Самолетные измерения

Методология и физические основы самолетных измерений в атмосфере

Типы самолетных измерений

Самолетные измерения представляют собой одну из ключевых технологий оперативного зондирования атмосферы в широком спектре задач — от климатического мониторинга до исследования микрофизических процессов в облаках. В зависимости от целей и уровня детализации можно выделить следующие основные типы измерений, осуществляемых с борта самолёта:

Метеорологические измерения (температура, давление, влажность, скорость и направление ветра);
Микрофизические измерения (концентрации и размерный состав капель, кристаллов, аэрозолей);
Химический анализ атмосферных примесей (газовые загрязнители, парниковые газы, тропосферный и стратосферный озон);
Радиометрические измерения (солнечное и земное излучение);
Лидарные и радиолокационные наблюдения (структура облаков, турбулентность, распределение аэрозолей).

Классификация самолетных платформ

Для проведения атмосферных измерений применяются различные типы самолетных носителей:

Научно-исследовательские самолеты — переоборудованные для установки приборов лабораторные платформы (например, американские NCAR C-130, немецкий HALO, российский АН-30);
Пилотируемые малые самолеты и дроны — используются для локальных и региональных исследований на малых высотах;
Высотные самолеты — специально сконструированные машины для проникновения в стратосферу (например, NASA ER-2, M-55 «Геофизика»);
Коммерческие пассажирские самолёты — используются в глобальных системах мониторинга атмосферы (например, программы IAGOS и CARIBIC).

Динамика и термодинамика при полетных измерениях

Во время полета самолёт постоянно взаимодействует с воздушной средой, что необходимо учитывать при интерпретации данных:

Скорость полета влияет на отклонения от истинных термодинамических величин. Например, температурные датчики фиксируют не статическую, а полную температуру, что требует соответствующих поправок.
Изменение давления и плотности воздуха по высоте требует постоянной корректировки показаний барометрических сенсоров.
Обтекание воздушным потоком вызывает искажения в аэрозольных и микрофизических измерениях (эффект инерционного отбора, адиабатическое сжатие и др.).

Измерения температуры и давления

Температура измеряется термопарами, платиновыми термометрами сопротивления и другими датчиками, расположенными в передней части фюзеляжа или под крылом. На высоких скоростях для перехода от полной температуры к статической применяется следующая коррекция:

$$ T = \frac{T_0}{1 + \frac{\gamma - 1}{2} M^2} $$

где T₀ — полная температура, M — число Маха, γ — показатель адиабаты воздуха.

Давление определяется с помощью статического и полного (скоростного) давления. На их основе рассчитывается барометрическая высота, а также динамические параметры, включая скорость воздуха относительно самолёта.

Измерения влажности

Абсолютная и относительная влажность измеряются гигрометрами различного типа:

Конденсационные гигрометры — обеспечивают высокую точность, но требуют термостабилизации;
Депрессометры и зеркальные гигрометры — применяются в исследованиях облаков;
Лазерные абсорбционные спектрометры — позволяют измерять водяной пар в реальном времени с высокой временной и пространственной разрешающей способностью.

Измерения ветра

Компоненты ветра вычисляются по навигационным данным (курс, скорость, положение самолёта) и измерениям скорости воздушного потока в обтекателе. Основу расчётов составляет векторное вычитание собственного движения самолета из полного вектора ветра. Часто используются инерциальные навигационные системы (INS) в комбинации с GPS-данными и дифференциальными давлениями.

Микрофизические измерения облаков и осадков

Самолетные лаборатории оснащаются целым спектром зондов:

CDP (Cloud Droplet Probe) — измеряет размерный спектр капель в диапазоне 2–50 мкм;
FSSP (Forward Scattering Spectrometer Probe) — регистрирует частицы на основе рассеяния света под малым углом;
PIP (Precipitation Imaging Probe) — фиксирует изображения осадков крупного размера;
2D-C/2D-P — создаёт двумерные срезы капель и кристаллов, позволяя изучать их форму;
Nevzorov Probe — термодинамический метод измерения жидкой и обледеневшей воды в облаках.

Эти приборы особенно чувствительны к размещению на борту: турбулентность, обледенение и тени от крыльев могут влиять на точность данных.

Аэрозольные и химические измерения

Для анализа химического состава атмосферы используются как масс-спектрометры, так и оптические методы. Основные типы приборов:

CIMS (Chemical Ionization Mass Spectrometer) — измеряет следовые количества органических соединений, серной кислоты, аммиака;
PTR-MS (Proton Transfer Reaction Mass Spectrometer) — используется для летучих органических соединений (ЛОС);
NOx-анализаторы — основаны на хемилюминесценции;
O₃-анализаторы — применяют УФ-абсорбцию;
Black Carbon Aethalometer — оценивает содержание сажи по коэффициенту поглощения аэрозолей.

Многие приборы требуют заборных систем с осушением, нагревом, фильтрацией и согласованием давления.

Радиационные измерения

Платформы могут быть оснащены радиометрами, пирометрами, спектрофотометрами и другими приборами:

Широкополосные радиометры (upwelling/downwelling shortwave и longwave) измеряют потоки солнечного и инфракрасного излучения;
Спектрофотометры (например, UV-DOAS) позволяют исследовать поглощение газа в различных длинах волн;
Фотополяриметры — регистрируют рассеянный свет и помогают восстанавливать свойства аэрозолей и облаков.

Использование лидаров и радиолокаторов

Интеграция активных зондирующих методов значительно расширяет функциональность самолетных платформ:

Лидары (LIDAR) — дистанционно измеряют вертикальные профили аэрозолей, водяного пара, облаков;
Доплеровские лидары — дают информацию о вертикальной составляющей ветра и турбулентности;
Облачные радары (часто на частоте 94 ГГц) — определяют структуру облаков, фазовое состояние, отражательную способность и скорость осадков.

Преимущества самолетных измерений

Возможность направленного зондирования конкретных атмосферных структур (облаков, фронтов, турбулентных зон);
Высокое пространственное разрешение (до нескольких метров);
Мобильность, позволяющая адаптировать маршрут под условия эксперимента;
Интеграция широкого спектра измерительных методик на единой платформе.

Ограничения и трудности

Высокая стоимость эксплуатации и логистической подготовки полётов;
Ограничения по времени нахождения в воздухе и по высотному диапазону;
Риск искажения данных из-за вибраций, турбулентности, механических повреждений;
Необходимость калибровки приборов до и после вылета;
Технические сложности в проведении долгосрочных мониторингов.

Роль в комплексных исследованиях

Самолетные измерения часто являются составной частью междисциплинарных кампаний, включающих:

Спутниковые наблюдения;
Наземные измерения;
Радиозондовые данные;
Моделирование атмосферы.

Совмещение всех этих источников данных позволяет построить трёхмерную и высокоразрешённую картину атмосферных процессов — от микромасштабных турбулентных вихрей до глобальных химических транспортных систем.