Изобретай. Мысли. Твори.

«ПЕРЕДАЕМ СВОДКУ ПОГОДЫ...

Сейчас, как и тысячи лет назад, ничто не влияет столь заметно на жизнь каждого из нас, как погода— ее капризы и ее метаморфозы. У людей, к сожалению, по сей день нет (и, вероятно, никогда не будет) собственных, врожденных средств защиты от окружающих метеорологических условий.

Погода:

— влияет на наше настроение и самочувствие;

— вызывает многие недуги;

— диктует нам форму одежды при выходе из дому;

— определяет архитектуру наших жилищ;

— регулирует работу транспорта, особенно авиационного;

— командует сельским хозяйством;

— причиняет засухи, грандиозные наводнения, опустошительные разрушения городов и сел;

— нарушает ритм жизни целых государств.

Наверное, каждый без труда сможет продолжить этот перечень.

Погода, климат — это условия обитания человека. И вот, как это ни обидно, а на исходе двадцатого века — века атомной энергии, химии, электроники, автоматики, освоения космоса — приходится признать, что «царь природы» — Ьошо заргепз — не властен над погодой. Более того, чем глубже наука проникает в тайны погоды, тем яснее становится, что об управлении погодой в ближайшем будущем всерьез нечего и думать. Остается одно: прогнозировать ее поточней. Это чрезвычайно важно, ибо даже небольшое повышение точности метеорологических прогнозов позволит сберечь в масштабах нашей планеты тысячи человеческих жизней и миллиарды рублей.

Научиться точно прогнозировать погоду — одна из основных проблем науки, одна из самых древних проблем. Она так же стара, как само человечество. Людям понадобилось в какой-то мере предвидеть погоду, когда они перешли к оседлой жизни, занялись земледелием и скотоводством. Засухи и наводнения, ливни и ураганы, морские штормы и черные бури, запоздалые или ранние заморозки и другие стихийные бедствия зачастую уничтожали посевы и лишали людей пищи, корма для скота, а порой и крова. Нужно было заранее узнавать о ненастье или о погоде, которая благоприятствовала полевым работам.

Длительные наблюдения за погодой позволили еще задолго до нашей эры установить некоторые качественные связи между целым рядом атмосферных явлений. Возникло множество народных примет, причем существовали они в форме кратких правил, нередко — для лучшего запоминания — рифмованных. Они встречаются в сочинениях Аристотеля (384—322 гг. до н. э.), Катона Старшего (234—149 гг. до н. э.), Вергилия (70—19 гг. до н. э.), Плиния Старшего (23 — 79 гг. н. э.), Колу мел-лы (I век н. э.) и других ученых, писателей и общественных деятелей античности. У древних греков были даже особые высеченные на каменных дощечках календари, которые указывали средний характер погоды для каждого дня года. Появились они около двух с половиной тысяч лет назад. Эти календари-отметчики (так называемые парапегмы) обычно прикрепляли к колоннам на рынках, площадях и в других общественных местах. Мореплаватели и сельские жители доверяли парапегмам: ориентируясь по ним, люди выходили на рыбную ловлю, на охоту, отправлялись в дальнее плавание, проводили сельскохозяйственные работы.

Интересный документ дошел до наших дней из Древней Индии. Ему, по оценке ученых, не менее двадцати веков. Это своего рода инструкция для земледельцев, в которой содержались рекомендации, как наблюдать за погодой, в какие сроки сеять и убирать урожай.

Парапегмы давным-давно стали достоянием музеев. Прогнозы погоды ныне составляют, основываясь на данных науки. О том, что же приготовила нам природа на завтра и ближайшие дни, мы привыкли уже узнавать по вечерам, когда диктор радио или телевидения объявляет: «Передаем сводку погоды...» А утром это же сообщение мы находим в газетах.

Сейчас нет, пожалуй, такого человека, которого не интересовало бы состояние погоды. Прогнозы погоды в наше время нужны сотням миллионов, даже миллиардам людей самых различных профессий: полеводам и нефтяникам, пчеловодам и морякам, мелиораторам и летчикам, трактористам и строителям, шоферам и железнодорожникам, геологам, космонавтам, а также спортсменам и тысячам любителей туризма, альпинизма, охоты и рыбной ловли.

Только для Аэрофлота гидромет-служба СССР выдает за сутки более пятнадцати тысяч прогнозов погоды на срок от трех до двадцати часов. Метеорологи помогают капитанам транспортных и пассажирских судов, рекомендуя им оптимальные маршруты плавания, составляют для энергетиков и речников прогнозы сроков ледостава и вскрытия рек, озер и морей, следят за уровнем паводков, рассылают совхозам и колхозам, промышленным предприятиям, портовым службам срочные предупреждения о надвигающихся стихийных бедствиях и многое другое.

