Приключения радиолуча

СИГНАЛЫ ИЗ ЯСНОГО НЕБА…

Однажды, когда я интересовался проблемой «ангелов», мне встретилось подзабытое со школьной поры четверостишие, как раз, казалось бы, на эту тему:

Маяковский, конечно, имел в виду божьих ангелов. А вот их радиолокационные «тезки» есть и в чистом небе, хотя визуально в нем ничего не обнаруживается: ни насекомых, ни птиц…

Если бы человек мог видеть в радиодиапазоне, наша атмосфера не была бы для него такой прозрачной. Она походила бы на воду (словно смотришь со дна бассейна), по поверхности которой пробегают волны, рябь, всевозможные вихри… Такую картину можно увидеть и на экране мощного высокочувствительного радара. Чтобы разобраться в этом, вспомним, почему небо голубое?

Этот вопрос иногда задают на экзаменах по физике. Целое созвездие корифеев науки (и даже кое-кто еще в начале XX века) решало задачу. Сегодня ответ общеизвестен. Свет рассеивается на неоднородностях атмосферы. Неоднородности — не только взвешенные в атмосфере частицы пыли, а главным образом хаотически малые сгущения и разрежения воздуха (флуктуация плотности), которые приводят к изменению коэффициента преломления.

Причем чем короче длина волны, тем сильнее рассеяние (интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна 4-й степени длины волны). Например, длина волны фиолетовых лучей (0,4 микрометра) в два раза меньше длины волны красных (0,8 микрометра).

Поэтому фиолетовые лучи рассеиваются в 16 раз сильнее, чем красные, и при равной интенсивности падающего излучения фиолетовых лучей в рассеянном свете будет в 16 раз больше, чем красных. Все остальные цветные лучи солнечного света (синие, голубые, зеленые, желтые, оранжевые) войдут в состав рассеянного света в количествах, обратно пропорциональных 4-й степени длины волны каждого из них. Если рассеянные лучи взять в таких соотношениях, то цвет получившейся «смеси» будет голубым.

Радиоволны также рассеиваются на неоднородностях атмосферы и часть из них улавливается антенной локатора. Их мощности зачастую бывает достаточно, чтобы вызвать засветку на экране радара. Так возникают «ангелы» при совершенно прозрачной атмосфере. На небе ни облачка, а на индикаторе «ангелы».

Только размеры неоднородностей плотности атмосферы должны быть во много раз больше, чем при рассеянии света, потому что и длина радиоволн гораздо больше. В отличие от микронеоднородностей, на которых рассеивается свет, не видимые глазом макронеоднородности, на которых рассеиваются радиоволны, не существуют постоянно, но они возникают довольно часто и могут иметь причудливую конфигурацию. «Ангелы» па экранах радаров — копии этих затейливых рисунков. И многокилометровые по высоте столбы, и горизонтальные полосы, и синусоидальные кривые, и профили морских волн с опрокидывающимися гребнями, и ряд концентрических окружностей, и любая другая фантазия природы, воплощенная в изменениях плотности атмосферы. Вертикальные столбы — отражения радиоволн от восходящих и нисходящих потоков воздуха. Внутри столба образуются завихрения (турбулентность), а скорость потока воздуха может достигать нескольких сотен километров в час. Невидимые с земли вихри аэрологи называют турбулентностью ясного неба. Они опасны для самолета. 12 февраля 1963 года реактивный самолет «Боинг-720», летевший из Флориды в Чикаго, не справился с вертикальным турбулентным потоком и потерпел катастрофу. Оператор радара на земле наблюдал на экране, как самолет вошел в «ангел» в виде белого пятна, хотя летчик передавал по радио, что он летит в чистом небе.

Воздушные ямы, вызывающие сильную болтанку самолетов, термики (большие «пузыри» воздуха, поднимающиеся над нагретой поверхностью), морские и береговые бризы, завихрения, образующиеся при движении воздуха над неровностями земной поверхности, частицы пыли — все это причины «ангелов». Полагают, что еще одним источником «кольцевых ангелов», помимо птиц, являются так называемые гравитационные и взрывные волны, которые возникают в неустойчивых слоях атмосферы.

