第九章
聲音可以探測天氣
聲音是人耳對大氣中空氣分子的疏密波動的感覺。譬如說，我們敲鍾時，這口鍾被敲擊而發生振動，這種振動推動了鄰近的空氣分子，使它們發生密度的疏密變化，這種疏密的周期性變化，在空氣中傳播，就形成聲波。當聲波傳到我們的耳朵中來時，我們就聽到了鍾的聲音。
近年來，用聲音來探測大氣的研究，引起了人們的注意。早在1901年，人們就發現炮彈爆炸區周圍約70～90公裏以外，有一個聽不到爆炸聲的靜聲區，在這個靜聲區以外，又有可聽見爆炸聲的區域。第一次世界大戰期間，這種現象更引起人們的注意。人們在爆炸地點四周不同距離處，安置了許多拾音器來接收爆炸聲，以研究這種反常聲波的傳播現象。在第二次世界大戰期間，人們還曾用火箭帶了爆炸物在高空爆炸，並用地麵拾音器進行探測。這些探測都證明在高空約50公裏處，有一個高溫區存在。靜聲區的出現，是聲波在高空傳播時發生了折射的緣故。
但近年來，利用聲波探測大氣的設備，主要是用“聲雷達”。聲雷達能測出近地麵1～2公裏以下的大氣溫度、濕度隨高度的變化和它微小的脈動現象，還可測出風向、風速、鋒麵結構、對流熱氣流、逆溫層等等。
聲音為什麼能夠探測大氣的性質呢？這是因為大氣能影響聲波的速度、路徑，以及聲波振動的頻率。隻要我們能測出聲波速率、折射情況和振動頻率的變化，就可了解大氣的性質情況。
例如，聲波在空中傳播時，傳播的速率會受空氣溫度、濕度和風速的影響，溫度、濕度愈大，聲音傳播的速度也愈大。另外，順風傳聲，聲速就會加大；逆風傳聲，聲速就會減小。聲波傳播的路線，也受大氣中溫度分布的影響而彎曲，這稱為聲音的折射。根據折射情況，可以推論空氣中溫度的分布情況。聲波又是一種疏密波，有它的振動頻率，當發聲或散射聲波的空中質粒在傳聲方向上，有相對於聲波接收器的運動時，接收器接收到的聲波頻率，就會和原來聲波的頻率有很大不同，這稱為“多普勒頻移效應”。通過測量聲波的多普勒頻移效應，人們可以測出氣流的運動。聲波還會被空中懸浮物所散射。這種散射，有利於人們設計接受散射聲波的儀器，以便了解聲波在大氣中傳播過程中受大氣的影響情況，從而推估大氣的溫度、濕度和風的分布。
領先科技測雲高儀器
雲高是氣象預報的重要依據，也是安全航空所需要知道的項目。測量雲高，普遍采用兩種方法：一種是氣球法，施放定升速的氫氣球，根據從施放到進入雲底的時間和上升的速度，算出雲底的高度；另一種是雲幕燈法，就是用雲幕燈發射一束光柱，垂直照到雲底一點，通過從觀測到的點觀測該點仰角以及觀測點與雲幕燈的水平距離，根據三角方法可以算出雲底的高度。這兩種方法都存在著一定的局限性。如氣球法要事先充氣，氣球從地麵升到雲底需要一定的時間，雲越高，所需時間也越長，而且氣球有時能從積狀雲塊的縫隙中穿過，不能測到雲底的高度。又如雲幕燈法隻能在夜間采用，而且雲幕燈發射光柱的亮度有限，隻能測量雲層較低的雲。為了克服這些局限性，我國試製成了一種測雲儀器，叫“弧光測雲儀”。它是利用光發射器，發射一束紫、綠、藍三色脈衝光（稱弧光），射向天空雲底，光源碰到雲底即被反射回來，被地麵接收機所接收。我們已經知道光波在空中傳播的速度是每鈔30萬公裏，根據弧光從發射到接收的時間就能知道雲的高度。“弧光測雲儀”有很多優點，如白天、晚上都能測雲，利用接收機代替了肉眼觀測，數據準確而且及時。但由於弧光畢竟還較弱，遠距離發射，光波衰減很多，要測幾千米高的雲，會使反射光波微弱到使接收機難以感應。另外，儀器的發射光源部分體積大而笨重，也不能轉動，隻能測量與儀器發射光源垂直上空的雲底高度。所以“弧光測雲儀”雖比氣球法和雲幕燈法測雲進了一步，但仍有不足之處。