Калинин Н.А., Толмачёва Н.И. Космические методы исследований в метеорологии

Подождите немного. Документ загружается.

Приоритет в настоящее время имеют задачи оперативного гид-

рометобеспечения. Приведем краткий перечень применений спутнико-

вой метеорологической информации.

Монтажи и отдельные снимки с ИСЗ «NOAA», «Метеор» ис-

пользуются для уточнения положения фронтальных разделов и при

прогнозе их перемещения по территории России и Европы, уточнения

суточных прогнозов погоды для Центрального района России. Монта-

жи с ИСЗ «Метеор», а также снимки с ИСЗ METEOSAT, GOES, GMS

применяются для уточнения положения фронтальных разделов, внут-

ритропической зоны конвергенции и положения тропических цикло-

нов на неосвещенной акватории мирового океана. Спутниковые дан-

ные привлекаются при составлении и уточнении прогноза стихийных

гидрометеорологтческих явлений по отдельному пункту (сильных до-

ждей, снегопадов и метелей), определении зон туманов, обширных зон

повышенной конвекции, зон штормовых ветров. Карты-схемы снежно-

го покрова по территории России (суточные и декадные), составлен-

ные на основе снимков с ИСЗ «Метеор» и «NOAA», используются при

уточнении прогноза схода снежного покрова.

Внедрение в оперативную работу Росгидромета суперкомпь-

ютера CRAY (в Гидрометцентре России), современных ПЭВМ и рабо-

чих станций создало возможности усвоения большого объема цифро-

вой спутниковой информации. Гидродинамические прогностические

модели в качестве исходных данных используют наряду с данными

гидрометеорологической сети наблюдений информацию ИСЗ. Над

акваториями океанов спутники — основной и часто единственный ис-

точник информации. Такая же картина –– в ряде районов на материках

(Сибирь, приполярные районы). Глобальные данные ТВЗА (по инфор-

мации ИСЗ NOAA), данные о ветре с геостационарных ИСЗ, посту-

пающие в базу данных Гидрометцентра России, усваиваются в схемах

объективного анализа полей метеоэлементов.

Российское авиационно-космическое агентство (Росавиакосмос)

руководит работами по созданию и развитию КС дистанционного зон-

дирования земли (ДЗЗ) в соответствии с федеральной космической

программой России. Развитие космических средств данного направле-

ния должно обеспечить оперативный сбор информации о состоянии

атмосферы, морей и океанов, поверхности суши, включая ледяной и

снежный покровы, что позволит повысить достоверность прогнозов

погоды (в том числе долгосрочных), улучшить надежность судоходст-

ва по Севморпути, прогнозировать урожай по районам РФ, а также

контролировать озоновый слой Земли и радиационную обстановку в

околоземном космическом пространстве.

Глава 1

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ СФЕРИЧЕСКОЙ АСТРОНОМИИ

1.1. НЕБЕСНАЯ СФЕРА И ЕЕ СУТОЧНОЕ ВРАЩЕНИЕ

Из-за огромной удаленности небесных светил от Земли все они

представляются нам находящимися на одинаковом, неопределенном

расстоянии. Чтобы это осознать, достаточно знать, что средний радиус

Земли равен 6371 км, расстояние от нее до Луны составляет 384400 км,

до Солнца — около 150 млн км, а до самой близкой звезды,

Центав-

ра, — в 275000 раз дальше, чем до Солнца. Глаза человека могут раз-

личать расстояния в пределах до 2 км. Далее все предметы представ-

ляются одинаково удаленными. Этим и объясняется кажущееся распо-

ложение всех небесных светил на внутренней поверхности огромной

сферы.

r R

r < R

Рис. 1.1. Круги небесной сферы: большие круги CABD и CFDG

пересекаются по диаметру CD; малый круг KL имеет радиус r < R;

плоскость MHN касается сферы в точке Н (радиус r = 0);

угловое расстояние между точками А и В равно

Для решения многих практических задач расстояния до небес-

ных тел не играют роли, важно лишь их видимое расположение на не-

бе. Поэтому, хотя в природе небесной сферы и не существует, астро-

номы пользуются ею как математическим средством определения ви-

димых положений и видимых движений небесных тел.

Небесной сферой называется воображаемая сфера произвольно-

го радиуса, центром которой является глаз наблюдателя. Чтобы полу-

чить правильное представление о небесной сфере, лучше всего считать

радиус сколь угодно большим, превышающим расстояние до самого

далекого из известных нам небесных объектов. Считать радиус небес-

ной сферы бесконечно большим нельзя: в этом случае кривизна по-

верхности (т. е. величина, обратная радиусу) будет равна нулю и, сле-

довательно, сферическая поверхность должна быть заменена плоской,

что противоречит наблюдениям.

