"По сведениям Гидрометцентра..." - фрагменты книги

Масштабы погоды

С ЮЖНЫХ ГОР ДО СЕВЕРНЫХ МОРЕЙ

Правила хорошего тона у англичан всегда предусматривали разговоры о погоде («Прекрасная погода, сэр, не правда ли?»). Действительно, настоящая английская погода в любой день предоставит обильный материал для обсуждения даже незнакомым людям. Погода объединяет, как общая беда или общая радость.

Интересуются погодой также и в Москве, и в Токио, и в Нью-Йорке, и в Париже... Можно перечислить много самых разных городов и стран, которые, однако, будет объединять одно - их географическое положение. Все они лежат в обширной полосе умеренных широт северного полушария, примерно от 40 до 70° с. ш. Здесь, пожалуй, самая изменчивая погода на Земле.

А вот жителей Сахары погода разнообразием не балует. Дожди здесь, например, бывают раз в несколько лет. Не поймут вежливых разговоров о погоде и обитатели Огненной Земли на крайнем юге Южной Америки. Хотя Огненная Земля тоже находится в умеренных широтах (55° ю. ш.) и осадков здесь даже больше, чем в Англии, но выпадают они 300 - 330 дней в году в виде унылых моросящих дождей. Даже ветер здесь настолько постоянный по направлению, что редкие чахлые деревья наклонены все в одну сторону, на северо-восток. Признайтесь, что наша неустойчивая погода - дар Божий по сравнению с огненноземельской!

Но и в пределах нашей страны есть области с большей или меньшей изменчивостью погоды, и прежде чем начать разговор о том, как прогнозируют погоду, установим, где такие области находятся. Поможет нам в этом один из разделов метеорологии - климатология, которая изучает географию погоды, повторяемость и вероятность различных состояний атмосферы на материках и океанах, то есть климаты Земли.

«Единственная особенность москвичей, которая до сих пор остается мной не разгаданной, - это их постоянный, таинственный интерес к погоде... - Тише! - вскрикивает вдруг кто-нибудь и подымает голову к репродуктору. - Погоду передают! Все затаив дыхание слушают передачу...»

Попробуем на минуту забыть, что перед нами образец мягкого, доброжелательного юмора замечательного писателя Фазиля Искандера, и отнесемся к этой фразе серьезно. Выходит, что в Абхазии меньше интересуются прогнозом погоды на завтра, чем в Москве. Почему? Наверное, изменчивость погоды в Москве больше. Попробуем проверить.

Для этого нужно выбрать какую-нибудь показательную характеристику погоды. Чаще всего мы интересуемся температурой воздуха и осадками. На рис.1 показано, насколько в среднем изменяется температура воздуха в течение 5 дней в различных частях нашей страны зимой и летом; значками отмечены районы большой повторяемости сильных ливневых дождей и снега, которые бывают только при очень изменчивой погоде.

Похоже, что наша гипотеза отчасти подтверждается: в районе Черноморского побережья Кавказа, где живут земляки писателя, и зимой и летом наблюдается минимум изменчивости температуры. В Москве эта изменчивость в полтора-два раза выше. Значит ли это, что прогнозы погоды в Москве нужнее, чем в Абхазии? Прогнозы температуры воздуха - да. Сильные же осадки на побережье Кавказа выпадают чаще, чем в Москве: сказывается влияние Черного моря. Зимой в Сухуми за месяц бывает обычно 7-8 дней с осадками более 5 мм, а в Москве - только 2-3 дня. Значит, в Абхазии прогнозы температуры воздуха не очень актуальны, зато важны прогнозы дождя и снега, к тому же здесь горный район и последствия сильных осадков могут быть катастрофическими.

На рис.1 можно видеть, что области малой изменчивости температуры воздуха вообще приурочены к берегам морей, которые сглаживают ее колебания, так как летом море холоднее суши, а зимой теплее. Но здесь же из-за увлажнения воздуха над водой увеличиваются количество осадков и вероятность сильных дождей. На территории России нет областей чисто морского климата с относительно теплой зимой и прохладным летом, лишь крайняя северо-западная часть ее по характеру погоды напоминает Англию - страну классических туманов и дождей.

Средние изменения температуры воздуха за 5 дней зимой и летом

Рис. 1. Средние изменения температуры воздуха (°С) за 5 дней зимой (а) и летом (б). 1 - траектории циклонов, 2 - ливневые дожди, 3 - ливневый снег. Уникальна погода на Дальнем Востоке. Летом сюда поступает влажный воздух с моря, здесь много дождей, в том числе и сильных, и в целом нежарко - типичный морской климат. Зима же в Приморье сухая и малооблачная, она проходит под знаком северо-западных ветров, несущих сибирские холода. Такие сезонные изменения характерны для муссонного климата (муссоном называется ветер, меняющий свое направление от зимы к лету на противоположное). Вообще же муссонные области Земли лежат в тропическом поясе, поэтому погода Дальнего Востока уникальна.

Максимальная изменчивость температуры в течение года отмечается на побережье Северного Ледовитого океана. Объяснить этот феномен нельзя, если не рассматривать крупные, планетарные перемещения воздушных масс. В Арктику и зимой и летом приходят гигантские атмосферные вихри - циклоны. Чтобы нагляднее представить себе циклоны, надо сопоставить их горизонтальные размеры (1000-2000 км) и вертикальную протяженность (2-10 км). Оказывается, циклоны - это почти плоские горизонтальные вихри. Далее мы познакомимся с ними подробнее, а сейчас нужно запомнить лишь следующее: циклоны - это атмосферные вихри, которые приносят с собой ненастье и резкие изменения температуры. В северном полушарии воздух в циклоне вращается против часовой стрелки и при этом слегка стремится к центру вихря, таким образом, что траектории отдельных частиц воздуха напоминают спирали. Сходящийся к центру циклона воздух медленно поднимается вверх, а в поднимающемся воздухе всегда образуются облака, из которых выпадают либо дождь, либо снег.

В тех районах, где циклоны еще относительно «молоды» (в начале их траекторий), как раз и отмечаются зоны сильных осадков. Зимой это Прибалтика, центр Европейской части России и Украина, летом - те же районы плюс Западная Сибирь и Дальний Восток. В Арктику циклоны приходят уже в «зрелом возрасте» (здесь их диаметр достигает 2000 км), когда они дают мало осадков, но вызывают большие колебания температуры, потому что затягивают в себя одновременно воздух из арктических пустынь и с далекого юга. Области максимальной изменчивости температуры воздуха на рис.1 расположены именно там, где наиболее часто проходят циклоны.

Противоположностью циклона по всем параметрам является антициклон. Воздух движется в нем по часовой стрелке, растекаясь от центра к периферии и одновременно оседая к земле, поэтому в антициклоне никогда не бывает мощных дождевых облаков, а небо чаще всего совершенно ясное. Очень важно также, что антициклон не усиливает контрасты температуры, как циклон, а размывает их. Погода в антициклоне безветренная, сухая и малооблачная. В Евразии есть область (центр ее находится примерно в Забайкалье), которую зимой циклоны старательно обходят (рис. 1 а). С ноября по март здесь устанавливаются обширные малоподвижные антициклоны с очень холодной и сухой погодой. Иногда сфера их влияния расширяется до Урала и Волги, иногда распространяется даже дальше: отсюда приходят в коренную Россию сибирские морозы.

Антициклоны возникают и летом. В летних антициклонах стоит ясная и жаркая погода, а порой отмечаются даже засухи. Антициклоническая погода может устанавливаться практически в любом регионе нашей страны, определенной географической привязки летние антициклоны не имеют. Возникнув, антициклон может держаться на одном месте и неделю, и месяц, и даже целый сезон. Такие ситуации чреваты сильными засухами, и их предсказание - одна из главных задач долгосрочного прогноза погоды.

Итак, попутно с изучением географии погоды мы установили одну из главных причин ее изменений - это крупномасштабные движения воздуха, или, как говорят иначе, циркуляция атмосферы. Зависимость погоды от циркуляции атмосферы характерна для всего земного шара, особенно для районов умеренных и высоких широт. Зимой циркуляция атмосферы обусловливает практически все заметные перепады тепла и холода, заряды снега и потоки дождя, непосредственно с ней связана и изменчивость направления ветра. Летом ведущая роль крупных атмосферных вихрей сохраняется, однако обозначается еще один фактор погодных изменений, который зимой проявляется не столь отчетливо. На рис.1б видно, что летом циклоны движутся по более северным траекториям, чем зимой. На Кавказе устанавливается антициклонический тип погоды, которая так влечет нас на желанный юг! И, тем не менее, сильные дожди с грозами здесь не редкость; в основном необходимые для них условия складываются там, где потоки воздуха, перемещающиеся даже с относительно небольшой скоростью, встречают на своем пути горные хребты. Колхидская низменность, плотно окруженная горами, - настоящая ловушка дождей; гремят грозы и на северных склонах Кавказского хребта. В равнинных пустынях Средней Азии летний дождь - большое событие, а в горах Тянь-Шаня с мая по июль гроза и дождь - нормальное явление. На южном побережье Крыма летом дожди редки, потому что воздух, поступающий сюда в основном с запада и северо-запада, теряет влагу на северных склонах Крымской гряды - Яйлы.

Влияет рельеф и на колебания температуры воздуха: в горах они усиливаются. На рис.1б изолиния 5°С четко очерчивает Урал и Восточно-Сибирское плоскогорье (область повышенной изменчивости температуры), над равнинами Западной Сибири изолинии изменений температуры уходят на север (область пониженной изменчивости). Горы Тянь-Шаня и Кавказа также проявляются в поле изолиний. Какой же главный вывод следует из анализа географии погоды на обширной территории Евразии? Очевидно, он таков: если рассматривать колебания погоды как комплекс изменений температуры воздуха, осадков и атмосферных явлений, то районов с постоянной погодой мы практически не найдем. Прогнозы погоды нужны везде и во все сезоны. Другое дело, что в зависимости от района и времени года изменяется потребность в прогнозе различных составляющих погоды. Итак, на погоду в наших широтах влияют три основных фактора: циркуляция атмосферы, рельеф земной поверхности и море.

МЕСТАМИ И «КОЕ- ГДЕ»

Наличие зависимости погоды от циркуляции атмосферы приводит к мысли о примерной технологии прогноза погоды на завтра. По картам погоды, которые составляются от 2 до 6 раз в сутки в зависимости от типа карты, надо установить, сколько циклонов и антициклонов существует на сегодняшний день и где они расположены, затем предсказать путь их перемещения к завтрашнему дню, а также стадию развития. Тогда прогноз температуры воздуха представляется очень простым: в восточной половине циклона будет тепло, поскольку в этой его части воздух затягивается с юга, а в западной половине - холодно, так как там дуют северные ветры. В антициклоне все будет наоборот. Остается посмотреть, какая при этом будет температура воздуха и какое количество осадков принесут северные и южные ветры (возможное влияние моря будет учтено автоматически). Например, если мы знаем, что завтра центр циклона диаметром 1000 км будет располагаться над Москвой, то надо давать прогноз относительно теплой погоды в Тамбовской, Рязанской, Нижегородской и Владимирской областях, то есть во всех областях к востоку от меридиана Москвы в радиусе 500 км. Холодно же будет на западе Центрального района России.

В принципе так прогнозы погоды и делаются, но наша схема пока еще очень упрощенная, в ней не учтены многие важные процессы, протекающие внутри самих циклонов и антициклонов. И еще: совершенно не учтен рельеф Земли, а ведь погода существенно зависит от его особенностей, что, конечно, усложняет ее прогноз.

«…По области туман», - слышите вы по радио. Чтобы ясно представить себе погоду в области, надо хорошо знать географические особенности этой области. Вот два примера зимних туманов: один относится к югу Европейской части России и Украине, другой - к Предбайкалью. Зимние туманы на юге Европейской части России, Украине и в Предбайкалье

Рис. 2. Зимние туманы на юге Европейской части России и Украине (а) и в Предбайкалье (б). Цифры обозначают число дней с туманами в месяц.

Туманы на Украине, Северном Кавказе и в Нижнем Поволжье образуются при внезапном переходе от холодной погоды к теплой. Как правило, это происходит в тех случаях, когда в восточную часть циклона воздух затягивается со Средиземного и Черного морей (он не только теплый, но еще и влажный). И вот невидимый водяной пар, охлаждаясь над промерзшими украинскими пашнями и калмыцкими степями, начинает конденсироваться в мельчайшие капельки и становится видимым - превращается в туман. Обратите внимание на распределение по территории повторяемости этих туманов на рис.2. Изолинии наибольшей повторяемости туманов плавно очерчивают территорию Днепропетровск - Волгоград. Именно сюда чаще всего попадает влажный теплый воздух юго-восточной части циклонов, выходящих со Средиземноморья на Украину (траектория этих циклонов видна на рис.1а). Плавность изолиний означает, что туманы при такой циркуляции бывают повсеместно, они равномерно расстилаются над большой территорией. Это и неудивительно: при обычном диаметре циклона 1000 км теплая воздушная масса захватывает полосу протяженностью несколько сотен километров. И еще важно вот что: характер местности здесь равнинный и рельеф не может существенно влиять на локальные усиления или ослабления туманов.

Совсем по-другому выглядят зимние туманы в Предбайкалье. Южная часть Иркутской области расположена на Лено-Ангарском плато, прорезанном долинами рек и окруженном довольно высокими горными хребтами. Ландшафт и циркуляция атмосферы здесь совершенно не такие, как на юге Европейской части России. По-другому, естественно, образуются в этих местах и зимние туманы.

Мы уже знаем, что погоду в Предбайкалье определяет обширный зимний антициклон. В ясные безоблачные ночи, которые обычно наблюдаются в антициклоне, воздух у поверхности земли очень сильно охлаждается, потому что она щедро излучает в мировое пространство тепло в виде длинноволновой радиации. Минимальная температура воздуха может достигать здесь - 55°С. Особенно холодно становится в долинах и других понижениях рельефа: сюда стекает охлажденный воздух со склонов. Такой низкой температуры иногда достаточно для того, чтобы даже те «крохи» водяного пара, которые обычно содержатся в холодных воздушных массах, стали конденсироваться в ледяные кристаллики тумана. В верховьях Ангары, на которой стоит Иркутск, туман усиливается вследствие испарений с поверхности реки. Да, да - испарений! На некоторых перекатах Ангара такая быстрая, что не успевает замерзать даже в сибирские морозы. Речная вода, температура которой составляет 1 – 3 °С, отдает влагу сухому морозному воздуху. Именно здесь, в Иркутске, повторяемость зимних туманов самая высокая по всему Предбайкалью. На остальной его территории она зависит от рельефа: в долинах туманы отмечаются чаще (Зима, Жигалово), на плоскогорье - реже, а на хребтах их почти не бывает. «Рисунок» повторяемости тумана настолько сложен, что его и не воспроизвести на карте!