Мы привыкли жить по науке.

Но что греха таить, нет-нет, а подводят нас метеосводки. Это, конечно, создает богатейшую почву для иронических высказываний по адресу синоптиков.

Не так давно, после сильнейшей грозы, обрушившейся на Милан, городское бюро погоды получило письмо следующего содержания: «Уважаемые синьоры метеорологи! Вам, вероятно, будет небезынтересно узнать, что всю прошлую ночь я занимался тем, что выкачивал из подвала вашу «незначительную облачность без осадков».

Шутки над прогнозами погоды даже считаются признаком дурного тона, но все-таки они существуют — хочешь не хочешь, а ошибки в предсказаниях погоды есть.

В одном американском журнале было опубликовано такое интервью с жительницей Сан-Франциско, некой Бетти Грэхем. На вопрос репортера, какая программа американского телевидения больше всего нравится ей, миссис Грэхем, не задумываясь, ответила: «Сводка погоды. Мы с мужем держим каждый день пари на доллар, совпадет ли погода с прогнозом. Я всегда не верю синоптикам и вот только за последний месяц выиграла у мужа 27 долларов».

В 1975 году шведская Академия искусств присудила стокгольмскому Институту метеорологических прогнозов специальную премию, которая ежегодно присуждается за достижение в области поэзии и фантастики. Жюри академии заявило, что прогнозы шведских метеорологов в этом году «обнаружили необычную поэтическую фантазию, не имеющую ничего общего с действительностью». Прошло три года, и шведские метеорологи вновь отличились. 25 января 1978 года в газетах появилось сообщение о том, что всю Среднюю и Южную Швецию неожиданно завалило снегом. Больше всего пострадал район города Норчёпинг — в 160 километрах к югу от Стокгольма. Там толщина снежного покрова за одну ночь увеличилась на 60 сантиметров! Жизнь в городе оказалась полностью парализована. По иронии судьбы именно в Норчёпинге расположена шведская государственная метеослужба, сотрудники которой каждый вечер выступают по телевидению страны с прогнозами погоды. Так вот, накануне того злополучного дня представитель метеослужбы предсказал шведам... хорошую погоду без осадков.

И все же, как ни грустно приведенное выше письмо миланца в адрес городского бюро погоды, как ни везет Бетти Грэхем и как ни язвительна премия шведской Академии искусств, большинство жителей Земли синоптикам верят — так как знают, что за последнее 30—35 лет точность метеопрогнозов значительно повысилась.

Вероятность безошибочного предсказания погоды значительно увеличилась именно в последние годы, поскольку была сильно расширена сеть пунктов наблюдения. Метеостанции оснащают все более совершенными метеорологическими приборами, средствами автоматики. Но главное, все шире используются так называемые численные (или цифровые) методы прогноза, то есть к атмосферным процессам применяют уравнения гид-ро- и термодинамики. Последнее направление стало по-настоящему возможным сравнительно недавно, после появления первых электронных вычислительных машин.

Дело в том, что основные законы, связывающие различные метеорологические параметры и их изменения во времени, математически можно представить в виде дифференциальных уравнений, в которых переменными величинами являются давление, температура, направление ветра.

Еще в 1904 году норвежский ученый Вильгельм Бьеркнес (его считают основателем современной динамической метеорологии) опубликовал общую программу математических прогнозов погоды, показал, как надо рассчитывать изменяющееся состояние атмосферы для короткого промежутка времени. Однако в то время было очень мало данных о климатических условиях в свободной атмосфере, ученые плохо знали законы, по которым изменяется ее состояние.

Позднее, во время первой мировой войны, английский метеоролог Леви Ричардсон предпринял попытку рассчитать прогноз погоды для Европы на шесть часов вперед. Большой коллектив вычислителей затратил на это... более трех месяцев! И потерпел неудачу: цифровой результат расчета прогноза оказался совершенно неверным. Англичане в своих расчетах пытались учесть абсолютно все на свете — их система уравнений включала как существенные факторы, так и малозначащие, то, что специалисты называют теперь «метеорологическими шумами». Встречались там и ошибки математического характера.

Что ж, иного результата в те годы, пожалуй, не приходилось и ждать — ведь ни четко разработанной теории подобных расчетов, ни необходимой вычислительной техники в то время еще не существовало.

Только в 60-е годы, когда окрепла теория и методика численных прогнозов погоды, когда утвердились электронно-вычислительные машины, стало возможным не предсказывать, а «вычислять» погоду. Правда, поначалу численные методы позволяли прогнозировать лишь изменения атмосферного давления. Погоду же, как известно, определяет не только один этот (хотя и важнейший) метеоэлемент, но и температура воздуха, его влажность, скорость и направление движения воздушных масс, характер облачности и осадков, видимость и прозрачность воздуха, солнечная радиация...