С явлением, названным турбулентностью ясного неба, познакомились не так уж давно. До начала эры реактивной авиации господствовало мнение о том, что на высотах 6—10 километров и выше отсутствуют привычные для более низких высот воздушные ямы, болтанка, и авиапассажиров ждет спокойный полет. Однако в начале 50-х годов стало ясно, что и на больших высотах самолеты, случается, тоже испытывают сильную болтанку. И это происходит не только при полетах вблизи мощных облаков, где обычно атмосфера находится в возмущенном состоянии, но и там, где никаких облаков нет, среди ясного неба.

Статистика показывает, что около трех процентов времени самолет летит в зоне по крайней мере слабой турбулентности ясного неба. Значительно реже встречаются области более сильных завихрений, где возможны даже повреждения самолетов. Часто зоны турбулентности наблюдаются на экране радара в виде слабо наклоненных слоев протяженностью до нескольких сотен километров, в которых самолеты испытывают слабую, но почти регулярную болтанку. Встречаются области, правда, размером поменьше — всего несколько десятков километров, — где самолет трясет основательно.

Чтобы избежать этих коварных областей, летчикам надо знать места их расположения на маршруте. Какие только способы их обнаружения не перепробовали: и приборами инфракрасного диапазона, и лазерами, и измерителями напряженности электрического поля… Сгодился лишь один — радиолокационный. Оказалось, что коварные зоны без всяких премудростей хорошо прорисовываются на экране высокопотенциального радара. Так называют локаторы с большой мощностью излучения и высокой чувствительностью приемника. Вот еще один пример того, что почти любое радиоэхо в зависимости от назначения радара можно рассматривать или как помеху, или как источник полезной информации, то есть всякий отраженный сигнал несет какую-то информацию. «Ангелы» стали указателями потенциально опасных районов для самолетов. Правда, здесь тоже есть свои трудности. Например, чуть заметные перистые облака дают отраженные сигналы во много раз более сильные, чем от зон турбулентности ясного неба, и на фоне «ангелы» менее заметны. Не решен также целый ряд вопросов о взаимодействии радиоволн и турбулентной атмосферы, которые прояснили бы многие неясности в возникновении и поведении «ангелов». Радиолокационные методы изучения атмосферы становятся все более изощренными, и недалеко то время, когда радары будут заблаговременно извещать пилотов о возможности появления любых неприятных условий на трассе полета.

Атмосферные возмущения страшны не только для самолетов. Даже в европейской части нашей страны, сравнительно спокойной от ураганов и смерчей, они нет-нет да и дадут о себе знать недоброй вестью. То целый дом вдруг унесет злобный вихрь, то всю деревню порушит, да еще так, что только в погребах и можно спастись.

Обычно смерчи формируются не менее чем за час, а сокрушают все за считанные минуты. Главная их опасность — внезапность. В то время когда обычные погодные условия можно спрогнозировать за несколько дней, о надвигающихся смерчах узнают за минуты до их налета. Первый тревожный знак — завихрения в облачности. На этом преимущественно и основано их обнаружение.

Часто бури, порождающие смерчи, охватывают площади до 50 километров в поперечнике и служат предвестниками чего угодно, начиная со шквалов и многочисленных молний и кончая губительными вихревыми воронками, где воздух закручивается со скоростью до 300 километров в час.

В США оценивают годовой ущерб от ураганов, смерчей, штормов, тайфунов в 20 миллиардов долларов. Цифра внушительная. В какой-то мере характеризует и цену прогноза. Там создается общенациональная система штормовых предупреждений, включающая в себя усовершенствованные радары, атмосферные датчики и компьютеры, связанные между собой высокоскоростными каналами передачи данных. Основа системы — допплеровские радары. Такие локаторы излучают непрерывные сигналы, и по разности частот излученного и принятого ими сигналов измеряется скорость движения объекта, в данном случае ветра, штормового шквала. Радар определяет масштабы и интенсивность урагана, направление его движения, регистрирует высотные циркуляции ветров, порождающие смерчи, и отображает их на дисплее метеостанции. С начала 1988 года в США началось развертывание 160 радиолокационных станций этой системы, что обойдется в два миллиона долларов.