Прогноз тумана на юге Европейской части России и на Украине дать легче. Для этого нужно правильно рассчитать траекторию циклона, температуру и влажность теплого воздуха, которые более или менее одинаковы на больших пространствах. В Предбайкалье необходимо не только «увидеть» будущий антициклон, но и сделать для каждого пункта сложный расчет ночного понижения температуры, зависящего от множества местных факторов. В Иркутске дело осложняет еще и испаряющая влагу Ангара. Вот как влияет на погоду пересеченный рельеф! Вот отчего появляются в прогнозах слова «местами» и «кое-где». Однако даже и в тех случаях, когда речь идет о прогнозе погоды для равнинной местности, обойтись без этих слов нельзя. Например, в жаркий летний полдень вы тревожно смотрите на надвигающееся грозовое облако, предполагая, что вскоре разразится гроза и вы попадете под сильный дождь. Однако даже если ветер несет облако в вашу сторону, дождя может и не быть - это зависит от влажности воздуха, «возраста» облака и встречающихся на его пути лесов, озер, полей...

Если по радио говорят, что какое-то атмосферное явление будет отмечаться местами или кое-где, знайте, что речь идет о крайне сложном процессе, ход которого точно рассчитать для любого пункта пока нельзя.

В НАШЕМ ГОРОДЕ ДОЖДЬ

До сих пор мы рассматривали погоду как бы с орбиты искусственного спутника Земли (ИСЗ), проносясь над целыми регионами. А что если ограничить область прогноза погоды, например, одним городом, ведь на карте страны он выглядит точкой и площадь его в тысячу с лишним раз меньше площади, охватываемой обычным циклоном? Предположим, что в пределах города погода будет одинаковой. Следует ли из этого, что в сообщении о прогнозе погоды в данном случае можно обойтись без «местами» и «кое-где»? Давайте спустимся с высот ИСЗ на высоту полета обыкновенного «кукурузника» и немного полетаем над городом... Чем больше мы будем летать, тем больше будет в нас закрадываться сомнение в «одинаковости» городской погоды и простоте ее прогноза. Город - это миниатюрная страна, в которой обычные земные ландшафты заменены их микрокопиями. Высотные микрорайоны - это горные массивы, парки - леса, озера - моря, аэродромы - степи, площади - каменистые пустыни. Город так же сложен, как целый континент. И даже еще сложнее: в отличие от естественной географической среды, город не только поглощает солнечное тепло, но и вырабатывает энергию сам. Известный климатолог М. И. Будыко считает, что в большом городе с населением несколько миллионов человек вырабатывается такое количество энергии, которое превышает количество поглощаемого городом солнечного тепла! Есть и другие, более осторожные оценки, но и по таким оценкам искусственный приток тепла в городе составляет не менее 1/3 притока солнечной радиации. Разнообразные ландшафты и тепловые источники создают сложный микроклимат города, и точный прогноз погоды для него становится не менее трудной задачей, чем для больших территорий. Как же «выглядит» городская погода? Начнем, пожалуй, с дождя.

«В нашем городе дождь, он идет днем и ночью», - писал когда-то Е. Евтушенко. Это так называемый обложной дождь, который захватывает сразу тысячи квадратных километров и поэтому ни в центре, ни на окраине города больших различий не имеет. Для прогноза такого дождя нужно главным образом правильно рассчитать движение и эволюцию циклонов. А вот что такое «нормальный летний дождь», о котором тоже говорится в известной песне о Москве? В утреннем прогнозе погоды вероятность такого дождя выражается следующим образом: «Во второй половине дня местами пройдут кратковременные дожди, возможны грозы». Попробуем разобраться, что стоит за этой привычной и сухой фразой?

«Во второй половине дня...» - это понятно: в летний солнечный день к 13-14 ч поверхность почвы и асфальта, стены и крыши домов разогреваются, над городом образуется множество теплых воздушных пузырей, которые, согласно закону Архимеда, устремляются вверх. Возникающие при этом вертикальные движения воздуха называются свободной, или термической, конвекцией. Этот процесс мы ещё будем подробно разбирать, а пока запомним, что термическая конвекция - одна из главных причин образования мощных грозовых облаков высотой до 8-10 км. Такие облака формируются и за городом, но в его пределах конвекция усиливается и за счет «каменного» материала, и за счет дополнительного выделения тепла промышленными предприятиями. Весной, когда появляются первые после зимы кучевые облака, прежде всего их можно увидеть именно над городом. Сформировавшиеся к 13 - 14 ч грозовые облака (в метеорологии их называют кучево-дождевыми, или по-латыни Cumulonimbus (сокращенно Cb), имеют средний диаметр у основания около 10 км. При скорости движения облаков Cb 20 - 30 км/ч над наблюдателем такое облако будет проходить в течение 20 - 30 мин. Столько же времени будет продолжаться и выпадающий из облака ливневый дождь. Вот почему в прогнозе указаны «кратковременные дожди».

Если о дожде говорится достаточно уверенно, то в формулировке прогноза гроз используется слово «возможны». Это означает, что расчет интенсивности термической конвекции и количества ливневых осадков в настоящее время надежнее, чем расчет электрических характеристик облаков Cb.

Наконец, знаменитое «местами». Даже сравнение среднего диаметра облака Cb (10 км) со средним диаметром большого города, например Москвы (40 км), приводит к выводу, что из одного облака повсеместно дождь идти не может. Кроме того, условия для образования облаков Cb и выпадения летних ливней в разных частях Москвы разные. Самые благоприятные для них условия складываются в центре города, где наиболее плотная каменная застройка. Правда, очаг повышенной повторяемости сильных дождей есть и за городом (Немчиновка), но это объясняется наличием больших лесных массивов на юго-западе Московской области: деревья усиленно испаряют влагу, особенно в жаркую погоду, что способствует образованию облаков. В конкретных случаях распределение осадков может существенно отличаться от среднего многолетнего. Оно зависит от направления ветра, влажности почвы, температуры воздуха и даже от выброса в атмосферу дыма трубами заводов.

В целом статистика показывает, что если на вас «проливается» нормальный летний дождь где-то на юге Москвы, то вероятность одновременных осадков в центре города составляет 68%, а на севере - всего 53%. В этом и заключается весь смысл формулировки «местами пройдут дожди».

И все-таки, можно ли уже сейчас рассчитать характеристики для каждого облака Cb по отдельности и таким образом избавиться от «местами» и «кое-где»? Специалисты в области мезометеорологии - раздела метеорологии, изучающего процессы в атмосфере масштабами в несколько десятков километров, - отвечают, что теоретически к этому они готовы, но вот информация о погоде, например в окрестностях Москвы, нужна в 30 раз более подробная, чем та, которой они пока располагают.

Зимой в большом городе осадки выпадают равномернее, чем летом, зато температура воздуха может сильно меняться, особенно в тихую морозную погоду. Над городом существует «шапка тепла», обязанная своим происхождением энерговыделению предприятий, транспорта и теплосетей. Вдоль московской кольцевой дороги температура воздуха на 3-3,5° ниже, чем в центре города. Исключение составляет лишь юго-западная часть Москвы: там расположена Теплостанская возвышенность, а зимой на возвышенностях всегда теплее, чем в низинах. В отдельных случаях эти различия могут составлять 8-10°. Так что не стоит упрекать метеорологов в неточности сообщений о погоде, глядя лишь на свой термометр.

Итак, география погоды сложна, но не это главное. Как мы выяснили, все изменения погоды можно в принципе подразделить на три группы, в зависимости от пространственного масштаба. Изменения погоды в крупном масштабе - над целыми странами и континентами - во многом зависят от горизонтальной циркуляции воздуха в атмосфере. В среднем масштабе, или мезомасштабе, помимо циркуляции атмосферы на погоду существенно влияет рельеф земной поверхности, особенно горы; кроме того, ее изменения в значительной мере обусловлены воздействием вертикальных движений воздуха - конвекцией. В мелком масштабе, или микромасштабе, изменения погоды связаны с бесконечным разнообразием местных ландшафтов и даже с влиянием человека - антропогенным фактором. Следовательно, чем меньше территория, по которой дается прогноз погоды, тем, оказывается, он сложнее!

Понять эту простую для метеоролога истину неспециалисту довольно трудно. В самом деле, сказать, что будет на территории площадью 2 - 3 тысячи квадратных километров, конечно, сложнее, чем предсказать погоду в городе или поселке, - так думают многие. В действительности это неверно.

Вот простой пример из жизни, жизни армейской. Командир авиационного полка, хороший летчик, грамотный специалист, а следовательно человек, знакомый с за конами метеорологии, приказывает дежурному синоптику дать прогноз: будет ли туман над аэродромом ровно через неделю в 8 часов утра, к началу учебно-тренировочных полетов? Приказ не обсуждают, поэтому молодому лейтенанту приходится его выполнять. Но как? Он знает, что есть долгосрочный прогноз Гидрометцентра, согласно которому через неделю ожидается антициклоническая погода, а значит, возможен и туман. Но ведь достоверность такого прогноза всего 60-70%. Это первая неопределенность. Вторая заключается в том, что для прогноза тумана лейтенанту нужно точно знать направление ветра: ведь если ветер принесет влажный воздух с морского залива, туман будет, если же его направление изменится всего на 30-40° и он подует из степи, тумана может и не быть. Это чисто местные особенности, и для их прогноза нужно точно знать положение антициклона через неделю, что невозможно и на сутки вперед.

Как же вышел лейтенант из такого положения? Помогла армейская смекалка. Никакого прогноза он, конечно, не составлял, а просто взял климатический справочник и увидел, что, по многолетним данным, в этот сезон года утренние туманы бывают довольно редко. Начальству же он доложил следующее: все прогнозы погоды, составленные по разным современным методам, говорят о том, что тумана на аэродроме в 8 часов утра через неделю не будет (лейтенант, кроме того, знал, что командир очень хочет провести полеты!). Прогноз оправдался, но, конечно, чисто случайно. И лейтенант понимал это, так как знал, что к прогнозу местных условий погоды путь лежит только через прогноз крупномасштабной циркуляции атмосферы.

Наибольшие успехи сейчас достигнуты в крупномасштабных прогнозах погоды, которые мы далее и рассмотрим. Но сначала немного истории.

От частного к общему (из истории метеорологии)

ИСТОКИ

Тому, кто не знаком с метеорологией, трудно понять, отчего наука об атмосфере и прогнозах погоды так называется. И в самом деле, метеориты - это космические тела, падающие на Землю, а метеоры - их светящиеся следы на небе. Но причем же здесь все-таки погода?

Слово «метеорология» - научный анахронизм, дошедший до нас со времен Аристотеля, крупнейшего греческого мыслителя IV в. до н. э., автора «Метеорологики» - трактата о небесных явлениях. В те времена считалось, что на небе все изменения происходят в одной природной сфере и, значит, должны изучаться одной наукой. Аристотель подобрал ей название, исходя из греческого выражения "та метеора" - предметы в воздухе. К этим «предметам» ученый причислял дожди и кометы, град и метеоры, радуги и полярные сияния, правда, гидрометеоры, то есть «предметы», со стоящие из воды или льда (в этом виде определение Аристотеля используется и сейчас), он выделял в особую группу. Звезды к метеорологии, по его мнению, не относились: они считались тогда неподвижными и неизменными.

Для современного человека очевидно, что представления Аристотеля о ряде природных явлений, о которых он размышлял в своем трактате «Метеорологика», были ошибочными, однако рождение науки об атмосфере и погоде, бесспорно, связано именно с этим трактатом.

Любая естественная наука состоит из трех органически связанных частей: наблюдение, эксперимент и теория. История показывает, что если пренебрегают одной из них, наука неизбежно обедняется, а иногда ведет к неверным выводам, то есть по существу самоликвидируется как средство познания. И до Аристотеля люди внимательно наблюдали за погодой, о проявляемом к ней интересе могут свидетельствовать многочисленные отрывки из поэм Гомера, древнекитайских трактатов, индийской героической поэмы «Рамаяна»... Однако прежде никто не пытался понять, почему происходят изменения погоды. Аристотель же стремился создать систему объяснений наблюдаемых фактов, то есть теорию. Следует отметить, что он не чуждался и эксперимента. Например, для выяснения вопроса, имеет ли воздух вес, ученый поочередно взвесил надутый и пустой бычий пузырь и обнаружил, что надутый пузырь весит больше пустого. Значит, рассуждал он, воздух действительно имеет вес. Однако надутый пузырь плавает на воде, а ненадутый тонет... Результаты последнего опыта вроде бы противоречили первому, и Аристотель делает странный для нас вывод об абсолютной легкости воздуха, об отсутствии у него веса.

С высоты современных знаний нетрудно заметить погрешности в рассуждениях ученого (ведь он еще не знал о переменной плотности воздуха и о принципе Архимеда!), но разве в этом дело? Науку и теперь можно представить себе в виде цепи бесконечных и нередко бесплодных попыток постичь истину. Главное же, несомненно, заключается в том, что Аристотель стремился понять причины природных явлений, и это приводило его к настоящим открытиям. Вот что, например, он писал о воде:

«Мы всегда ясно видим, как вода, поднявшаяся в воздух, опускается снова. Даже если то же самое количество не возвратится в течение года и именно в этой стране, то через определенный срок все, что было унесено вверх, будет возвращено».

Совершенно очевидно, что речь идет о круговороте воды в природе!

В вопросе о происхождении ветра Аристотель вновь заблуждается (по его мнению, воздух - это дым, который выдыхает Земля), а вот его вывод о связи характера погоды с направлением ветра - снова великое прозрение...

«Апарктий, Траский и Аргест, рассеивая плотные облака, приносят ясную погоду... Аргест и Эвр - сухие ветры, последний сух лишь вначале и влажен в конце... Нот, Зефир и Эвр горячи. Кайкий покрывает небо мощными облаками».*
 

Аристотель «Метеорологика»

(* В приведенном отрывке упоминаются названия ветров, принятые в Древней Греции: Апарктий - северный, Траский и Аргест - северо-западные, Эвр - юго-восточный, Нот - южный, Зефир - западный, Кайкий - юго-западный.)

Подмеченные Аристотелем особенности хорошо укладываются в современную схему атмосферных процессов в Средиземноморье. Связь направления ветра с характером погоды, конечно в более сложном виде, и сейчас является основой методов прогноза погоды.

На примере Аристотеля, с именем которого связана первая постановка вопроса о научном исследовании природы, очень хорошо видны особенности науки как диалектического организма со всеми свойственными ей противоречиями, временными спадами и качественными взлетами, составляющими сущность весьма непростого движения от частных наблюдений к общим закономерностям.