Поэтому синоптикам только на основании расчета атмосферного давления (а его изменения обычно определяют направление воздушных потоков) приходилось прогнозировать все остальное — осадки, облачность, направление и силу ветра... Каждый синоптик делал это, разумеется, на свой лад, с определенных позиций, обусловленных уровнем его специальной подготовки...

Позже появились быстродействующие электронно-вычислительные машины, такие, в частности, как БЭСМ-6, и стало возможным учитывать при расчетах облачность, осадки, температуру, ветер. Однако собрать эти данные все вместе — еще не значило сделать прогноз: надо было прежде всего определить степень и характер их взаимного влияния. Иными словами, сначала нужно было сформулировать задачу в физическом смысле, а уж затем разработать математические методы ее решения. Изменение каждого из метеоэлементов можно описать отдельными уравнениями, но вот решить систему этих уравнений оказалось чрезвычайно сложно даже для ЭВМ.

Помог метод «расщепления», или «дробных шагов», предложенный академиком Н. Н. Яненко. Суть этого метода вкратце такова: сложную систему уравнений последовательно разбивают на ряд простых уравнений, решая которые получают результат, достаточно близкий к истинному. Все это используется ныне на практике.

Для краткосрочного численного прогноза погоды на 24 или 36 часов метеослужбы используют данные, собранные с ограниченной территории размером примерно ЮОООхЮООО километров. Практически это вся территория Советского Союза плюс Арктика и еще часть Евразии южнее наших границ. Данные от метеостанций, расположенных здесь, переносят на так называемую регулярную сетку. На исследуемой территории метеостанции размещены неравномерно, поэтому в узлы сетки, отстоящие друг от друга на 300 километров, разносят исходные значения метеоэлементов, полученные с помощью расчетов. (Такие расчеты — самостоятельная задача, и называется она объективным анализом. Его делают по отдельности для каждого метеоэлемента — для осадков, температуры, давления, так что получается несколько вычислительных программ.)

Кроме наземных данных, для оперативного прогноза берут еще данные из атмосферы — с шести уровней на разных высотах. Так набирают много тысяч начальных данных. И лишь затем осуществляют собственно прогноз, то есть решают системы огромного количества дифференциальных уравнений, о чем мы только что говорили. В итоге всей работы электронно-вычислительные машины печатают карты метеоэлементов с предсказанием, как должна измениться погода в ближайшие сутки.

Сегодня в большинстве стран службы погоды основывают свои краткосрочные прогнозы и прогнозы средней срочности на таких цифровых картах, составляемых на местах либо получаемых из других синоптических центров. И в том, что численные методы прогноза погоды получили всеобщее признание и продолжают совершенствоваться, немалая заслуга советской школы метеорологов, возглавляемой академиком Н. Е. Кочиным. Коллективы Гидрометцентра СССР в Москве, Главной геофизической обсерватории в Ленинграде и Вычислительного центра Сибирского отделения АН СССР в Новосибирске разработали и применяют в практике ряд первоклассных схем краткосрочного прогноза погоды.

Погоду формируют процессы разной длительности и масштабов. На изменения погоды сильно влияют верхние слои атмосферы, а точнее, взаимодействие между ними и космическим пространством. Поэтому для того, чтобы обосновать прогнозы погоды и решить другие важные метеорологические задачи (вплоть до задачи далекого будущего — успешного управления погодой и климатом), в определенных районах земного шара метеорологические измерения надо вести прежде всего в верхних слоях атмосферы. Однако до сравнительно недавнего времени систематически этим никто не занимался. Постоянные наблюдения удалось начать с помощью специально оборудованных искусственных спутников Земли, которые были запущены на высоту нескольких сот километров.

Первым небесным «следопытом погоды» стал советский искусственный спутник Земли «Космос-122», выведенный 25 июня 1966 года на круговую орбиту высотой около 650 километров. На нем работала аппаратура, которая позволяла узнать, как распределены облачность, снежный покров и ледовые поля, какова температура поверхности Земли или верхних границ облаков, как изменяется радиационный баланс Земли и атмосферы.

После запуска «Космоса-122» ученые впервые получили возможность наблюдать за метеорологическими процессами в масштабе всей планеты. А сейчас трудно и представить себе нынешний мир без системы метеорологических спутников.

Эти небесные труженики несут на себе усовершенствованные телекамеры, благодаря которым и днем и ночью можно наблюдать облака сверху, из космоса. По своеобразной форме облаков, по их взаимному расположению опытный глаз немало узнает о состоянии атмосферы. Сравнивая между собой отдельные снимки, сделанные телекамерой спутника при облете земного шара и переданные на Землю, ученые составляют схемы движения облачного покрова. По ним можно судить о расположении и движении фронтов, разделяющих воздушные массы с разными свойствами, о направлении и скорости воздушных потоков в верхних слоях атмосферы.

