота («земля») – средний уровень моря, на котором давление воздуха 760 мм рт. ст. или 1013,25 ГПа;

температура +15°С;

плотность воздуха 1,225кг/м³;

граница тропосферы – на высоте 11 000 м;

вертикальный градиент температуры постоянен и равен 0,65°С на 100 м;

в стратосфере, т.е. выше 11 000 м, температура постоянная: -56,5°С;

ускорение свободного падения – 9,8 м/с²;

скорость звука – 340 м/с;

ветер отсутствует.

3. Состав атмосферы

Реальная атмосфера – это механическая смесь газов, которые можно разделить на основные газовые составляющие и малые газовые составляющие. К первым относятся азот и кислород. Ко вторым – водяной пар, аргон, углекислый газ, неон, гелий, водород, ксенон, озон.

В среднем в составе атмосферы содержится (по объему) 78% азота, 21% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа. На долю других газов приходится примерно 0,04%.

Кроме газов, в состав реальной атмосферы входят твердые и жидкие примеси – аэрозоли естественного и антропогенного происхождения (пыль, частицы дыма, капли и кристаллы облаков, микроорганизмы и т.д.).

Водяной пар, углекислый газ, озон являются парниковыми газами, активными в радиационном и химическом отношении. Их содержание в атмосфере существенно изменяется в различных районах земного шара, поэтому эти газы называют переменными газовыми составляющими.

Содержание водяного пара в атмосфере по объему колеблется от значений, близких к 0, до 5%. На широте 70° с. ш. среднее объемное содержание водяного пара 0,2%, на экваторе – 2,6%.

Содержание углекислого газа в Арктике и Антарктике – 0,02%, в промышленных районах – в два раза больше.

Объемное содержание озона в атмосфере составляет 10^—5%.

Общее содержание озона в атмосфере, если его привести к давлению 1013 гПа и температуре 0° C (приведенная толщина), колеблется от 1 до 6 мм (в среднем 3 мм). Средняя приведенная толщина слоя кислорода – 1500 м, азота – 6000 м.

Продолжить чтение