Кстати, насколько сходны процессы, управлявшие погодой в древности, и процессы, воздействующие на нее в наши дни? Данный вопрос не следует считать праздным, ведь наиболее важные законы атмосферных движений, на которых основаны приемы прогноза погоды, установлены на материале последних 100 - 150 лет, и, если эти законы со временем изменяются, то нельзя быть уверенным, что метеорологию не придется когда-нибудь полностью пересматривать. Ответить на него нам поможет... Гомер!

«По морю так беззащитное судно повсюду носили ветры, то быстро Борею его перебрасывал Нот, то шумящий Эвр, им играя, его предавал произволу Зефира...» (Борей - древнегреческое название северного ветра).

Нет ли в этом отрывке из «Одиссеи» чего-то уже нам знакомого? Описывается буря, при которой восточный ветер Эвр сменяется западным, Зефиром. Если циклон двигался над путешественниками с запада на восток, как чаще всего они и смещаются, то, действительно, восточные ветры после прохождения центра циклона должны были смениться западными. Значит, и в древности бурю и непогоду в умеренных широтах приносили циклоны.

Русский метеоролог Б.П. Мультановский в 1992 г. внимательно изучил все описания природы из «Одиссеи» и построил карты погоды, которая наблюдалась 3000 лет назад. На них четко выделяются циклоны и антициклоны, управляющие воздушной стихией ныне, как и в древности.

В средние века наука о природе приходит в упадок, объяснение природных явлений становится прерогативой церкви. По иронии судьбы учение Аристотеля начинает играть роль тормоза на пути развития науки: средневековые схоласты абсолютизируют его, и существование иных взглядов оказывается невозможным. В астрономии такую же роль сыграла геоцентрическая система Птолемея. На 1000 с лишним лет прекратилось всякое движение идей в метеорологии, если не считать фантазий астрологов. Была, правда, еще одна своеобразная форма обобщения метеорологических знаний - это народные приметы погоды.

ПОГОДА ПО ПРИМЕТАМ

Средневековая наука крайне противоречива. В лабораториях алхимиков наряду с философским камнем исподволь создавалось учение о химических элементах. В результате наблюдений за звездным небом рождались астрологические предсказания судеб людей и государств и одновременно накапливались факты, ставшие основой для дальнейшего развития астрономии. Что-то подобное происходило и с метеорологией: она не избежала «астрологического периода», но вместе с тем наблюдения за погодой позволили нашим предкам - землепашцам, охотникам, морякам - подметить определенные закономерности, что привело к появлению связанных с этими закономерностями правил, или примет. Многие из существующих примет подкреплены длительными наблюдениями, а потому вполне обоснованы, однако есть и приметы-недоразумения, их тоже немало.

Интерес к народным приметам погоды не иссякает. Люди, далекие от естественных наук, часто верят всем приметам подряд. В научно-популярной периодике появляются обобщения, касающиеся примет, без какого-либо - научного анализа. Авторы этих статей тоже, по существу, призывают читателя к слепой вере в приметы. Иногда метеорологам приходится слышать: «Почему вы не используете народные приметы в прогнозах погоды?»

В этом разделе мы попытаемся разобраться в наследстве, которое нам оставила средневековая метеорология, попробуем отделить «зерна от плевел» - показать, какие приметы погоды надежны, какие сомнительны, а какие просто вводят в заблуждение, и можно ли использовать их в научных прогнозах погоды. Но сначала о самом «ярком» наследстве средневековой науки - об астрометеорологии.

Для нас вера в гороскопы и в китайский календарь с драконами, буйволами и кроликами - не более чем занятная игра. Совершенно иначе смотрели на это наши предки, для которых многочисленные астрологические календари были единственным научным откровением. Такой календарь был и в России, его называли Брюсовым, по имени одного из сподвижников Петра I, графа Якова Брюса. Маловероятно, чтобы сам граф, один из образованнейших людей своего времени, имел к нему непосредственное отношение - уж слишком много сомнительного было в шести таблицах календаря! Например, там был «прогностик», содержавший предсказания погоды, урожаев, войн и болезней по положению небесных светил. Характерно, что сами составители астрологических календарей оговаривались: «…войну и мир собственно из звездочтения провещати невозможное дело».

Ну а погоду, значит, можно? «Можно!» - считали авторы календарей и печатали прогнозы, подобные тому, что приведен в «Астрономическом телескопе», изданном в 1814 г., в котором погода предсказывается на 1946 г. (на 135 лет вперед): «В этом году господствует планета Меркурий. Весна в начале студеная, снежная, немного потом суха, тепла, ветренна, к концу приятна. Лето, хотя сначала мокрое, но потом прекрасное и теплое... Осень до половины октября студеная, далее хорошая и благоприятная погода, с солнечным сиянием, к концу пасмурная и дождями кончится. Зима не холодна, вихри и ветры частые, непогоды, холодный воздух».

Не будем слишком придирчивы к предкам - они писали о чем могли: о весьма «необычной» весне, сначала холодной, а потом теплой, о странной зиме, не холодной, но с холодным воздухом и т. д. Какие-то элементы настоящего прогноза погоды есть только в приведенном нами описании осени...

В 1725 г. в Санкт-Петербурге была открыта Академия наук, которая стала издавать свои календари, свободные от астрологических «предзнаний». Но читатели требовали вернуть астрологам утраченные позиции (ведь так заманчиво знать все заранее), и академикам пришлось согласиться. Правда, они не упускали случая с улыбкой предупредить: «Мы вовсе не надеемся, что все, что мы предсказываем, сбудется. В случае частых неудач просим помнить читателя, что за немногие копейки нельзя много истины купить».

Почему истинные исследователи природы так безоговорочно отвергают астрологию и астрометеорологию? Понятно (правда, не всем, особенно в наше неспокойное время), что звезды и планеты не могут оказывать никакого влияния на исторические события и судьбы, но, может быть, гравитационное взаимодействие небесных тел и атмосферы в состоянии определять погоду? В результате тщательных измерений было установлено, например, что притяжение Луны действительно вызывает в атмосфере приливы. Эти, подобные океанским, приливы выражаются в колебаниях давления воздуха с амплитудой 0,02 мм. рт. ст. Однако тот, кто следит за погодой, знает, что при ее перемене колебания атмосферного давления могут быть гораздо большими: их амплитуда превышает 20, 30 и даже 50 мм рт. ст. Следовательно, лунные приливы, самые мощные из всех известных, не могут быть причиной изменения погоды: слишком мало их воздействие на атмосферу.

Тем не менее энтузиасты прогноза погоды по фазам Луны и положению планет все еще ждут своего часа. А ведь такой «час» был не так давно - в 1983 г.! В марте - апреле этого года произошел так называемый парад планет, когда практически все планеты Солнечной системы одновременно оказались в узком секторе пространства с угловыми размерами не более 60°, если смотреть от Солнца.

По предположению упомянутых энтузиастов, следовало ожидать, что центр массы Солнечной системы при этом сместится за пределы Солнца и оно приобретет дополнительное вращательное движение. Тогда на нем резко усилится конвекция газов, что приведет к невиданному выделению солнечного вещества в космос и необратимым, катастрофическим изменениям погоды на Земле. В общем - конец света!

Но помним ли мы 1983 г.? Скорее, нам памятны лето 1972 г. из-за небывалой засухи и зима 1978-79 г. из-за страшных и продолжительных морозов на Европейской части России, хотя никаких особых событий в космическом окружении Земли тогда не наблюдалось. То, что в 1983 г. мы все-таки остались живы, указывает на крайне малый приливный потенциал планет по отношению не только к массивному Солнцу, но и к сравнительно небольшой Земле. «Парады планет» повторяются каждые 179 лет, но в погоде такой периодичности не существует.

Иное дело - приметы погоды, основанные на многовековых наблюдениях за состоянием атмосферы. Такие приметы можно разделить на три группы:

1) характеризующие погоду определенного дня (календарные); 2) позволяющие предсказывать ее на несколько часов или на сутки вперед (краткосрочные); 3) предназначенные для предсказания характера погоды на целый сезон или даже на год (долгосрочные).

Часть примет основана на наблюдениях за растениями и поведением животных. Сразу оговоримся, что справедливость таких примет нельзя оценивать без углубления в биологию и экологию. Пусть это делают специалисты в соответствующих областях науки, мы же рассмотрим чисто метеорологические приметы, каких, кстати, значительно больше.

Самые популярные, пожалуй, приметы календарные, например такие:

«Афанасий-ломонос - береги нос» (мороз 31 января);
«На Марка небо ярко» (8 мая);
«Введенье ломает леденье» (оттепель 4 декабря).

Ловко скроенные, приметы эти хорошо запоминаются и представляют собой как бы готовый на все времена прогноз погоды. Они обязательно привязаны к церковному календарю, поскольку для подавляющего большинства населения дореволюционной России он был основным. Помните, как у И. А. Гончарова в «Обломове»:

— А когда, бишь, она уехала от нас? - спросил Илья Иванович. - Кажется, после Ильина дня?
— Что ты, Илья Иванович, всегда перепутаешь! Она и Семика не дождалась, - поправила жена.
— Она, кажется, в Петровки здесь была, - возражает Илья Иванович...
— Так это Марья Онисимовна... Да и Марья Онисимовна не до Ильина дня, а до Прохора и Никанора гостила.
Они вели счет времени по праздникам, по времени года, по разным семейным и домашним случаям, не ссылаясь никогда ни на месяцы, ни на числа.

Календарных примет много, и если бы они абсолютно точно оправдывались, то из года в год наблюдалась бы совершенно одинаковая погода и разные природные явления происходили бы в одни и те же сроки. Вот, например, приметы первого месяца весны:

6 марта - Тимофей-весновей (теплый ветер),
12 марта - Прокоп дорогу рушит (ранняя распутица),
13 марта - Василий-капельник (оттепель),
14 марта - Евдокия-плющиха (оттепель),
17 марта - Герасим-грачевник (прилет грачей), 30 марта - Алексей - с гор потоки (таяние снега).

Если верить этим приметам, то в марте всегда должно быть тепло. Но известно, что год на год не приходится. Так, дата прилета грачей в средней полосе России, по данным фенологических наблюдений, колеблется между 7 и 31 марта. Другие народные приметы допускают, что на Евдокию (14 марта), Федота (15 марта) и Алексея (30 марта) в разные годы может быть разная погода. Таким образом, календарные приметы нельзя рассматривать как прогноз погоды на конкретный день конкретного года, они могут лишь свидетельствовать об увеличенной повторяемости определенного типа погоды в какой-либо день в среднем за очень много лет, то есть характеризовать то, что мы называем климатом.

Объективны ли в этом смысле календарные приметы погоды? Существуют периоды продолжительностью в несколько дней, когда средние многолетние значения температуры либо ниже, либо выше некоторой теоретической температуры, которая могла бы наблюдаться в том случае, если бы температура воздуха зависела только от высоты солнца над горизонтом.

Отличие реальной кривой от теоретической говорит в пользу календарных примет. Действительно, в Подмосковье есть «провалы», соответствующие рождественским (7 января), крещенским (19 января) и сретенским (15 февраля) морозам. Объективность народных примет подтверждается также и климатическими понижениями температуры, которые отмечаются в дни Афанасия (31 января) и Власа (24 февраля).

Но беспристрастный глаз заметит и другое. Например, сильные похолодания 10, 14 и 26 января, 10 февраля и 15 марта, а также потепления 18 января, 3 февраля и 1 марта как-то выпадают из оставленной нам предками системы примет. Вполне допустимо, что связанные с этими днями приметы существовали, но их почему-то не помнят, хотя отмечавшиеся в последнее столетие климатические морозы 14 января и сильные оттепели 3 февраля просто нельзя было не заметить! В чем же здесь дело? Неужели наши предки были столь ненаблюдательны?

Причина здесь, по-видимому, иная, и связана она с изменениями климата от столетия к столетию. Сейчас проводятся очень большие работы по восстановлению климата всего исторического времени и даже минувших геологических эпох продолжительностью в сотни миллионов лет. Это необходимо, в частности, для прогноза возможных колебаний климата в будущем. Используется все, что может помочь делу: материалы инструментальных наблюдений прошлого, указания летописей и литературных источников, сведения о характере геологических отложений, данные по нарастанию древних ледниковых покровов Антарктиды и Гренландии, древесные кольца и многое другое. Достоверно установлено, что климат в течение последней тысячи лет, когда и могли сформироваться календарные приметы погоды, менялся очень существенно.

В начале тысячелетия климат Европы и почти неизвестных тогда в Старом Свете земель за Атлантическим океаном был весьма теплым. Максимум его потепления пришелся на 800-900 гг. н. э., когда знаменитые викинги Эрик Рыжий и Лейв Счастливый совершили морские походы с территории современной Норвегии к берегам острова, который они назвали Гренландией («Зеленой страной»). Это название красноречиво говорит о том, что климат хорошо знакомой нам ныне ледяной пустыни, по крайней мере ее побережий, был мягким. Тепло так называемой эпохи викингов сохранялось до 1400-1450 гг. В Англии и на территории современной Эстонии в этот период выращивали виноград. Примерно с 1500 до 1850-1860 гг. климат Европы был относительно холодным и дождливым. Накопление большого количества снега способствовало росту горных ледников и продвижению их в некогда цветущие долины. Это дало основание климатологам назвать XVI - XVIII века малым ледниковым периодом. С конца XIX в. началось общее потепление климата, максимум которого пришелся на 30 - 40-е годы нашего столетия.

Календарные приметы сформировались окончательно, разумеется, не в эпоху последнего потепления климата, а раньше, и происходило это, по крайней мере, в течение малого ледникового периода. Поскольку характер климата тогда был другим, то и кривая годового хода температуры воздуха могла выглядеть иначе. Возможно, рождественские и крещенские морозы были выражены тогда более отчетливо, чем сейчас.

Но все-таки... Можно ли современные календарные особенности использовать для прогноза погоды? Решим этот вопрос на примере сретенских морозов. Климатическое похолодание в целом не так уж велико: суточная температура воздуха в период 11 - 15 февраля понизилась с - 8,0 до - 11,6 °С. Однако существует определенная повторяемость сильных морозов 14 - 17 февраля. Какова же эта повторяемость? Если за сильный мороз принять понижение температуры хотя бы до - 18 °С, то окажется, что повторяемость таких условий в дни, близкие к Сретению, за 85 лет составила не более 30 - 33%, то есть они наблюдались всего лишь раз в 3 года. Морозы же до - 25 °С в это время бывают раз в 10 лет. В остальные годы погода нормальная или относительно теплая. Похожая ситуация складывается и в начале осени: знаменитое бабье лето в конце сентября повторяется не чаще одного раза в 2 - 3 года.

Приведенные данные говорят сами за себя: прогнозы погоды, основанные исключительно на календарных приметах, будут оправдываться в лучшем случае на 50%, а это равносильно игре в «орла и решку».