Может возникнуть закономерный вопрос: сколько небесных

сфер можно себе представить? Представить можно только одну небес-

ную сферу и вот почему. Если представить их множество, то все равно

все они сольются в одну из-за ничтожно малых размеров Земли в

сравнении с расстояниями даже до ближайших звезд. Для наглядности

изобразим Землю (диаметр которой около 12750 км) дробинкой диа-

метром 1 мм и поместим ее в центре Москвы. Тогда крокетный шар,

изображающий наиболее близкую звезду

Центавра, нам придется

разместить на расстоянии в 3200 км от Москвы, т. е. примерно в Крас-

ноярске, так как расстояние до

Центавра в 3,2 млрд (3,2 ⋅ 10

) раз

больше диаметра Земли. При таких соотношениях размеров совершен-

но безразлично, из какой точки миллиметровой дробинки наблюдать

крокетный шар в Красноярске, все равно он будет виден по параллель-

ным направлениям. Приведенный пример иллюстрирует очень важное,

особое свойство небесной сферы: из разных точек земной поверхности

одна и та же точка небесной сферы (одна и та же звезда) видна по па-

раллельным направлениям.

Кроме того, небесная сфера обладает всеми свойствами обыч-

ной геометрической сферы (рис. 1.1):

1. Плоскости, проведенные через центр сферы (О), пересекают

ее по большим кругам, радиусы которых равны радиусу сферы (r = R).

2. Каждый большой круг делит сферу на две полусферы (на два

полушария).

3. Через две произвольные точки (А и В) сферы можно провести

только один большой круг.

4. Два больших круга всегда пересекаются в двух диаметрально

противоположных точках (С и D).

5. Плоскости, секущие сферу вне ее центра, образуют на ней

малые круги, радиусы которых меньше радиуса сферы (r < R).

Все измерения на небесной сфере, будь то диаметры небесных

светил, видимые расстояния между звездами или между произвольны-

ми точками небесной сферы, проводятся только в угловых или дуго-

вых единицах измерения — градусах, минутах и секундах дуги. На-

пример, расстояние между точками А и В небесной сферы (рис. 1.1),

изображаемое на ней дугой АВ, измеряется центральным углом

меж-

ду направлениями на эти точки из центра О небесной сферы, в кото-

ром находится наблюдатель. Поскольку центральные углы всегда ле-

жат в плоскостях больших кругов и стягиваются их дугами, то дуги

больших кругов являются наикратчайшими расстояниями между точ-

ками небесной сферы (они аналогичны отрезкам прямых линий на

плоскости).

′

Земля

а)

б)

′

Ось мира

Истинный горизонт

Небесный экватор

Рис. 1.2. Основные элементы небесной сферы. Cтрелки показывают

направления суточного вращения Земли и небесной сферы

Познакомимся с основными точками и кругами небесной сферы.

Во многих задачах астрономии принимают Землю за идеальный шар.

Тогда в любом месте О земной поверхности направление отвесной

(или вертикальной) линии COZ совпадает с направлением земного ра-

диуса СО в этом месте (рис. 1.2, а). Точка О — центр небесной сферы.

Отвесная линия ZOZ' (рис. 1.2, б) пересекается с небесной сферой в

двух диаметрально противоположных точках, называемых зенитом Z и

надиром Z'. Зенит находится точно над головой наблюдателя.

Плоскость, проведенная через центр небесной сферы перпенди-

кулярно к отвесной линии, образует в пересечении с небесной сферой

большой круг NESW, называемый истинным (или математическим)

горизонтом (от греч. горизонтос — разграничивающий). Истинный

горизонт делит небесную сферу на две полусферы, одна из которых

находится над ним и доступна наблюдениям, а другая не видна, по-

скольку скрыта земной поверхностью. В вершине видимой полусферы

лежит зенит Z, а в вершине невидимой — надир Z'.

Истинный горизонт нельзя смешивать с видимым горизонтом.

Первый находится на небесной сфере и является большим кругом,

второй лежит на земной поверхности и на пересеченной местности

имеет самую разнообразную форму. Поэтому истинный горизонт счи-

тается границей, ниже которой светила не видны. В моменты своего

восхода и захода светила считаются находящимися на истинном гори-

зонте, а при необходимости вносятся поправки на профиль видимого

горизонта. Свойство небесной сферы позволяет считать плоскость ис-

тинного горизонта касательной к земной поверхности в месте наблю-

дения.

Так как суточное вращение небесной сферы является отражени-

ем вращения Земли, то оно происходит тоже вокруг земной оси, но в

обратном направлении, т. е. с востока к западу. Диаметр POP' небес-

ной сферы, вокруг которого она вращается, называется осью мира. В

силу особого свойства небесной сферы ось мира проходит через глаз

наблюдателя (центр О небесной сферы) и параллельна земной оси

вращения рр′, проходящей через географические полосы Земли.

