Первый российский метеодрон создали в Новосибирске.
Существуют тысячи метеостанций: в каждом большом городе их не меньше десятка. В теории мы можем посмотреть прогноз погоды в отдельном районе, чтобы не промахнуться с планами на выходные. Но в реальности точность прогноза оставляет желать лучшего. Если пишут «небольшие дожди», может просыпаться град размером с орех. Чтобы прогнозировать погоду, нужно прежде всего знать, что происходит в атмосфере прямо сейчас, то есть всегда иметь исходные условия задачи в реальном времени. На основе этих данных и строится прогностическая модель, с учетом территории и скорости движения атмосферных фронтов примерно в районе нескольких тысяч километров от места, о котором делается прогноз на ближайшие дни. А прогноз на неделю требует подробной информации о погоде практически на всей планете.
Дроны для исследования атмосферных явлений и уточнения прогноза погоды создают в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А.Христиановича СО РАН (ИТПМ СО РАН). На постоянной основе исследования атмосферы с помощью беспилотных летательных аппаратов в России еще не проводились. Чтобы использовать более точные приборы, ученые ИТПМ СО РАН, основываясь на работах томских коллег из Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, сконструировали метеодрон в виде шара. Он станет поднимать в облака дорогое и точное оборудование и предсказывать погоду с высокой достоверностью. В отличие от многих других дронов, он должен выдерживать испытания высотой до пяти (а в дальнейшем и до десяти километров) и выполнять измерения и передачу данных, несмотря на грозы, мороз, резкие порывы ветра и другие погодные катаклизмы. Именно порывы ветра и являются самыми трудными для исследования. Ученые называют это нестационарностью, а возникает она из-за атмосферной турбулентности. Исследования атмосферной турбулентности - это мировой тренд в метеорологии.
Измерять скорость ветра решили по углам наклона дрона. Тут-то и выяснилось, что отнюдь не всякая форма беспилотника подходит для такой задачи, поскольку точность измерений быстро уменьшается в случае несимметричного обтекания дрона. В таком случае его просто снесет в сторону, не совпадающую с направлением ветра. Шарообразная форма выбрана как оптимальная. А чтобы проверить, правильно ли дрон будет измерять параметры воздушных масс в облаках, физики сконструировали специальный стенд, позволяющий моделировать порывы ветра. Своего рода тренажер для дронов, где они проходят своеобразный экзамен на профпригодность.
– Для моделирования атмосферной турбулентности необходима установка, способная быстро изменять скорость потока в разных точках пространства, - рассказывает старший научный сотрудник ИТПМ СО РАН кандидат физико-математических наук Павел Поливанов. - Для решения этой задачи используется «стена» из множества вентиляторов. Данную установку можно представить как своеобразный экран монитора, где отдельный вентилятор представляет собой некоторый пиксель. Управляя независимо каждым вентилятором, можно создавать нужную картину атмосферной турбулентности, по аналогии с формированием видеоизображения.
Измерения параметров атмосферы, к сожалению, происходят недостаточно часто, да еще и с большими погрешностями. По мнению Росгидромета, «на территории нашей страны плотность и оснащенность наблюдательной сети также оставляют желать лучшего».
– Можно повышать плотность сети и уменьшать погрешности измерений, но возможности такой детализации ограничены, поэтому наше знание текущего состояния атмосферы никогда не будет полным, - сообщает ведомство, оправдывая недостаточную точность прогнозов.
Кроме использования наземной сети метеостанций во всем мире запускают метеорологическое оборудование в атмосферу - так называемые метеозонды. Они необходимы для уточнения локального прогноза погоды. Обычно это делают с помощью оборудования, подвешиваемого к надувному шару, наполненному гелием. Метеозонд выполняет измерения до больших высот, где шар лопается, завершая таким звучным образом сеанс передачи метеоданных. Метеорологические зонды измеряют атмосферную температуру, влажность, давление, скорость и направление ветра. На этих данных строится не только прогноз погоды, но и климатические модели, которые позволяют анализировать поведение атмосферы и все точнее улавливать факторы, влияющие на правильность прогнозов.
Вообще, в предсказании погоды много тонкостей. Скажем, применяют аэрологическое зондирование - определение свойств воздуха и характеристик некоторых атмосферных процессов с помощью поднимаемых в атмосферу приборов или дистанционными методами. Выясняют распределение температуры, влажности и давления воздуха по высоте, направления и скорости ветра - с использованием радиозондов, шаров-пилотов и метеорологических ракет. Последние задействуют для изучения стратосферы и нижней мезосферы. При этом сбор информации может осуществляться как при подъеме ракеты, так и во время спуска отделившихся от нее приборов на парашюте. При дистанционных методах используются акустические или электромагнитные (в том числе оптические) сигналы. По их изменению в различных слоях атмосферы и определяют характеристики ее состояния.
– Метеорологическое оборудование на надувном шаре служит один раз, потому не может быть дорогим и, как следствие, имеет определенные ограничения, например, по частоте сбора информации, - поясняет Павел Поливанов. - При запусках же более дорогостоящего оборудования приходится жертвовать количеством этих исследований, что также влияет на качество результатов.
Обычно срок службы метеозонда составляет всего несколько часов, причем в течение этого времени исследователи не имеют возможности управлять его движением: шар с гелием движется туда, куда увлекает его воздушный поток, что не всегда отвечает потребностям метеорологов, которые могли бы получить больше информации, направив инструмент, например, навстречу надвигающемуся циклону или в самый центр скопления облаков. В отличие от метеозонда, метеодрон как управляемое беспилотное средство может летать в любое время в любом месте.
– За рубежом метеодрон симметричной шарообразной формы впервые был сделан в Швейцарии. В России пока не было подобных инструментов для улучшения прогноза погоды, но, как мы надеемся, появятся в самом ближайшем будущем, - резюмирует Павел Поливанов.
Мария РОГОВАЯ
Фото предоставлены пресс-службой ИТПМ СО РАН