Так выглядит фотоснимок урагана со спутника

С метеоспутников исследуют также радиационный баланс системы «Земля — атмосфера». Известно, что Земля получает энергию от нашего светила. Солнечные лучи, падающие на земную поверхность, — основной источник энергии и причина движения атмосферы. Однако Земля одновременно отдает изрядное количество энергии в космос, излучая так называемую тепловую радиацию. Соотношение между приходом тепла от Солнца и потерей его за счет излучения Земли определяет баланс энергии. А это основа основ всех процессов, которые совершаются в атмосфере. Данные о радиационном балансе в системе «Земля — атмосфера» получают с помощью актионометри-ческой аппаратуры, установленной на спутниках¹. При расчетах прогнозов погоды крайне важно учитывать энергию, получаемую поверхностью Земли и ее атмосферой.Метеоспутники собирают и передают оперативные сведения о ледовой обстановке в арктическом и антарктическом бассейнах (особенно нужно это при круглогодичном плавании по Северному морскому пути), наблюдают за так называемыми «горячими» пятнами, что возникают на земной поверхности при поглощении солнечной радиации. Это позволяет заблаговременно определять районы, на которые могут обрушиться сильные грозы, ливни и другие разрушительные стихийные явления природы.

Но и этим не исчерпывается перечень «космических» услуг метеоспутников. За каждый оборот спутник облетает примерно равные зоны ночного и дневного полушария. За 24 часа он дважды пролетает над одной и той же точкой земной поверхности — один раз днем, второй раз ночью. Установленная на метеоспутнике аппаратура позволяет синоптикам держать в поле зрения участок радиусом 5 тысяч километров. За час спутник собирает сведения с площади около 30 тысяч квадратных километров.

Снимки, переданные на Землю с метеорологических спутников, поражают воображение: огромные спирали циклонов, в которые закручиваются многоярусные облачные поля, — это колыбели тайфунов, ураганов, смерчей. Нет такой силы, которая могла бы приостановить их развитие. Но если раньше они обрушивались на города и села совершенно неожиданно, то метеорологические спутники позволяют предсказывать тайфуны, ураганы и другие стихийные явления, следить за движением циклонов и антициклонов.

Словом, метеорологические спутники собирают теперь львиную долю синоптической информации. Благодаря им метеорологи проникают сегодня в те области «кухни погоды», о которых составители первых прогнозов не смели и мечтать.

Почему же все-таки, хотя метеорологическая наука достигла определенных успехов, прогнозы погоды иногда оказываются неточными? В чем трудность их создания?

Погода — это совокупность метеорологических условий в любой точке земного шара в любой момент времени. На ее формирование существенно влияют: неравномерность распределения и преобразования тепловой энергии Солнца по земной поверхности — суша и моря нагреваются в разных местах по-разному; вращение Земли; циклоническая деятельность; солнечная активность. Эти и другие многообразные факторы земного и космического происхождения метеорологи должны учитывать при составлении прогноза. Однако это не всегда удается. Атмосферные процессы нестационарны — это своеобразный калейдоскоп, в котором все постоянно меняется, как во времени, так и в пространстве, и поэтому метеорологам пока не удалось научиться с достаточной точностью предсказывать сроки и территории их распространения. К тому же прогнозистов далеко не всегда удовлетворяет количество и качество исходной информации. Ведь чтобы краткосрочный прогноз был достоверным, нужен непрерывный приток данных обо всем, что происходит во всей толще нашей атмосферы на различных высотах, в различных районах и в различные моменты времени. С этой целью огромная армия метеорологов по нескольку раз в сутки — в жару и стужу, в дождь и снег — проводит измерения давления, скорости и направления ветра, температуры и других параметров.

Однако оказывается, что и всей этой огромной массы информации об атмосфере, собираемой час за часом на пятнадцати тысячах метеостанций(см. приложение, пункт 1) по всему земному шару, еще  недостаточно для составления точного прогноза.

¹ Приборы измеряют интенсивность теплового излучения Земли в трех диапазонах. В диапазоне 0,3—3 мкм (видимый свет и ближняя инфракрасная область) определяют интенсивность отраженной радиации: больше всего (около 70—80 процентов) отражают облака, меньше (около 20—30 процентов) — суша и еще меньше — поверхность моря. Величина излучения в диапазоне 8— 12 мкм позволяет оценить температуру видимой со спутника поверхности Земли или облаков. Кстати, температура верхней поверхности облаков характеризует и ее высоту над Землей. Наконец, измерив радиацию в диапазоне 3—30 мкм, можно определить общий поток теплового излучения Земли и атмосферы, уходящий в космос.