Точки пересечения оси мира с небесной сферой называются по-

люсами мира (от греч. полос — небесная ось). Они представляют со-

бой точки небесной сферы, в которых с ней пересекается продолжен-

ная в обе стороны ось вращения Земли. Северный полюс мира Р лежит

над горизонтом северного земного полушария. Так как в нашу эпоху

земная ось вращения чисто случайно направлена в сторону сравни-

тельно яркой звезды

Малой Медведицы (2

,14), то эта звезда нахо-

дится на небе вблизи северного полюса мира, на расстоянии около 1°

(точнее, 0°51′) от него, и именно поэтому называется Полярной звез-

дой. Южный полюс мира Р' находится над горизонтом южного земно-

го полушария, в созвездии Октанта, и вблизи него нет ярких звезд. Из

северного полушария Земли южный полюс мира не виден.

Большой круг QQ' небесной сферы, плоскость которого перпен-

дикулярна оси мира, называется небесным экватором (от лат. aequator

— уравниватель). По существу, он образован на небесной сфере пере-

сечением с нею плоскости земного экватора qq′, которая по свойству

небесной сферы, проходит через ее центр О (глаз наблюдателя). Не-

бесный экватор делит небесную сферу на две небесные полусферы (на

два небесных полушария) — северную и южную. В вершине северного

небесного полушария лежит северный полюс мира Р, а в вершине юж-

ного небесного полушария — южный полюс мира Р'.

Небесный экватор проходит по созвездиям Рыб, Кита, Ориона,

Единорога, Секстана, Девы, Змееносца, Змеи и Орла, из которых толь-

ко Орион состоит из ярких звезд и бросается в глаза. В созвездиях Де-

вы и Орла имеется лишь по одной яркой звезде — Спика (

Девы) и

Альтаир (

Орла), остальные экваториальные созвездия состоят из

более слабых звезд и не выделяются на общем фоне звездного неба.

Согласно свойству больших кругов, небесный экватор пересека-

ется с истинным горизонтом в двух диаметрально противоположных

точках, называемых точками востока Е и запада W. В точке востока

небесный экватор поднимается над истинным горизонтом, а в точке

запада опускается за него.

Большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира,

зенит и надир (круг PZSP'Z'N), называется небесным меридианом. В

его плоскости лежат ось мира и отвесная линия. Небесный меридиан

пересекается с истинным горизонтом в двух диаметрально противопо-

ложных точках — точке юга S и точке севера N, которые отстоят от

точек востока Е и запада W ровно на 90°.

Диаметр небесной сферы NOS, проходящий через точки севера

и юга (по нему плоскость истинного горизонта пересекается с

плоскостью небесного меридиана), называется полуденной линией, так

как в полдень Солнце бывает вблизи небесного меридиана, откуда он и

получил свое название (от латинского meridianus — полуденный).

Небесный меридиан делит небесную сферу на восточную и за-

падную полусферы. В суточном вращении небесной сферы все свети-

ла, находящиеся в восточной полусфере, поднимаются над истинным

горизонтом, а в западной полусфере — опускаются к нему. Сам небес-

ный меридиан делится полюсами мира на две половины: его южная

половина PZSP' проходит от северного полюса мира Р через зенит Z и

точку юга S, а северная половина PNZ'P' — от северного полюса мира

Р через точку севера N и надир Z' к южному полюсу мира Р'. Легко

увидеть (рис. 1.2, а), что небесный меридиан образован на небесной

сфере плоскостью земного (географического) меридиана (pOqp'), на

котором находится наблюдатель О. Поэтому все наблюдатели, нахо-

дящиеся на одном географическом меридиане, имеют общий небесный

меридиан, а плоскости небесных меридианов наблюдателей, находя-

щихся на различных географических меридианах, расположены под

углом друг к другу, т. е. направлены в разные области пространства.

Перечисленные элементы небесной сферы, кроме небесного эк-

ватора, неподвижны относительно наблюдателя и не участвуют в су-

точном вращении небесной сферы. Небесный же экватор вращается

вместе с небесной сферой, скользя в неподвижных точках востока и

запада.

Все остальные точки небесной сферы и небесные светила участ-

вуют в ее суточном вращении, перемещаясь по малым кругам — не-

бесным, или суточным параллелям, плоскости которых параллельны

плоскости небесного экватора.

1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИДИМЫХ ПОЛОЖЕНИЙ НЕБЕСНЫХ

СВЕТИЛ. НЕБЕСНЫЕ КООРДИНАТЫ

Опираясь на основные точки и круги небесной сферы, можно с

большой точностью определять видимые положения небесных светил

числовыми величинами, называемыми небесными или сферическими

координатами.