Но если уж руководствоваться этими приметами, нужно учитывать следующее. Во-первых, ориентируйтесь не на конкретный день, связанный с народной приметой, а на интервал времени в 2 - 3 дня. Во-вторых, календарные приметы можно использовать только там, где они родились, например, русские приметы - для центральных районов Европейской части России. За Уралом все по-другому, о чем свидетельствует годовой ход температуры воздуха в Центральном Казахстане. Еще дальше, за Енисеем, можно использовать приметы, истоки которых следует искать в устном творчестве коренных народностей.

Следующая группа примет - краткосрочных - основывается на самых надежных и, главное, наиболее достоверных с точки зрения современной науки народных наблюдениях за погодой. В который раз приходится поражаться гениальной интуиции А. С. Пушкина - среди множества разнородных примет он обратил внимание именно на эти, хотя в годы жизни поэта основные закономерности синоптической метеорологии еще не были известны:

Старайся наблюдать различные приметы.
Пастух и земледел в младенческие леты,
Взглянув на небеса, на западную тень,
Умеют уж предречь и ветр, и ясный день,
И майские дожди, младых полей отраду,
И мразов ранний хлад, опасный винограду.

Приметы («Старайся наблюдать различные приметы...»)

Краткосрочные приметы интересно сопоставить с закономерностями, выявленными благодаря достижениям современной науки, поэтому мы вернемся к ним в той главе, где разбираются типы климата и погоды на Земле. Здесь же отметим, что опытные синоптики, которые долго работают в одной местности, умеют использовать наряду с новейшими научными методами и краткосрочные приметы, или, как они их называют, местные признаки погоды.

Приметы погоды третьей группы - долгосрочные - с научных позиций следует признать наименее надежными, и вот почему. В изменениях погоды, которые происходят за несколько часов и даже за 2 - 3 сут, действительно отмечается некоторая последовательность. Часто по направлению ветра, форме облаков, оптическим явлениям в атмосфере и ряду других признаков уже утром можно с достаточно большой уверенностью предсказать погоду на следующий день, однако научные методы прогноза погоды в настоящее время позволяют делать это более точно. А вот закономерность смены «погод» в течение нескольких месяцев проявляется значительно хуже. Иначе не было бы никакой проблемы долгосрочного прогноза погоды, а она есть и стоит очень остро.

Большинство традиционных методов долгосрочного прогноза основано на изучении закономерностей постепенного развития атмосферных процессов. Предполагается, что сигналы о возможных длительных отклонениях погоды от нормы появляются в атмосфере (или вообще в природе) задолго до того, как эти отклонения происходят. Следует, значит, лишь подробно проанализировать ход погоды, скажем, за полгода до того месяца, на который составляется долгосрочный прогноз. Как показал опыт, этот метод оказывается верным примерно в 60 случаях из 100, о чем свидетельствует успешность долгосрочных прогнозов погоды не только у нас в стране, но и за рубежом, которая составляет около 60%. В остальных 40% случаев крупные месячные и сезонные аномалии погоды возникают почти внезапно, без какой-либо видимой подготовки. И здесь традиционные методы оказываются бессильными.

Все это имеет прямое отношение к распространенным среди неспециалистов взглядам на смену сезонов года. Наверное, вы не раз слышали: «Ну, раз зима была холодной, то лето ожидай жарким». В основе подобных рассуждений лежит, на первый взгляд, верная логика: должен же соблюдаться баланс в природе! Однако логика самой природы не укладывается в такую простую схему. В этом легко убедиться, ознакомившись с табл. 1, в которой на основании наблюдений за последние 25 лет показано, насколько часто лето (или зима) по температурным условиям бывает аналогично или противоположно предыдущей зиме (или лету). Из таблицы следует, что для лета распространенная примета вообще неверна: в среднем для всех городов только в 41% случаев летняя погода была противоположна зимней, скорее уж наоборот: лето было похоже на зиму (59%) случаев. Правильно предсказать зимнюю погоду по летней еще сложнее: вероятность аналогичной и противоположной лету зимы одинакова (опять игра в «орла и решку»).

Проверка еще одной популярной приметы, «Лето - на холод, зима - на мороз», показывает, что она верна лишь в 45% случаев.

У автора нет ни малейшего желания уличать народные приметы в неточности, просто их, как и любое правило, нужно количественно проверять. В науке истина утверждается не авторитетом, пусть даже народа, а опытом и практикой.

Особенно интересны многочисленные долгосрочные приметы, которые, как и календарные, ориентируются на конкретную дату, но предназначены для предсказания погоды на какой-то отрезок времени после этого дня. Классическим примером таких примет является примета, связанная с 10 июля (по народному календарю - Самсон-сеногной): «На Самсона дождь - сорок дней тож». В книге А. А. Дмитриева и В. Н. Ягодинского «Москвичу о погоде», которую можно рекомендовать всем интересующимся влиянием погоды на здоровье и самочувствие, приведены данные количественной проверки этой приметы по материалам наблюдений в Москве за 31 год. Результаты проверки показали, что в 14 годах день 10 июля прошел без дождей, а в 17 годах в этот день были осадки. Количество осадков, выпавших с 10 июля по 28 августа, в первой группе лет составило в среднем 44 мм, а во второй группе - 71 мм, то есть было в 1,6 раза больше. Выходит, примета не лишена оснований, и она была бы еще надежнее, если бы рассматривался не один ключевой день 10 июля, а несколько дней, скажем 7 - 12 июля.

В существовании закономерности, подмеченной в примете на день Самсона, нет ничего сверхъестественного. Период 1 июля - 22 августа известен метеорологам как естественный синоптический сезон второй половины лета, а в соответствии с определением естественного синоптического сезона примерно в 75% входящих в него дней должна отмечаться близкая по характеру погода. Таким образом, если первые 5 - 10 дней сезона сухие, то можно ожидать, что и весь сезон будет засушливым. Это, конечно, не исключает отдельных дождей, но общее количество осадков в сезоне будет небольшим.

Можно перечислить великое множество примет такого типа, их обзор можно найти, например, в публикациях фенолога А. Стрижева в журнале «Наука и жизнь» за 1968 г. Однако следует отметить, что очень немногие долгосрочные приметы проверены количественно. Сам этот факт свидетельствует о том, что в научных прогнозах погоды они не используются, и вот почему. Долгосрочные приметы, как и календарные, представляют собой климатическое обобщение многолетних наблюдений за погодой. Поскольку год на год не приходится, достоверность долгосрочных примет имеет вполне определенный предел, который не может быть превзойден даже при сколь угодно тщательной обработке данных наблюдений. Соответственно и успешность прогнозов погоды, основывающихся на этих приметах, будет ограниченной. Чтобы ее повысить, следует ответить не только на вопрос, как происходят изменения погоды, но и на вопрос, почему они происходят. Перспективы научного подхода к прогнозу погоды открыл XVII в., когда атмосфера впервые стала рассматриваться как физическая среда.

НАУКА ИЗМЕРЯТЬ

Предтеча современной физики, универсал и энциклопедист Леонардо да Винчи однажды высказал следующую мысль: «...Мне кажется, что те науки пусты и полны ошибок, которые не порождены опытом, отцом всякой достоверности... если их начало или середина, или конец не проходят через одно из пяти чувств". Это высказывание свидетельствовало о том, что пришло время количественного анализа природы, и „наука измерять» стала равносильной «науке побеждать» в деле постижения ее законов. Однако понадобилось еще более 100 лет, чтобы мысль Леонардо да Винчи, столь понятная нам сейчас, утвердилась и считалась неоспоримым правилом. Фактически же эта идея великого ученого раньше всего была признана в Италии, где в семнадцатом столетии герцогом Тосканским, который вел свой род от покровителя искусств и науки Лоренцо Медичи, была основана Флорентийская академия опыта.

Немалое место в деятельности Академии отводилось изучению свойств атмосферы. Впервые воздух исследовали наравне с другими физическими телами. Но перешагнуть через аристотелевскую концепцию абсолютной легкости воздуха, признать его материальным, а значит и имеющим вес телом, было нелегко. Даже на исходе XVII столетия один из авторов газовых законов, французский физик Эдм Мариотт, признавался: „...было очень трудно поверить, что он (воздух) обладает весом ...ибо, когда он располагается поверх воды и всех других жидкостей, приписывают это движение снизу вверх свойству абсолютной легкости".

Доказал, что воздух имеет вес, ученик Галилео Галилея и его друг Эванджелиста Торричелли, но для этого ему пришлось поспорить с любимым учителем... Однажды во Флоренции рыли колодец. Вода наконец показалась, но очень глубоко - на глубине более 10 м. Для ускорения подъема воды решили качать ее наверх вакуумным насосом, но она почему-то не пошла, хотя из других колодцев, правда менее глубоких, прекрасно подавалась точно такими же насосами. Для разрешения этой загадки обратились к ученым Флорентийской академии опыта (как рано стали доверять науке!), и Галилей объяснил наблюдаемое явление тем, что столб воды обрывается под собственной тяжестью. И вот тут-то Торричелли позволил себе не согласиться с ним: не столько большая тяжесть воды препятствует ее подъему, сколько недостаточная тяжесть воздуха, думал он. Когда в насосе создается разрежение, атмосфера всем своим весом «налегает на воду в колодце и заставляет ее подниматься по трубе, заполняя образовавшуюся пустоту. С каждым ходом насоса вода будет подниматься по трубе все выше, но лишь до тех пор, пока ее вес не станет равным весу такого же по диаметру столба воздуха, простирающегося от уровня грунтовых вод до верхней границы атмосферы. Столб воды при этом достигнет высоты около 10 м, и что бы мы ни делали с насосом, выше не станет: воздух уже не сможет перевесить накачанную воду.

В 1652 г. Отто фон Герике, хорошо знакомый нам еще со школьных лет по опыту с «магдебургскими полушариями», сделал следующий решительный шаг: он приспособил водяной столб, заключенный в вертикальную трубу, для измерения колебаний веса воздуха. Так родился прибор, названный потом барометром, но сам Герике любовно называл его погодным человечком. Дело в том, что на поверхности водяного столба плавала деревянная фигурка человека, она поднималась или опускалась вместе с водой в зависимости от того, росло или падало давление воздуха (то есть его вес, приходящийся на единицу площади). Рука человечка указывала на примитивную шкалу с делениями, по которой в любой день можно было узнать, какое сегодня давление, и сравнить его, например, со вчерашним. И вот тут-то открылись интересные вещи!

Оказалось, что вес воздуха над пунктом измерений не постоянный, в атмосфере проходят какие-то волны давления и, главное, эти волны довольно четко связаны с погодой: при низком давлении часто идет дождь, при высоком - светит солнце (вот почему человечек «погодный»!). Теперь-то мы знаем, что замеченные Отто фон Герике волны давления являлись следствием прохождения через пункт наблюдения циклонов и антициклонов. Немецкий физик впервые обнаружил их инструментально, хотя и не знал, что они связаны с прохождением атмосферных вихрей. Однако по уменьшению высоты водяного столба в барометре он уже смог предсказать за 2 ч приближение сильной бури к Магдебургу 9 ноября 1660 г. И она действительно разразилась!

Связь между колебаниями «высоты» барометра и резкими изменениями погоды была настолько очевидной и впечатляющей, что ученые увидели в барометре универсальный инструмент для отгадывания ее тайн. Наш знаменитый соотечественник Ломоносов надеялся, что барометр произведет в метеорологии такую же революцию, как и телескоп в астрономии. В своем «Письме о пользе Стекла» он с восторгом писал:

...Уже в Стекле нам Барометры
Хотят предвозвещать, коль скоро будут ветры,
Коль скоро дождь густой на нивах зашумит,
Иль, облаки прогнав, их солнце осушит.
Надежда наша в том обманами не льстится:
Стекло поможет нам и дело совершится.
Открылись точно им движения светил;
Чрез то ж откроется в погодах разность сил.

Характер погоды стали считать целиком зависящим от давления. На барометрах появились уверенные надписи «сушь великая», «шторм» и другие. Между тем изменения погоды связаны не только с колебаниями давления, и когда барометр «ошибается», это означает, что ошибаемся прежде всего мы сами, приписывая зависимости погоды от давления абсолютный характер. При прогнозе погоды по местным признакам надо учитывать, как минимум, изменения давления, температуры воздуха, направления ветра и форму облаков.

Работать с водяным барометром было, конечно, неудобно, поскольку основной частью этого прибора была длинная и очень громоздкая трубка. Для уменьшения длины трубки требовалось применение какой-то более тяжелой жидкости. Торричелли еще раньше предлагал для этого ртуть. Высота столбика ртути в запаянной сверху стеклянной трубке барометра новой конструкции была меньше метра (удельный вес ртути в 13,6 раза больше, чем удельный вес воды), снизу трубка погружалась в небольшую чашку со ртутью. Таким образом был создан довольно компактный прибор для измерения давления воздуха - ртутный чашечный барометр, с которым уже можно было путешествовать.

Этим не замедлил воспользоваться Паскаль: его интересовало, понижается ли давление воздуха в горах. Если мы действительно живем на дне воздушного океана, полагал ученый, то над горами он мельче, а над долинами глубже, что и должен отразить барометр. В 1647 г. Паскаль послал письмо своему родственнику Перье из Клермона, в котором попросил его провести опыт. И вот 19 сентября 1648 г. Перье отправился к подножию ближайшей горы, захватив с собой два ртутных барометра и... еще одного родственника. Перье поднялся на вершину, а его родственник остался внизу, и они одновременно сделали отсчеты со своих приборов. Оказалось, что у подножия горы столбик ртути в барометре стоял на отметке 26 парижских дюймов, а на вершине - 23 дюйма. Предположение о существовании воздушного океана подтвердилось.

Опыт Паскаля подсказывал, что с помощью барометра можно определять разность высот двух точек на земной поверхности. Барометрический способ определения высоты места применяется и сейчас, но для этой цели используется другой барометр - анероид, он менее точен, но гораздо более удобен для транспортировки, чем чашечный. В анероиде приемником атмосферного давления является гофрированная металлическая коробка, из которой выкачан воздух. При понижении давления она расширяется, при повышении - сжимается, и в результате ее деформации по шкале прибора передвигается стрелка. Идея создания анероида также возникла в богатом изобретениями XVII в. и принадлежала немецкому физику и математику Готфриду Лейбницу, однако изготовить работоспособный анероид удалось только в середине XIX в. С тех пор он стал нашим домашним прибором, но на метеорологических станциях атмосферное давление по-прежнему отсчитывают по более точному чашечному барометру.

