Чтобы изучить те слои атмосферы, которые пока ещё недоступны для непосредственного наблюдения, учёные посылают в эти слои аппараты, снабжённые автоматически записывающими или передающими приборами. Эти неодушевлённые исследователи достигают больших высот.

Кроме риска для исследователей, подъём на большие высоты связан с большими материальными затратами. Поэтому часто бывает целесообразно посылать таких неодушевлённых исследователей для сбора сведений о состоянии атмосферы и на высоты, доступные самолётам и аэростатам.

Первый беспилотный аппарат для подъёма приборов в атмосферу был предложен в 1754 году М. В. Ломоносовым. Этот аппарат описывается в протоколе Конференции Академии наук от 1 июля 1754 года: «Советник Ломоносов показал машину, названную им аэродромной, выдуманную им и имеющую назначением при помощи крыльев, приводимых в движение горизонтально в разные стороны заведённой часовой пружиной, сжимать воздух и подниматься в верхние слои атмосферы для того, чтобы можно было исследовать состояние верхнего воздуха метеорологическими приборами, прикреплёнными к этой аэродромной машине. Машина была подвешена на верёвке, перевешенной через два блока, и грузами, подвешенными к другому концу канатика, поддерживалась в равновесии. При заведённой пружине она быстро поднималась вверх и таким образом обещала желаемое действие».

В отчете за 1754 год Ломоносов писал: «Делан опыт машины, которая бы поднимаясь кверху сама, могла поднять с собой маленький термометр, дабы узнать градус теплоты на вышине, которая слишком на два золотника облегчалась, однако, к желаемому концу не приведена».

Ломоносову не удалось закончить работу по созданию беспилотного аппарата для исследования атмосферы. Но то, что не успел сделать великий учёный, сделали его последователи. Несмотря на тяжёлые условия жизни в царской России, русские учёные разработали основные методы беспилотных исследований атмосферы и сделали важный вклад в науку об атмосфере. Для подъёма приборов в воздух стали применяться воздушные змеи, шары-зонды и ракеты.

Воздушный змей. Воздушные змеи начали использоваться для исследования атмосферы ещё в XVIII веке. Они применялись тогда для исследования атмосферного электричества.

Воздушный змей поднимается в воздух по той же причине, что и самолёт. Змей располагается в воздухе так, что воздушный поток, обтекая его, создаёт повышенное давление на его нижнюю поверхность и разрежение над верхней. Благодаря разности давлений возникает сила, поднимающая змей вверх. Разница по сравнению с самолётом состоит только в причинах, вызывающих воздушный поток. Самолёт перемещается относительно воздуха с помощью двигателя и может лететь в любом направлении независимо от ветра, обтекание же воздухом змея происходит обычно за счёт ветра. Змей держится на стальном тросе или шнуре и потому при ветре не перемещается вместе с воздухом. В безветреную погоду змей может подняться в воздух только в том случае, если конец троса, к которому привязан змей, перемещать вдоль поверхности Земли со значительной скоростью и тем создавать встречный его полёту поток воздуха.

Воздушный змей, поднимающий в воздух приборы, строят не из дощечек и бумаги, а из лёгкого металла или дерева и шёлковой материи, и не плоский, а коробчатый (рис. 11).

Рис. 11. Различные формы змеев, использующихся для подъёма приборов.

Высота подъёма воздушного змея ограничена. С увеличением высоты, при неизменном встречном потоке воздуха, подъёмная сила змея уменьшается, так как уменьшается плотность воздуха. Кроме того, чем больше высота, тем больше вес троса, на котором удерживается змей. Поэтому змей обычно достигает высоты 4–5 километров и лишь в очень редких случаях поднимается до высоты больше 9 километров.