Известны географические координаты — географическая дол-

гота и географическая широта, определяющие положение точек на

земной поверхности. В сетке географических координат через геогра-

фические полюсы Земли проводят большие полукруги — географиче-

ские меридианы, а параллельно плоскости земного экватора — малые

круги, географические параллели. От Гринвичского географического

меридиана, принятого за начальный, или нулевой, вдоль экватора от-

считывается географическая долгота

, а от экватора, вдоль меридиа-

нов, в направлении географических полюсов отсчитывается географи-

ческая широта

, которая к северу положительна (от 0 до +90°), а к

югу отрицательна (от 0 до –90°).

В астрономии географическую долготу отсчитывают только в

одном направлении — к востоку от Гринвича, в пределах от 0 до 360°,

а чаще всего — в единицах времени, от 0 до 24 ч, причем обозначение

часов, минут времени и секунд времени проставляют справа вверху

чисел, подобно градусам. Перевод угловых единиц в единицы времени

производят из расчета, что 360° = 24

, 1

= 15° = 60

, 1° = 4

= 60′, 1

15′ = 60

, 1′ = 4

= 60″, 1

= 15″.

Благодаря астрономии математическая абстракция (географиче-

ская сетка) получила реальное содержание и служит практическим

нуждам человечества. Чтобы это понять, нужно подробно ознакомить-

ся с системами астрономических (небесных) координат. Таких систем

несколько, и каждая служит выполнению определенных задач.

1.2.1. Горизонтальная система небесных координат

Прежде всего необходимо знать, будет ли видно то или иное

светило в определенный момент времени и в какой именно области

неба. Решению этой задачи помогает горизонтальная система коорди-

нат, построенная на истинном горизонте. Через зенит Z и надир Z' про-

водят большие полукруги, называемые кругами высоты или вертика-

лами (рис. 1.3). Все они перпендикулярны к истинному горизонту —

основному кругу этой системы координат. Параллельно плоскости

истинного горизонта проводят малые круги, называемые кругами рав-

ной высоты или альмукантаратами (от араб. куантара — изгибать

сводом).

′

h > 0

h < 0

стинный

горизонт

Альмукантарат

ру

г высоты

или вертикал

Рис. 1.3. Небесные горизонтальные координаты

Каждое светило М в любой момент времени обязательно нахо-

дится на каком-либо круге высоты и на альмукантарате, и положение

его на небе определяется двумя сферическими координатами — ази-

мутом А и высотой h.

Азимутом (А = Sm) называется угловое расстояние круга высо-

ты от точки юга S, измеряемое по истинному горизонту. Азимут обыч-

но отсчитывают в одну сторону, по часовой стрелке (т. е. к западу, да-

лее к северу, востоку и снова к точке юга) в пределах от 0 до 360°.

Иногда его отсчитывают от точки юга в обе стороны, считая положи-

тельным к западу (от 0 до +180°) и отрицательным к востоку (от 0 до

180°).

Высотой (h = тМ) называется угловое расстояние от истинного

горизонта, измеряемое по кругу высоты. Пределы ее измерения от 0 до

±90°. Высота светил, находящихся над истинным горизонтом, положи-

тельна (h > 0°), а находящихся под истинным горизонтом и поэтому

невидимых (например, светило М') — отрицательна (h < 0°).

Поскольку угломерными инструментами значительно проще

определять положение зенита, чем истинного горизонта, то вместо

высоты h светил измеряют по кругу высоты их зенитное расстояние z

(угловое расстояние от зенита z = ZM). Зенитное расстояние (заме-

няющее высоту) имеет пределы от 0° (зенит) до 180° (надир) и всегда

положительно. Для любого светила всегда z = 90° – h.

В суточном вращении небесной сферы светила перемещаются

по небесным параллелям (например, по пМ), и потому на протяжении

суток, их горизонтальные координаты непрерывно изменяются, при-

нимая определенные значения лишь в определенные моменты време-

ни. Из-за этого горизонтальная система координат не подходит для

построения звездных карт, но зато она позволяет заранее вычислить

положения светил относительно горизонта в определенные моменты

времени.

1.2.2. Экваториальная система координат

Для построения звездных карт и составления каталогов различ-

ных небесных объектов необходимо, чтобы их сферические координа-

ты оставались бы неизменными на протяжении сравнительно длитель-

ных промежутков времени.

Вспомним, что географические координаты пунктов земной по-

верхности неизменны потому, что отсчитываются от кругов, вращаю-

щихся вместе с Землей. Аналогична и система небесных экваториаль-

ных координат, вращающаяся вместе с небесной сферой.

Основным кругом этой системы служит небесный экватор QQ'

(рис. 1.4). Через полюсы мира проведены большие полукруги РР', на-