Долгое время высоту столбика ртути измеряли в дюймах, затем перешли на единицу метрической системы мер - миллиметр. Эта единица популярна и сейчас, в частности, в газетных публикациях и радио- и телевизионных передачах, сообщая сведения об атмосферном давлении, упоминают именно миллиметры ртутного столба. Однако метеорологи уже давно применяют для измерения давления воздуха другую единицу, потому что она является настоящей физической мерой давления, ведь давление - это сила, приходящаяся на единицу площади. В Международной системе единиц (СИ) сила выражается в ньютонах (Н), а площадь - в квадратных метрах, и следовательно, единица давления равна 1 Н/м2. В честь французского ученого она названа паскалем (Па).

Атмосферное давление принято измерять в сотнях Паскалей, или гектопаскалях (гПа). Перевод миллиметров ртутного столба в гектопаскали и наоборот осуществляется очень просто:

Р (гПа) = 1,33317 Р (мм рт.ст.),
Р (мм рт.ст.) = 0,75008 Р (гПа),
или примерно
Р (гПа) = 4/3 Р (мм рт.ст.),
Р (мм рт.ст.) = 3/4 Р (гПа).

Нормальным давлением на уровне моря считается 760 мм рт.ст., или 1013,2 гПа.

В показания ртутного барометра обязательно вводятся поправки, иначе нельзя сравнивать между собой значения давления, полученные на разных станциях, а это совершенно необходимо при анализе и прогнозе погоды. Таких поправок три: на температуру, на силу тяжести и инструментальная.

Температурная поправка связана с тепловым расширением ртути (при одном и том же атмосферном давлении ртутный столбик будет тем выше, чем выше температура воздуха, а значит, и самого барометра). Показания всех барометров приводят к одной температуре, то есть исправляют их на величину, при которой столбик ртути достигает такой же высоты, какой она была бы при температуре воздуха 0°С.

Сила тяжести зависит от широты места: на полюсе она максимальна, а на экваторе минимальна. Следовательно, при одинаковом давлении воздуха ртуть будет сильнее притягиваться Землей на полюсе, и показания барометра здесь будут меньше, чем на экваторе. Чтобы ликвидировать влияние этого эффекта, показания всех барометров приводят к одной широте - 45°.

Инструментальная поправка зависит от технических характеристик конкретного прибора, например от незаметных на глаз искажений формы стеклянной трубки.

Исправленные показания барометра уже кое на что годятся. По ним можно судить о благоприятных и неблагоприятных днях для больных сердечно-сосудистыми заболеваниями, сильнее притягнастраивать бортовые высотомеры самолетов, пытаться предсказывать погоду в пункте наблюдения, но для составления карт погоды по большим территориям даже исправленных данных барометра оказывается недостаточно. Показания барометров нужно привести к давлению на уровне моря. Зачем это делается?

В горах, как установил Паскаль, давление воздуха ниже, чем на равнинах. Если нанести на карту погоды значения давления, не приведенные к уровню моря, то на ней будут в основном вырисовываться горы и равнины, а не крупномасштабные области пониженного и повышенного давления в атмосфере - циклоны и антициклоны, от которых зависит погода. Диаметр этих вихрей, как мы выяснили ранее, превышает 1000 км, и они могут одновременно охватывать и горную цепь, и обширную низменность. Понятно, что, если показания барометров не приведены к давлению на уровне моря, то из-за сложного рельефа местности очертания таких вихрей на карте будут существенно искажены, а то и вообще замаскированы.

Приведение к давлению на уровне моря основано на закономерности, открытой Паскалем. Известно, что в нижних слоях атмосферы увеличению высоты на 8 м (эти 8 м называются барической ступенью) соответствует понижение давления на 1 гПа, поэтому формула для приведения давления выглядит так:

P₀ = P_s + h/8,

где P₀ - давление на уровне моря, Р_s - давление, наблюдаемое на станции, h - высота места над уровнем моря. (Эта формула используется только для величин давления, выраженных в гектопаскалях!)

Барометр сыграл колоссальную роль в деле становления прогнозов погоды. Со времени его изобретения и до второй половины XIX столетия, то есть в течение двух веков, показания барометра были практически единственным количественным признаком изменений погоды. Сложилась целая система «предсказаний одного наблюдателя», как назвал ее историк метеорологии А. X. Хргиан. Однако следует признать, что и с позиций современной науки давление воздуха является важнейшей характеристикой состояния атмосферы, поскольку от его географического распределения полностью зависят направление и скорость перемещения воздушных масс.

В XVII в. были изобретены и сконструированы первые образцы всех основных метеорологических приборов: термометра, гигрометра - прибора для измерения влажности воздуха, дождемера, флюгера и анемометра - измерителя скорости ветра. Не имея возможности рассказать здесь обо всех этих приборах, позволим себе рекомендовать читателю интересную и единственную в своем роде книгу А. X. Хргиана «Очерки развития метеорологии». В данной же книге мы остановимся на некоторых эпизодах истории термометра, уделив особое внимание тем из них, которые связаны с созданием температурных шкал.

Первый термометр (термоскоп) создал Галилей. Это была вертикальная стеклянная трубка с полым шаром на конце, другой конец которой погружался в воду. Хотя по конструкции термоскоп был похож на первые барометры, между ними было одно принципиальное различие - воздух из трубки с шаром не откачивался. Именно он служил приемником температуры окружающей среды: при понижении температуры воздух в шаре сжимался и вода немного поднималась по нижнему концу трубки, при ее повышении происходило обратное. Нетрудно догадаться, что показания термоскопа зависели не только от температуры, но и от давления окружающего воздуха, хотя и в меньшей степени, чем показания барометра. Для исключения влияния давления нужно было сделать приемником температуры воду и заключить ее в герметический резервуар. В 1631 г. была высказана идея создания такого термометра (она принадлежит французскому врачу Жану Рею), а уже в 1641 г. во Флоренции выпускались (чуть ли не серийно!) довольно совершенные термометры, в которых воду заменили спиртом, так как температура его замерзания ниже температуры замерзания воды, а трубку сверху запаяли. Наконец, в 1715 г. немецкий физик Габриель Фаренгейт стал изготавливать ртутные термометры, показания которых очень хорошо согласовывались.

В настоящее время существует несколько видов ртутных и спиртовых термометров, с их помощью измеряют срочную температуру воздуха и почвы (то есть температуру, наблюдаемую в установленные сроки), а также минимальную и максимальную температуру за какой-либо период. Кстати, максимальный термометр всем хорошо знаком, это обычный медицинский термометр, продающийся в аптеках. У океанологов есть оригинальный опрокидывающийся термометр, фиксирующий температуру воды на заданной глубине.

Гораздо труднее далось изобретение надежной шкалы для термометров. Первым требованием, предъявляемым к приборам любого типа, является сравнимость показаний всех имеющихся экземпляров. Для этого приборы тарируют, то есть сравнивают их показания с показаниями эталона. У первых изобретателей термометров эталона, естественно, не было, и они придумали обходной маневр. Суть этого маневра заключалась в следующем: нужно было найти хотя бы один физический процесс, температура которого всегда и везде постоянна, затем отметить на еще пустой шкале высоту столбика ртути при данном процессе, а от этой точки уже и вести градуировку вниз и вверх. Лучше, если на шкале будут две опорные точки: они ограничат постоянный интервал, который можно поделить на любое удобное число градусов.

Первая опорная точка для шкалы термометра - температура таяния льда - была предложена во Флорентийской академии опыта. Вскоре появились и другие предложения: температура плавления анисового масла (Роберт Бойль), температура кипения спирта (Эдмунд Галлей, именем которого названа известная комета), температура человеческого тела (Исаак Ньютон) и даже температура глубокого погреба! Разнообразие предложений породило и разнообразие шкал. Первой температурной шкалой, надолго завоевавшей популярность, была шкала Фаренгейта. Этот искусный изготовитель термометров в 1724 г. указал три опорные точки на шкале: температура смеси воды, льда и поваренной соли (0° F), температура тающего льда (32 °F) и температура тела человека (96 °F). Температура кипения воды при этом составляла 212 °F. Хотя относительность первой и последней опорных точек очевидна, шкала Фаренгейта счастливо дожила до наших дней. Среди телеграмм погоды, поступающих из некоторых англоязычных стран, часто попадаются такие, в которых температура указывается в градусах Фаренгейта, несмотря на то что еще в 1872 г. международная конференция метеорологов в Лейпциге рекомендовала шкалу Цельсия как основную. Вот она, сила традиции!

В 1730 г. французский естествоиспытатель Рене Антуан Реомюр представил в Парижскую академию наук метод изготовления спиртовых термометров с новой 80-градусной шкалой. Опорная точка на этой шкале была одна - температура таяния льда, и относилась она к 0 °R. Выше и ниже этой точки градуировка велась пропорционально объему спирта (при условии, что его увеличение на 1/1000 соответствует повышению температуры на 1 °R). Температура кипения воды, как показывали результаты измерений, составляла 80 °R. Однако вскоре в расчете шкалы Реомюра нашли ошибки: во-первых, при разной температуре спирт расширяется неравномерно, поэтому градуировка на шкале также должна быть неравномерной; во-вторых, температуру кипения воды (верхний предел шкалы) Реомюр определял с незапаянным термометром, отчего спирт испарялся и установить ее правильно было невозможно. К счастью, в 70-х годах XVIII в. появились ртутные термометры с 80-градусной шкалой Реомюра, у которых отмеченные недостатки были устранены, и они на долгие годы стали основным термометрическим прибором в некоторых странах Европы, в том числе и у нас в России. В Главной физической обсерватории в Петербурге - первом метеорологическом институте в России (теперь Главная геофизическая обсерватория) - термометры Реомюра использовались до 1869 г.

Шкала Андерса Цельсия, профессора астрономии из Упсалы (Швеция), в конечном итоге одержавшая победу над всеми остальными шкалами, число которых быстро дошло до шестидесяти, была предложена им в 1742 г. Этот же ученый окончательно обосновал преимущества ртутного термометра и, главное, остановился на двух надежных опорных точках - температуре таяния льда (100°) и температуре кипения воды (0°). Да, да, здесь не опечатка: первая шкала Цельсия была перевернутой, и отрицательных значений температуры на ней не было. Однако уже в 1745 г. известный ботаник Карл Линней поменял опорные точки местами и термометр Цельсия приобрел знакомый нам вид.

Унификация наблюдений за температурой воздуха и переход всех метеорологических служб к наблюдениям по термометру Цельсия продвигались с трудом и не закончены по сей день. Поэтому прежде чем использовать, скажем в научной работе по изучению колебаний климата, богатые данные, накопившиеся за последние 250 лет, надо привести их к «общему знаменателю».

Формулы перевода значений температуры Т по шкалам Реомюра (° R) и Фаренгейта (° F) к шкале Цельсия (° С) следующие:

Т °С = 5/9 (Т °F - 32),
T °F = 1,25 T°R.

Казалось бы, достаточно шкал! Но есть еще одна, причем она является основной при изучении атмосферы с помощью строгого математического аппарата современной физики. Это термодинамическая шкала английского физика Уильяма Томсона (Кельвина), в которой абсолютный нуль (0 К) - он соответствует - 273,16° C - присвоен самой низкой физически возможной температуре вещества. Эта температура достигается при полном прекращении теплового движения молекул, и следовательно, температуры ниже абсолютного нуля в принципе быть не может. Эксперименты по сверхнизким температурам показали, что и абсолютного нуля достичь невозможно: в любых условиях сохраняется хотя бы ничтожная часть кинетической энергии молекул. Абсолютный нуль - все-таки самая надежная опорная точка, потому что температура кипения и температура замерзания воды - величины отнюдь не постоянные. Точка кипения в значительной мере зависит от давления воздуха. Существует даже способ определения высоты места над уровнем моря по температуре кипения воды. Температура замерзания воды, в свою очередь, зависит от ее химического состава: чем больше солей в воде, тем ниже эта температура.

Таким образом, два с половиной века были потрачены учеными на изобретение надежных метеорологических инструментов и разработку единых правил метеорологических наблюдений. Но без этих усилий, без создания точных термометров и барометров, дальнейшее движение науки о прогнозах погоды было бы совершенно невозможным.

Как ни хорош был барометр для предсказания изменений погоды, метеорологи прекрасно понимали, что наблюдений за давлением в одном пункте явно недостаточно. Ведь области пониженного и повышенного давления, с которыми связана погода, имеют очень большие размеры и перемещаются в соответствии с определенными законами. Для того чтобы лучше понимать сущность этих законов, нужно научиться обозревать погоду сразу на большом пространстве - строить карты погоды.

Еще герцог Тосканский поручил Флорентийской академии опыта заняться этим вопросом, и его секретарь иезуит Антинори с 1654 г. сумел организовать наблюдения на девяти станциях Европы (в основном это были итальянские станции), самая далекая из них находилась в Варшаве. Организованная Антинори сеть станций работала до 1667 г., когда была закрыта и Академия. Неизвестно, были ли сделаны в результате наблюдений какие-нибудь выводы, но важен сам факт создания первой сети метеорологических станций.

Следующую попытку создать метеорологическую сеть предприняли англичане в 1723 г. В то время они ближе всех стояли к решению проблемы кооперации науки: еще в XVII в. было основано Лондонское королевское общество для организации и поощрения в стране научных исследований. Секретарь общества, врач и физик Дж. Джюрин обратился к ученым разных стран с «Приглашением», в котором содержался призыв вести метеорологические наблюдения и отсылать их результаты в Лондон. В этом документе была дана подробная инструкция, что и по каким приборам наблюдать, и даже была разработана стандартная форма таблицы наблюдений. Что же в ней было? Высота ртути в барометре в дюймах и температура воздуха по спиртовому термометру в неотапливаемой комнате, направление ветра и его сила в баллах (1 балл - слабое движение воздуха, а 4 - сильная буря), общий вид неба и «история» погоды и, наконец, толщина слоя выпавших осадков в дюймах. Неплохой список для начала! Плохо было только одно: Джюрин не установил единых сроков наблюдений, поэтому данные такой сети станций годились исключительно для изучения климата, никакой карты погоды - этого моментального «снимка» атмосферы - по наблюдениям, проведенным в разное время, не составить. Сеть Джюрина, которая держалась только благодаря добровольному сотрудничеству ученых, в том числе и русских, успешно проработала до 1735 г.

Примерно в то же время в России возникла своя сеть станций, причем в совершенно неожиданном месте - в Сибири. Великая Северная экспедиция, задуманная еще Петром I, охватила наблюдениями огромные пространства от Екатеринбурга до Якутска. Инструкция для наблюдателей была составлена в 1732 г. самим Даниилом Бернулли - членом Петербургской Академии наук, одним из основоположников гидродинамики, принципы которой широко применяются в современных методах прогноза погоды. Благодаря наблюдениям, проводившимся на сибирской сети станций, были получены ценные научные материалы (станция в Якутске, например, действовала до 1749 г.), однако сохранилась лишь незначительная их часть, и эти материалы - единственное свидетельство о климате Сибири в XVIII столетии.