Воздушные змеи широко применялись лет 50 назад в качестве разведчиков атмосферы. Много подъёмов воздушных змеев было сделано основателем русской аэрологии В. В. Кузнецовым. Эти подъёмы производились с 1897 года в Павловском парке (Петербург), где располагалось отделение Главной геофизической обсерватории. Сначала они велись нерегулярно, но в 1903 году при Павловской обсерватории было организовано специальное «змейковое» отделение, систематически изучавшее атмосферу с помощью воздушных змеев. В. В. Кузнецов лично конструировал змеи и самопишущие приборы, которые использовались при этих исследованиях.

Подъёмы приборов с помощью воздушных змеев позволили накопить сведения об изменениях в состоянии атмосферы до высоты 4–5 километров. Но с развитием электрификации и воздушных сообщений применять змеи стало опасно. Стальной трос змея, не замеченный пилотом самолёта, может привести к катастрофе. Обрыв троса может вызвать аварию на высоковольтных линиях электропередач. Этих препятствий нет только в таких малонаселённых районах, как Арктика — там змей может ещё применяться.

Шар-зонд и радиозонд. Мы уже говорили, что для подъёма аэростата или стратостата с исследователями и приборами необходима очень большая оболочка. Но для подъёма одних приборов требуются оболочки значительно меньших размеров. Чаще всего для этого употребляются оболочки с объёмом около 2–4 кубических метров у поверхности Земли. Резиновая оболочка наполняется водородом, к ней подвешивается коробочка с приборами. Получается маленький аэростатик. Такой аппарат и отправляют в атмосферу для её исследования. Его называют шар-зонд. «Зондировать» — значит исследовать, разведывать.

Предложение исследовать атмосферу с помощью таких шаров-зондов, снабжённых самозаписывающими приборами, впервые высказал Д. И. Менделеев.

При подъёме шара-зонда с увеличением высоты давление окружающей среды падает, газ растягивает оболочку изнутри и на некоторой высоте разрывает её. Приборы опускаются на Землю. При этом разорвавшаяся оболочка заменяет парашют и не даёт приборам разбиться. Приборы снабжаются запиской с адресом станции, пославшей шар-зонд. Нашедший приборы возвращает их по этому адресу.

Шары-зонды начали применяться с конца XIX столетия. В 1904 году с помощью шаров-зондов были исследованы нижние слои стратосферы. Основной особенностью этих слоёв является постоянство температуры: и на высоте 20 километров, и на высоте 30 километров она одинакова и равна приблизительно минус 55°. В стратосфере всегда хорошая погода, облаков и осадков почти не бывает, плотность воздуха мала. Эти условия весьма удобны для полётов.

Аэролог В. В. Кузнецов за время с 1905 по 1914 год выпустил в Кучино под Москвой 60 шаров-зондов. Наибольшая высота их подъёма была 19 километров. Эти опыты позволили В. В. Кузнецову установить характер изменения температуры в атмосфере по месяцам до высоты 12 километров. В то время, как у поверхности Земли в районе Москвы среднемесячная температура в течение года изменялась от -5 до + 15° Цельсия, на высоте 11–12 километров температура изменялась от —50 до —60° Цельсия. На высоту более 12 километров шары-зонды поднимались редко, поэтому проследить за изменением температуры на этих высотах В. В. Кузнецов не смог.

В 1918–1920 годах советский исследователь В. А. Ханевский, используя данные, полученные при шаро-зондовых и шаро-пилотных подъёмах, установил скорость и направление ветра, а также влажность воздуха до высоты в 20 километров.

В начале 30-х годов зондирование атмосферы в Москве было организовано советским метеорологом профессором В. И. Виткевичем. Шары-зонды дали сведения о распределении давления и температуры на больших высотах. Одиночные шары-зонды поднимались на высоту несколько больше 40 километров.

Однако шар-зонд обладает крупным недостатком — он далеко уносит приборы. Не всегда их удаётся найти, а иногда приборы попадают в водоёмы или под дождь, и тогда записи измерений оказываются испорченными. Там, где населённых пунктов мало, выпускать шары вообще не имеет смысла, так как приборы будут возвращаться крайне редко.