Казалось бы, довольно логично было потребовать от наблюдателей единых сроков наблюдений, но такое решение было принято лишь в 1781 г. в тихом городке Мангейме на берегах Рейна. В этом городе произошло важное для метеорологии событие - в Академии наук и изящной словесности курфюрста Пфальцского было основано первое в истории метеорологическое общество. Деятельность общества с самого начала ориентировалась на широкое международное сотрудничество: по его программе действовало 39 станций - от Кембриджа в США до Урала (каковы масштабы для XVIII века!). Но главное, в этой программе были указаны четыре единых срока наблюдений - 7, 11, 14 и 21 ч. Кроме того, общество снабжало добровольных наблюдателей одинаковыми по конструкции и шкалам приборами, что было очень важно (вспомним о разнообразии методов и средств наблюдений за температурой воздуха в те времена).

В 1799 г. мангеймское метеорологическое общество прекратило свое существование. Началась эпоха наполеоновских войн, надолго разъединившая Европу. Было не до наблюдений, но даже если они и велись, работа почты - единственного канала связи - постоянно нарушалась из-за бесконечных изменений государственных границ и возникновения все новых политических коалиций. Однако, несмотря на кратковременность своего существования, мангеймское общество по сути сумело заложить основные принципы работы современной метеорологической сети: единовременность и единообразие наблюдений по стандартным приборам. Не было лишь одного - быстрого способа сбора информации. Если бы он существовал, то уже тогда можно было бы начать серьезный разговор об использовании единовременных наблюдений в прогнозах погоды. Эту возможность принес XIX в. спустя семьдесят с лишним лет после принятия мангеймской программы. Толчком к организации постоянной и оперативно действующей сети метеорологических станций послужили драматические события на юге России - Крымская война и, в частности... Но предоставим слово очевидцам.

Вот что пишет один русский путешественник в газете «Одесский вестник» за 1854 г.:

«В этот день находился я верстах в 60-ти от Симферополя, в степной части Крыма, и собирался возвратиться в город... На рассвете, 2-го ноября (по старому стилю. - А. У.), после небольшого дождя, было тепло и тихо; к юго-западу только виднелась, вдали, полоса черных туч. Ветра почти не было, но с восьми часов подул сперва восточный ветер, быстро превратившийся в юго-западный, тучи быстро находили, засверкала ослепительная молния, раздались удары грома и, вслед за ужаснейшим ветром, полился такой ливень, что по ровной степи в несколько минут образовались реки... Ветер на несколько минут утих, будто для того, чтоб собраться с силами и пронестись ужаснейшею, всеразрушающею бурей, такой бурей, которой, повторяю, никто не припомнит. Эта буря в степях началась около десяти часов утра и продолжалась до шести часов вечера...»

Силу ветра тогда оценили в 30 - 35 м/с.

А вот письмо французского флотского офицера с фрегата «Санэ», помещенное в газете «Северная пчела»:

«Сначала дело шло не очень дурно. Правда, что фрегат прыгал как щепка, но мы продвигались вперед. Но в десяти часах от Херсонеса встретила нас буря, какую я только видел у мыса Горна. Вы можете себе составить о ней понятие, когда я скажу, что одна из наших 30- фунтовых пушек... была подхвачена волною и с лафетом и со всеми принадлежностями переброшена за борт...»

У скалистого входа в Балаклавскую бухту, где стояли все морские силы экспедиционного корпуса англичан и ветер дул прямо на берег, было еще хуже. «Всякая мысль о горизонтальной поверхности моря, вся правильность волнения, казалось, были утрачены в кипящей и клокочущей массе, которая с громом разбивалась о неподвижные скалы... Среди этой ужасной пучины находилось около тридцати судов», - вспоминает в журнале «Морской сборник» командир английского корабля. Далее он с хладнокровием профессионального моряка описывает сцены гибели каждого судна... Всего англо-французский флот у берегов Балаклавы, Херсонеса, Качи и Бельбека потерял в этот день около 60 судов, убытки составили более 2 миллионов фунтов стерлингов, моральное состояние армии, осаждавшей Севастополь, по словам современников, не поддавалось описанию.

Знаменитая Балаклавская буря 2 (14) ноября 1854 г. нанесла такой ущерб англо-французской армии, что на метеорологию впервые обратили внимание не только ученые, но и государственные деятели. Собственно, это обстоятельство и стало решающим: метеорологическая служба получила твердое финансирование, кроме того, перед ней были поставлены ясные цели, главной из которых был, конечно, прогноз, предсказание стихийных бедствий.

Хотя французы пострадали меньше англичан, именно они первыми сделали правильные выводы. Военный министр Франции Вальян узнал, что эта буря за день до того, как она разразилась над Балаклавой, прошла над Средиземным морем, а значит, была не такой уж внезапной и при наличии средств оповещения ее можно было предсказать. С просьбой изучить все обстоятельства возникновения Балаклавской бури он обратился к известному астроному Урбену Леверье.

Судьба Леверье, талантливого и энергичного человека, была счастливой. Закончив в 1833 г. Политехническую школу в Париже, он целиком отдался проблемам небесной механики и в 1846 г. завершил большое исследование гравитационных возмущений движения самой далекой по представлениям того времени планеты Уран. Оказалось, что эти возмущения можно объяснить, предположив, что за орбитой Урана лежит орбита другой, еще неизвестной планеты. Так, чисто теоретически, «на кончике пера» был открыт Нептун. Параллельно идея о существовании Нептуна была высказана англичанином Джоном Адамсом, но Леверье оказался предприимчивее: он вычислил положение Нептуна на конкретные дни (эфемериды) и сообщил его координаты немецкому астроному Иоганну Галле, который в первую же ночь нашел планету на небе. Медлительный и основательный Адаме сначала рассчитал фундаментальные характеристики орбиты Нептуна, а эфемерид планеты передать астрономам-наблюдателям не успел, и только поэтому, несмотря на свой колоссальный труд и недюжинную научную интуицию, оказался лишь вторым в беспримерном научном марафоне XIX в.

Открытие Нептуна принесло Леверье неслыханную славу, и хотя его заслуги перед метеорологией вряд ли были меньшими, они остались как бы в тени великого астрономического достижения. А ведь именно Леверье суждено было стать основоположником современной службы погоды и впервые увидеть на географической карте те самые циклоны и антициклоны, о существовании которых раньше исследователи только догадывались... В 1854 г. во Франции не было более достойного претендента на пост директора Парижской астрономической обсерватории. Это первоклассное научное учреждение всегда занималось метеорологическими проблемами, поэтому изучение Балаклавской бури явилось естественным продолжением прежних работ обсерватории. Запросив метеорологов и астрономов всех стран Европы о погоде 12 - 16 ноября 1854 г., Леверье получил 250 ответов и на их основании проследил путь Балаклавской бури. После этого эксперимента необходимость постоянной сети метеорологических станций, которая позволяла бы быстро осуществлять сбор информации и оперативно оповещать моряков о надвигающихся бурях, стала для Леверье бесспорной.

Уже 16 февраля 1858 г. он представил проект такой сети станций императору Наполеону III и получил одобрение. А чтобы не быть голословным, энергичный астроном с помощью главного директора почт и телеграфа 19 февраля собрал метеорологические сведения по Франции и вечером того же дня представил Французской академии карту погоды на 10 ч утра! Это была первая в истории оперативная карта погоды. Телеграф наконец оживил метеорологические данные, достойно завершив труды, начатые еще во Флорентийской академии опыта. До сих пор синоптики всех стран называют свою работу живой, подчеркивая ее главное отличие от застывших на века климатологических обобщений, правда, и климат на Земле непостоянный, но об этом пусть расскажут другие.

Что же дала науке и практике оперативная карта погоды? Прежде всего, на карте видно, как выглядит область низкого давления, которую уже давно связывают с плохой погодой. Изобары - линии одинакового давления воздуха - очерчивают почти симметричный воздушный вихрь гигантских размеров. О том, что это именно вихрь, можно судить по оперенным стрелкам, показывающим направление ветра. На западе области низкого давления, над Англией ветры северные и северо-западные, в южной части они постепенно переходят к западным, на востоке и севере, хотя данных и мало, явно видны юго-восточные и восточные ветры. Таким образом, перед нами вихрь, воздух в котором вращается против часовой стрелки, а давление в центре понижено, - циклон. Название это, происходящее от греческого слова «циклос» (круг), появилось, правда, несколько раньше, в книге английского метеоролога Пиддингтона «Морская роговая книга законов штормов во всех частях света», вышедшей в 1842 г. Роговой она была названа, потому что к ней прилагались две прозрачные роговые пластинки, на которых были изображены схемы ветров, характерных для циклонов северного и южного полушарий. Приложив пластинку к навигационной карте, моряк по первоначальному направлению ветра мог определить, что его ждет в дальнейшем. Однако регулярное исследование циклонов по реальным ежедневным данным стало возможным лишь с появлением оперативных карт погоды.

Для предсказания будущего положения циклона достаточно иметь карты погоды за два последовательных срока. По таким картам определяется направление и скорость движения циклонов, а затем в зависимости от его типа прикидывается примерная траектория, на которой отмечается будущее положение центра вихря.

Карты погоды окончательно подтвердили одно очень важное правило, открытое чуть раньше голландским метеорологом Христофором Бёйс-Балло. Оно называется барическим законом ветра и связывает его направление с распределением атмосферного давления: если встать спиной к ветру, то центр циклона будет находиться слева и несколько впереди от наблюдателя (Помимо этого направление ветра, особенно в тех случаях, когда он слабый, зависит не только от распределения давления, но и от рельефа местности. Другое дело на высоте. Но во времена Бёйс-Балло о процессах в верхних слоях атмосферы практически ничего не знали).

Со времени составления первой карты погоды и до середины 30-х годов XX в. метеорологи пользовались только приземной информацией, что, как мы теперь знаем, чрезвычайно осложняло прогноз погоды. Однако и в этих условиях метеорологам удалось открыть множество общих и частных правил, которые легли в основу первого научного метода краткосрочного прогноза погоды, названного изобарической синоптикой. Изобарической, потому что исследовались атмосферные процессы примерно на одном уровне давления, то есть у поверхности земли. Синоптикой, или синоптической метеорологией, со второй половины XIX в. стала называться наука о закономерностях крупномасштабных процессов в атмосфере и прогнозах погоды. Этот термин появился одновременно с началом регулярного составления прогнозов, а следовательно, и синоптических карт, построенных по данным одновременных наблюдений («синопсис» по-гречески означает «одновременно обозреваемый»), и ввел его в научный лексикон человек с яркой и трагической судьбой, английский моряк и метеоролог Роберт Фицрой.

КАПИТАН ФИЦРОЙ

...Он родился в год Трафальгарского сражения, в год наивысшей славы английского флота. Эта слава далась Англии нелегко - она была оплачена жизнью одного из самых талантливых флотоводцев мира и самого почитаемого адмирала страны, Горацио Нельсона. Тогда, в 1805 г., в роду Фицроев еще свято чтились славные морские традиции предков, и, хотя родители будущего синоптика были людьми, совершенно несвязанными с морем, сама судьба указала Роберту путь моряка. На этом пути ему суждено было отдать свою жизнь, но не в бою за отечество, а в борьбе за научную идею, опередившую время, и за право сострадания и практической помощи своим собратьям по трудной и опасной профессии.

Морская карьера Фицроя началась блестяще. Двадцати трех лет от роду, едва став лейтенантом, он получил в командование гидрографический корабль «Бигль», но за это адмиралтейство потребовало от Фицроя действительно усердной службы. «Бигль» отправили производить картографическую съемку берегов в один из самых мрачных районов планеты - на Огненную Землю. Съемку приходилось вести на вельботах и баркасах под проливными дождями, даже костюмы из промасленного брезента, так затруднявшие каждое движение, промокали насквозь. Но главное - пронизывающий, сильный, монотонный ветер. Ветер и волны, ветер и волны... А сверху, задевая мачты, несется серая мокрая вата облаков. И так день за днем и месяц за месяцем... Предыдущий капитан «Бигля», Стоке, не вынес гнетущей атмосферы этих мест и после ряда странных поступков покончил с собой.

Фицрой был крепче, а может, просто моложе. Почти два года провел одинокий «Бигль» у южных берегов Америки, лишь изредка заходя в небольшие порты. Ревматизм, простуды, легочные заболевания считались на «Бигле» обычным явлением. Подступала цинга. Но молодой капитан был неизменно тверд, упорен и изобретателен на всякие предприятия, хотя бы и временно отвлекавшие измученных людей от повседневного кошмара.

Наконец 6 августа 1830 г. «Бигль» вышел из Рио-де-Жанейро, направляясь домой, в Англию. Репутация Фицроя как капитана была уже прочной, и адмиралтейство решило вторично послать его на «Бигле» к Огненной Земле. Но как бы в награду за перенесенные трудности Фицрою было предписано после гидрографических съемок этого неприветливого архипелага выйти в Тихий и Индийский океаны для точного определения географической долготы ряда точек на земном шаре, в чем очень нуждалась навигация. Вернуться в Англию исследователи должны были через Атлантический океан, и, таким образом, им предстояло кругосветное путешествие.

Биограф Фицроя Г. Е. Меллерш приводит в своей книге «Фицрой - капитан «Бигля»« следующую фразу из письма капитана: «Боясь упустить случай собрать ценные материалы и сведения во время экспедиции, я попросил главного гидрографа найти ученого, который захотел бы разделить все удобства и неудобства нашего плавания ради возможности посетить отдаленные и почти не изученные страны». Так встретились молодой, но уже достаточно опытный капитан Фицрой и еще более молодой выпускник богословского факультета Кембриджского университета Чарлз Дарвин...

Почему же Фицрой сделал именно такой выбор? Богослов был явно неординарен. Раньше он учился на медицинском отделении Эдинбургского университета и, как пишет в том же письме Фицрой, «очень увлекался геологией, как, впрочем, и всеми прочими отраслями естествознания». Итак, сам Фицрой выбрал Дарвина в попутчики, и уже этого было бы достаточно, чтобы прославить имя капитана на века.

Но вместе им было нелегко. Дело в том, что знаток Священного писания Дарвин родился на свет, чтобы опровергнуть его догмы, а для моряка Фицроя слово Библии было желанной истиной. Правда, в то время и такие, казавшиеся незыблемыми, истины подвергались проверке (в Англии многие священники занимались естественнонаучными исследованиями именно в этих целях). Как считал Г. Е. Меллерш, Фицрой неслучайно остановил свой выбор на Дарвине: он тайно надеялся, что верующий человек, являвшийся одновременно подающим надежды натуралистом, поможет найти геологические доказательства справедливости библейской легенды о сотворении мира... Какая поразительная ирония судьбы! Ведь результаты наблюдений, которые Дарвин проводил именно во время этого плавания, и привели его к созданию революционной теории происхождения видов, биологической эволюции на Земле, опровергавшей библейские догмы.

Уже на первой стоянке в Южной Америке Фицрой неоднократно пытался привлечь внимание Дарвина к некоторым геологическим объектам, возникшим, как предполагалось, вследствие всемирного потопа. Однако очень быстро выяснилось, что Дарвин не помощник капитану в его религиозных начинаниях, и только большая внутренняя культура обоих исследователей, несмотря на вспыльчивость Фицроя и юношеский задор Дарвина, позволила им остаться соратниками в этой экспедиции. Серьезные разногласия между ними возникли позднее, после плавания.

Дарвин испытывал к Фицрою глубокое уважение, его поражала, прежде всего, целеустремленность и воля капитана: «Мне раньше не доводилось встречать человека, которого я мог бы вообразить Нельсоном или Наполеоном... ему по силам любое высокое и великое деяние. Его власть над людьми поразительна: если его не знать, просто невозможно представить, какое действие оказывает на всех, и матросов и офицеров, его малейшее порицание или похвала... Его прямота и искренность беспримерны, но почти таковы же (употреблю его собственные слова) «тщеславие и раздражительность». Эти последние качества я уже почувствовал на себе, но ему все прощаешь... В целом он - самая сильная личность из всех, с кем мне довелось встречаться в жизни». В этом письме Дарвина, конечно, чувствуется молодая восторженность, но уберите ее - и перед вами предстанет образ типичного первопроходца, каковым Фицрою суждено было стать через 20 лет.

Историческое плавание «Бигля» продолжалось 4 года 9 месяцев и закончилось 3 октября 1836 г. После этого подолгу в море Фицрой уже не бывал. Он был членом парламента, старейшиной английской лоцманской ассоциации, исполняющим обязанности инспектора управления по охране рек и лесов (как рано осознали в Англии необходимость экологических мер!) и даже губернатором Новой Зеландии. На последнем посту, который отнюдь не был предназначен для честного и откровенного человека, Фицрой не преуспел. Лучше всех высказался об этом бывший начальник Фицроя адмирал Кинг: «Бедняга, он оказался жертвой своих принципов». Добавим - принципов гуманизма. Еще с дороги Фицрой писал Кингу: «Мы с женой едем туда по доброй воле, уповая на Всевышнего и горя желанием принести пользу коренным новозеландцам. Не думаю, что с ними возникнут какие-нибудь затруднения, зато от белых я не жду ничего хорошего». Для колониального губернатора такая позиция, конечно, была непростительной. Лишь два года продержался Фицрой в Новой Зеландии, да и то потому, что очень далека она от Англии.

В 1853 г. после конференции главных морских держав в Брюсселе, на которой обсуждались принципы и виды метеорологических наблюдений на море, в Англии было принято решение открыть должность метеоролога-статистика и дать в его распоряжение несколько помощников. Лондонское королевское общество, в котором Фицрой к тому времени состоял как гидрограф, безоговорочно высказалось за назначение на этот пост именно его. Так открылась последняя страница жизни капитана - блестящая и трагичная.

Сначала Фицрой действительно занимался статистикой морских наблюдений и на основании полученных данных составил климатические описания различных районов Мирового океана, уделив особое внимание направлению и силе ветра. Сопоставляя сведения о повторяемости ветров различных направлений, он построил серию диаграмм, названных им «звезды ветров» (теперь говорят «розы ветров»). Основную пользу для моряков от этих «звезд» Фицрой видел в том, что они позволяют проложить оптимальный курс корабля и, главное, увеличить безопасность мореплавания. Надо сказать, что последнее особенно заботило Фицроя-метеоролога, поскольку на первом месте для него всегда был человеческий фактор, а затем уже - научный интерес. Он не мог не понимать, что польза от занятий климатологией весьма ограниченна, и мечтал о предсказаниях погоды, хотя это выходило за рамки официально установленных задач метеоролога-статистика.

На свой страх и риск, используя средства частных благотворителей, Фицрой налаживает производство барометров для рыбаков и составляет руководство, в котором общедоступным языком описывает способ наблюдений за давлением с помощью этих приборов и объясняет правила прогноза погоды по изменениям давления.

Осенью 1859 г. произошел случай, который окончательно увел Фицроя от метеорологической статистики: в Ирландском море, около острова Англси, жестокий шторм разбил на прибрежной мели корабль «Ройял чартер», погиб весь экипаж. Эта трагедия, случившаяся у берега, вблизи крупных портов, глубоко потрясла Фицроя, утвердив его в мысли о том, что необходимо срочно организовать государственную службу штормовых предупреждений. Ему пришлось проявить необычайную настойчивость и употребить все свое влияние (к тому времени Фицрой был уже контр-адмиралом), чтобы добиться разрешения на организацию сети из 24 метеорологических станций, связанных телеграфом с Лондоном.

Как только сеть заработала и были построены первые английские карты погоды, названные Фицроем синоптическими, он сразу же приступил к составлению прогнозов погоды на ближайшие несколько дней и распространению их с помощью телеграфа. Ему хотелось, чтобы как можно больше людей знало о надвигающихся штормах, и вот уже солидная «Тайме» впервые в истории человечества помещает на своих страницах ежедневные прогнозы погоды. Оптимизм и энергия адмирала увлекают буквально всех, его служба погоды становится популярной не только в Англии, но и на континенте, сама королева Виктория обращается к нему с просьбой предсказать погоду на период увеселительной прогулки, а уж о рыбаках и говорить нечего - вся их работа строится на прогнозах Фицроя. Воодушевленный успехом, он за четыре месяца пишет «Книгу о погоде», в которой с жаром доказывает свой основной тезис: синоптические карты составляются не для того, чтобы знать погоду сегодня, а для того, чтобы предвидеть ее на завтра. Фицрой понимал, что наука еще несовершенна, но был уверен, что она должна, обязана приносить людям пользу сейчас, а не в далеком будущем.

Прав ли был Фицрой? Нужно ли было спешить с прогнозами погоды, имея на руках лишь очень несовершенную синоптическую карту? Это трудный и больной вопрос. Не только для метеорологов времен Фицроя, но и для нас - специалистов, имеющих на вооружении электронную вычислительную технику, метеорадары, спутники и многое другое. Имеем ли мы право ежедневно обнадеживать людей прогнозами, заведомо зная, что определенный процент их не оправдается?

Если отвлечься от эмоций, на этот вопрос можно дать точный, количественно взвешенный ответ: да, мы имеем это право, если использование наших прогнозов в хозяйственной деятельности дает в среднем положительный экономический эффект. Ну а если такого эффекта нет, зато спасено несколько человеческих жизней?.. В свое время мы еще вернемся к проблеме экономической эффективности прогнозов погоды, здесь же подчеркнем, что для Фицроя не существовало такого понятия. Он измерял ценность прогнозов не фунтами стерлингов, а спасенными жизнями. Фицрой хорошо понимал ограниченность своей научной методики, но не чистый разум, а совесть и сердце руководили поступками уже стареющего капитана... И если этого не понять, столь же необоснованными могут показаться усилия всех последующих поколений синоптиков. В том-то и заключается историческая драма метеорологии, что практические запросы всегда опережали ее научные возможности. Лишь в самое последнее время они вышли примерно на один уровень, да и то в ограниченной области прогнозов погоды на небольшие сроки.

Первые грозовые облака критики над головой Фиц-роя появились спустя два года после начала публикации прогнозов. «Тайме» писала: «…каждое утро мы делаем попытку предсказать погоду на ближайшие два дня. Не вменяя себе в заслугу отдельные успехи, мы вместе с тем не желаем нести ответственности за частые неудачи этих прогнозов. В последнюю неделю природа, видимо, получила особенное удовольствие, опровергая догадки науки». Отдавая себе отчет в несовершенстве методов Фицроя, нельзя не признать упрек газеты справедливым. Разве что тон заметки... Его трудно назвать доброжелательным. Именно это и раздражало Фицроя: неужели, думал он, нельзя понять, что «законы природы всегда истинны. Это неоспоримо. Просто мы еще не научились их правильно объяснять». Фицрой жаждал получить возможность спокойно продолжать начатое дело, потому что только активная работа приближает к истине.

Однако нападки газет становились все более вызывающими. Но главное, возникла угроза административной расправы с начальником метеорологического департамента, который, конечно же, нарушал данные ему инструкции: не был Фицрой метеорологом-статистиком, вернее, не ограничился этим - вот в чем состояла его «вина». Угнетало его и негативное отношение к прогнозам погоды со стороны ученых: Лондонское королевское общество благоразумно оберегало свою репутацию.

Но была и другая Англия... Вот отрывок из письма, пришедшего Фицрою из портового городка Силлот: «За текущий год метеорологическая станция в наших краях получила тридцать три телеграммы, предупреждающие о приближении шторма, и в двадцати шести случаях шторм пришел именно оттуда, откуда его ждали». В Торговый совет поступали положительные отзывы от страховой компании в Ливерпуле, из Манчестера, Гринвича, Глазго, Эдинбурга, Лита, Данди... Значит, экономически прогнозы Фицроя все-таки были полезны!

Но, видимо, было уже поздно. Психика Фицроя, надломившаяся под тяжестью многолетнего труда, газетных издевок и иронического недоверия, не выдержала... Вечером 29 апреля 1865 г. он вернулся домой как никогда возбужденный после разговора с американским гидрографом и метеорологом Мэтью Мори, долго стоял перед столом, на котором лежала развернутая газета, лег спать около 12 ночи, но наутро признался, что сон не освежил его. Еще не было 8 утра, когда Фицрой поцеловал спящую дочь, закрыл за собой дверь туалетной комнаты, взял бритву и перерезал себе горло...

Вскоре после трагической смерти Фицроя метеорологический департамент был закрыт и выпуск прогнозов погоды прекратился, поскольку, как выразились члены специальной комиссии, «еще нет научных оснований для ежедневных предсказаний».

Но современники Фицроя хорошо помнят и другое - как жены простых рыбаков и на севере Шотландии, и на юге Англии, вспоминая о «своем капитане», сокрушенно вздыхали: «Кто теперь позаботится о наших мужьях?» Это и есть самая справедливая оценка его благородного подвижничества.

СТУПЕНИ РОСТА

После блестящих успехов Леверье в организации оперативной службы погоды и пионерских усилий Фицроя в деле практического предсказания штормов во многих странах Европы и в США тоже появились государственные метеорологические службы и институты. Однако синоптическая карта с неумолимой ясностью показывала, что погода не признает государственных границ. И вот уже в 1873 г. в Вене проходит первый международный метеорологический конгресс, решения которого имели далеко идущие последствия. В метеорологии появилась единая система мер (не придерживались ее только Англия и США), были установлены единые сроки наблюдений, выработан единый телеграфный код для передачи метеосведений. Роль телеграфа в создании служб погоды оценивалась тогда настолько высоко, что синоптическую метеорологию называли метеорологической телеграфией. Наконец, на конгрессе были заложены основы Всемирной метеорологической организации, которая и сейчас координирует метеорологические исследования на Земле.

Труды Аристотеля, Галилея и Паскаля позволяют считать метеорологию древней наукой. Это действительно так, если речь идет просто о воздухе, но если говорить о прогнозах погоды, то метеорология еще совсем молода. Ведь только во второй половине XIX в. появилась реальная возможность изучать атмосферу как единую физическую среду, одновременно обозревая весь воздушный океан. Ранее для этого не было необходимых данных. Именно стремительный рост числа наблюдений, их повсеместность и рациональная организация привели впоследствии к открытию фундаментальных свойств атмосферы, о существовании которых метеорологи - одиночки прошлого не могли и предполагать.

Итак, в 1873 г. был сделан первый крупный шаг на пути к прогнозам погоды - метеорологи увидели лик атмосферы, правда пока еще туманный. А что же прогнозы погоды? С этим явно не спешили. Не все были такими альтруистами, как Фицрой, у большинства метеорологов преобладало другое и вполне справедливое чувство - они отдавали себе отчет в том, что стоят только на пороге науки, а прогноз, как правило, есть следствие, венец ее развития. Вспомним хотя бы прогноз существования планеты Нептун, сделанный на основе развития небесной механики. Или еще один пример. Можно ли было предсказать поведение ядерного реактора, да и просто сконструировать его, не зная структуры атома? Предвидение новых >химических элементов и даже их свойств стало возможным только после открытия Д. И. Менделеевым периодической системы элементов. Сложилась естественная последовательность этапов познания в науке: наблюдение - теория - прогноз.

В 70-е годы XX в. метеорология вступила лишь на первый этап познания, теории поведения атмосферы еще не существовало. И все-таки прогнозы погоды были очень нужны, поэтому сразу же после венского метеорологического конгресса специалистам был задан вопрос: наблюдение или прогноз? Часть метеорологов защищала прогноз, ибо без него метеослужба превращается в организацию, занятую исключительно самообслуживанием. Многие стояли за «простое телеграфное извещение о фактах», в лучшем случае - за предупреждение о серьезных бурях. Некоторые требовали (и не без оснований) до поры до времени категорически запретить прогнозы.

Но жизнь есть жизнь, и через 2 года 8 месяцев после смерти Фицроя вновь стали выпускаться прогнозы погоды, причем печатались они в той же «Тайме». Не отставала от своей бывшей метрополии и Америка, там дело было поставлено на коммерческую основу: бюллетени с прогнозами погоды распространялись по подписке, причем составлялись они с учетом самых разнообразных требований потребителей (иногда в ущерб точности прогнозов), чем и заслужили большую популярность. Число подписчиков бюллетеней к концу XIX в. достигло 9300. Во Франции дело подвигалось несколько медленнее. Разрешение на выпуск прогнозов погоды Леверье смог получить только через 9 лет после триумфа первой синоптической карты, после личного свидания с Наполеоном III. Но уже в 1877 г. 1230 сельских общин во Франции получали оперативные предупреждения о заморозках и других нежелательных явлениях природы.

Метеорологи других европейских стран старались уклоняться от составления прогнозов погоды либо давали их, придерживаясь крайне осторожных формулировок. Так, в Дании для прогноза существовало всего три формулировки: «хорошая погода», «неустойчивая погода» и «плохая погода». Берлинское Центральное бюро штормовых предупреждений, само название которого говорило о назначении этой организации, несмотря на давление сверху за 10 лет выпустило 9 (!) штормовых предупреждений. Только в 1876 г. реорганизованная метеорологическая телеграфная служба Германии опубликовала первый бюллетень с картой погоды и прогнозом для Северного и Балтийского морей.

Первая синоптическая карта в России, правда очень небольшая по охвату территории, была составлена в 1872 г. в Главной физической обсерватории. С самого начала деятельности обсерватории, то есть с 1849 г., она была не только местом наблюдений за погодой, проводившихся в Санкт-Петербурге, но и центром метеорологических исследований в России. К тому времени, когда в обсерватории были развернуты синоптические работы, в нее поступали телеграфные сообщения о погоде с 55 отечественных и 19 зарубежных станций. Организация службы погоды, выпуска ежедневного бюллетеня и составления штормовых предупреждений - заслуга моряка по профессии и метеоролога по призванию М. А. Рыкачева. Морское ведомство, как и во многих других странах, первым проявило, так сказать, официальный интерес к метеорологии. Еще до организации синоптических исследований в Петербурге установили штормовую сигнальную мачту, на которую при приближении шторма поднимали специальные конусы и цилиндры, а ночью - фонари.

Синоптическая карта значительно расширила возможности русской прогностической службы, ее результативность стала расти, но, конечно, постепенно - ведь для выработки правил прогноза нужно было время. В 1877 г., то есть вскоре после появления первой синоптической карты, правильный прогноз содержался в 62% всех разосланных русской прогностической службой оповещений о штормах, через 22 года число оправдавшихся прогнозов выросло до 79,5%.

Надо сказать, что приведенные цифры были характерны в то время для всех стран, в которых метеорология занимала передовые позиции. И по сей день уровень оправдываемости прогнозов погоды в развитых странах остается примерно одинаковым, хотя и растет с течением времени. Иначе и не может быть, так как эффективность метеорологических прогнозов, где бы они ни составлялись, зависит от степени изученности атмосферы над всем земным шаром, и если, скажем, плохо известны законы, управляющие погодой в тропиках, это отрицательно скажется на качестве прогнозов и в США и в России.

Следующий решительный шаг на пути к научным прогнозам погоды был сделан только через полвека после венского метеорологического конгресса. Длительный этап наблюдений за погодой и накопления фактов завершился их теоретическим обобщением. И произошло это в маленькой Норвегии, в самом конце первой мировой войны.

Со времен непоседливых викингов Норвегия жила и живет морем, поэтому, как и в Англии, прогнозы погоды на морях - важнейшее подспорье хозяйству этой страны. Между тем во время первой мировой войны Норвегия была практически лишена метеорологической информации, так как воюющие страны (а это были практически все страны Европы) держали ее в секрете.

В июле 1917 г. норвежец Вильгельм Бьеркнес, занимавшийся и ранее метеорологическими проблемами, вместе с сыном Якобом и ассистентом Сульбергом покидает геофизический институт в Лейпциге и приезжает в город Берген, расположенный на берегу неспокойного Норвежского моря, где, кстати, повторяемость циклонов самая большая в Европе. Здесь он организовывает свой геофизический институт, бывший, по его словам, «импровизированной службой погоды в Норвегии». Почему же так иронично - «импровизированной»? Дело в том, что В. Бьеркнес был теоретиком и весьма сдержанно относился к идее всякого прогноза погоды до завершения теоретического исследования атмосферы. Но, как и Фицрой, он оказался на поверку не только настоящим ученым, но и человеком, неравнодушным к трудностям своей страны. При составлении прогнозов погоды Бьеркнесу приходилось идти на известный компромисс с научной совестью - человеческий фактор вновь перевесил.

Но истинный ученый остается таковым всегда. Вместе со своим сыном, ассистентом Сульбергом и метеорологом Туром Бержероном Бьеркнес активно изучает циклоны по синоптическим картам и выделяет на этих картах две примечательные линии, на которых имеют тенденцию особенно сильно сходиться, или конвергировать, воздушные потоки. Но главное, что удается обнаружить Бьеркнесу, состоит в следующем: линии конвергенции разделяют в циклоне области теплого и холодного воздуха, более того, зоны дождей, шквалов и гроз тоже «привязаны» к этим линиям. Понятно, что открытие определенной локализации разных типов погоды внутри циклона позволило давать ее прогноз более точно. Как же удалось норвежскому исследователю и его сподвижникам увидеть на карте то, что скрывалось от других синоптиков более полувека? Все объясняется очень просто: здравым научным подходом к проблеме и, главное, тем, что в распоряжении Бьеркнеса имелись самые подробные в мире синоптические карты. Изолированной от источников метеорологической информации Норвегии не оставалось ничего другого, как организовать на своей маленькой территории очень частую сеть метеорологических станций. Это блестящий пример влияния количества информации на развитие метеорологии и качество прогнозов. Проблема информации тогда себя лишь обнаружила, а проявилась во всей полноте уже в наше время.

Итак, если на картах Леверье циклон выглядит однородным атмосферным образованием, то на картах, построенных норвежскими учеными, появился сложный рисунок распределения температуры воздуха, облачности и осадков (см. рис. после этого абзаца). Оказалось, что теплый воздух затягивается в циклон не по всей его восточной (правой) половине, а в достаточно ограниченном секторе, расположенном в южной и юго-восточной частях циклона между двумя линиями конвергенции. Облачность и осадки распределены в циклоне неравномерно. Обложные дожди выпадают преимущественно перед первой (восточной) линией сходимости воздушных потоков, а также в центре циклона.

Рис. Схема циклона и вертикальный разрез воздушных масс для теплого полугодия. Обозначения: 1 - центр циклона, 2 - изобара (линии равного давления), 6 - теплый фронт, 7 - холодный фронт, 8 - зоны сплошной облачности, 9 - морось, 10 - обложной дождь, 11 - ливневой дождь, 12 - гроза, 13 - шквал, 14 - туман; Cb, Ns, As, Cs, Ci - формы облаков.

Открытие и изучение линий конвергенции в циклоне, на которых резко меняются свойства воздушных масс, - главное научное завоевание норвежской метеорологической школы. Эти линии по аналогии с линиями на картах военных действий, еще очень памятных в послевоенные 1919 - 1921 гг., назвали атмосферными фронтами. Поскольку в умеренных широтах циклоны обычно перемещаются с запада на восток, через пункт наблюдений сначала проходит восточный фронт циклона, за которым поступает теплый воздух, поэтому этот атмосферный фронт был назван теплым. Затем к наблюдателю приближается западный, холодный фронт циклона, при прохождении которого температура воздуха резко падает.

Открытие атмосферных фронтов, прежде всего, позволило улучшить качество прогнозов погоды: зная направление и скорость смещения циклона, можно заранее вычислить время прохождения фронтов и сопутствующих им погодных явлений через пункт, для которого составляется прогноз. В научном плане работы норвежцев открыли эпоху фронтологического анализа погоды и стали основой фронтальной теории зарождения и развития циклонов. Принципы фронтологического анализа явились высшим достижением изобарической синоптики и были главной научной базой прогнозов погоды вплоть до конца 40-х годов нашего столетия.

Ступени роста, упомянутые в названии этого раздела книги, на нем видны очень ясно. Период 1935-1940 гг. дает представление о средней успешности прогнозов погоды, основывавшихся на принципах изобарической синоптики и фронтологического анализа. Она составляет всего лишь 60% несмотря на все перечисленные достижения науки. В технике прогнозов не хватало чего-то очень важного, что появилось в конце 40-х годов. Именно с этого времени отмечался бурный рост оправдываемости синоптических прогнозов: за 7 лет (1947 - 1953 гг.) она поднялась на 15%! Что же произошло?

Научно-технические достижения не рождаются на пустом месте, и в данном случае такой резкий скачок успешности прогнозов был предопределен исследованиями, начавшимися еще в XVIII в. В 1754 г. М.В. Ломоносов предлагает проект «аэродромической машинки», по существу представлявшей собой летательный аппарат тяжелее воздуха, «которая поднимала бы вверх термометры и другие малые инструменты метеорологические». Подняться в воздух этой «машинке» было не суждено, но идея не пропала, и уже в 1783 г. французский физик Шарль на воздушном шаре братьев Монгольфье проводит первые наблюдения за температурой и давлением воздуха до высоты 3467 м. Результаты наблюдений Шарля и других отважных ученых поражали: с высотой температура понижалась, а ветер усиливался и менял направление; внизу шел дождь, а вверху сияло солнце. Не следует сравнивать данные цифры, характеризующие оправдываемость прогнозов погоды, с приведенными ранее, так как они считались по разным методикам.

Во второй половине XIX в. разносторонний русский гений Д.И. Менделеев предпринял попытку установить общие законы изменения погоды с высотой, но до объективных оснований для открытия этих законов и тем более до их применения в прогнозах погоды тогда было еще далеко: требовались массовые и регулярные наблюдения в высоких слоях атмосферы.

История этих наблюдений, называемых аэрологическими, богата интересными техническими решениями: метеорологические приборы поднимали в воздух на воздушных шарах, аэростатах, воздушных змеях и самолетах. К 1930 г. многое из жизни верхней атмосферы было известно, но наблюдения все еще оставались эпизодическими и не использовались в прогнозах погоды. Оперативными и полезными для службы прогнозов их сделало радио, так же как за полвека до этого телеграф «оживил» информацию о наземной погоде, ставшую ос новой синоптической метеорологии. Но на сей раз важное для метеорологии событие произошло не в Париже, а под Ленинградом, в Павловске, где 30 января 1930 г. поднялся в небо первый в мире радиозонд, сконструированный П. А. Молчановым. Справедливости ради следует отметить, что мы были первыми, хотя и с минимальным преимуществом. Идея радиозондирования возникла одновременно в нескольких странах в связи с изобретением вакуумных радиоламп и легких радиопередатчиков - в мае того же 1930 г. метеорологические радиозонды поднялись в воздух под Парижем и Берлином. Однако достаточно частую мировую сеть аэрологических станций удалось создать лишь после второй мировой войны.

Именно это достижение и отражает первая ступень роста оправдываемости прогнозов погоды в 1946-1953 гг. Оперативный анализ трехмерной структуры атмосферы позволил открыть такие закономерности ее жизни, без понимания которых современная синоптика немыслима. Стало, например, значительно легче прогнозировать направление и скорость перемещения циклонов. Оказалось, что приземные барические центры движутся в соответствии с направлением ветра на высоте 5 км со скоростью, в два раза меньшей скорости высотного воздушного потока. Изучение вертикальной структуры атмосферных фронтов привело к созданию новых методов прогноза дождей и снега. Наконец, были открыты струйные течения - довольно узкие протяженные скоростные потоки на высоте 8-12 км, связанные все с теми же фронтами, что имело чрезвычайно важное значение для авиации.

Итак, в конце 40-х годов в синоптике были пересмотрены физические представления о формировании погоды, и то, что эти представления приблизились к истине, немедленно сказалось на качестве прогнозов.

Следующий резкий скачок качества прогнозов погоды приходится на 1961 - 1967 гг. К этому времени метеорологической информации стало так много, что синоптики не успевали ее обрабатывать за то короткое время, которое отведено на подготовку прогноза. Помощниками человека стали электронные вычислительные машины (ЭВМ). Сначала ЭВМ использовались для подготовки информации к прогнозу, но вскоре они стали составлять прогнозы погоды по схеме, разработанной человеком. Эта схема основывалась на применении теоретических законов гидромеханики и термодинамики для условий земной атмосферы. Таким образом, метеорология обрела свою теорию, которая оказалась, как свидетельствуют графики оправдываемости прогнозов, достаточно эффективной.

Без ЭВМ использование метеорологической теории в целях прогноза погоды невозможно, потому что для решения уравнений гидро- и термодинамики в современных условиях, при которых прогноз дается хотя бы даже на сутки вперед, требуется выполнить несколько миллиардов операций (арифметических действий). Причем такой трудоемкий счет нужно произвести всего за 2-3 часа, иначе прогноз погоды на следующий день будет составлен очень поздно и никому уже не понадобится.

Ровный ход оправдываемости прогнозов в течение 70-х годов означает, что несмотря на повышение уровня вычислительной технологии и даже появление метеорологических ИСЗ был достигнут некоторый предел возможностей метеорологической науки. В чем же здесь дело?

Для всякой численной схемы прогноза погоды необходима очень подробная информация о состоянии атмосферы в начале счета прогноза. ... Сеть аэрологических станций позволяет получать такую информацию, но только на суше. На океанах же среднее расстояние между такими станциями (островными и специальными кораблями погоды) в лучшем случае 1000—1500 км, а в некоторых районах — намного больше. Значит, на океанах наша информация о состоянии всей толщи атмосферы носит самый приблизительный характер. Вспомнив, что доля площади, занимаемой океаном, составляет на Земле 71%, мы поймем главную причину отсутствия прогресса в оправдываемости прогнозов погоды с конца 60-х годов: не хватает данных. Везде говорят об информационном взрыве, а метеорологи — об информационном голоде!

Вполне логично связать дальнейший прогресс оправдываемоести прогнозов с использованием данных метеорологических ИСЗ, ведь с их помощью можно собирать информацию со всей поверхности планеты, и даже океан им не помеха. Первые метеорологические ИСЗ были запущены еще в 60-х годах, и автор этой книги вместе с другими метеорологами искренне радовался первым изображениям облачности циклонов и фронтов, полученным из космоса. Наконец-то предмет твоих исследований непосредственно виден на фотографии! Но очень долгое время таким „взглядом со стороны" и приходилось ограничиваться. Дело в том, что телевизионная аппаратура ИСЗ способна наблюдать только за такими параметрами состояния атмосферы, как облачность и туманы. Конечно, и этого уже много. Спутниковые фотографии позволили, например, заблаговременно обнаруживать над морем тропические циклоны (тайфуны) — источник самых разрушительных бурь на Земле, по форме облаков можно уточнять положение атмосферных фронтов над океаном, прогнозировать перемещение циклонов, рассчитывать скорость ветра. Но все-таки тех данных, которые очень нужны для расчетов на ЭВМ,— о температуре, давлении и влажности воздуха на разных уровнях в атмосфере — с ИСЗ долгое время получать не могли. Только в самые последние годы появилась аппаратура (многоканальные радиометры), которая позволяет по излучению атмосферы в разных участках инфракрасной части спектра восстанавливать вертикальные профили давления, температуры и влажности воздуха. Таким образом, ИСЗ теперь в состоянии заменить радиозонды и собирать данные о вертикальной структуре атмосферы над любым участком поверхности земли. В этом заключается наиболее ценный вклад ИСЗ в решение проблемы прогноза погоды. Рост успешности прогнозов в 80-х годах в значительной степени был связан именно с передовой технологией сбора метеорологической информации. Справедливости ради следует отметить и заслуги ученых, создающих новые схемы прогноза погоды и продолжающих изучение атмосферы. Как бы совершенны ни были ЭВМ и ИСЗ, без понимания механизма формирования погоды ее прогноз будет малоуспешен. К анализу атмосферы как физической среды мы приступим в следующей главе.

Рейтинг публикации:

0




Комментарий от VP:
а сейчас для нас наиболее интересна информация - на последней странице.

Комментарии (0) | Распечатать

Добавить новость в: