21. О погоде для самых любознательных

В метеорологии есть много вопросов, представляющих интерес почти исключительно для метеорологов-профессионалов. Однако некоторые из этих вопросов оказались близкими к проблемам других наук; их нередко задают люди, хотя и далекие от метеорологии, но вникающие в те или иные разделы ее настолько глубоко, что возникает необходимость освещения деталей, лежащих за пределами обычной любознательности неспециалистов.

Попытаемся выделить из круга вопросов, касающихся отдельных деталей науки о погоде, те, которые можно объединить под условным названием "для самых любознательных". Самыми любознательными некоторые мои коллеги-метеорологи склонны считать тех, кто хотел бы знать о погоде больше того, что сегодня известно о ней науке... Такое желание нельзя осуждать, его скорее можно приветствовать, сколь бы ни было трудно его удовлетворить.

Итак, кое-что о погоде, может быть, не представляющее интереса для всех, но способное привлечь внимание самых любознательных

21.1. Кто заложил первый камень в здание науки о погоде?

Установить достаточно достоверно, кто первым пришел к мысли, что погоду следует рассматривать как предмет науки, а не порождение божьей воли,- сейчас не представляется возможным. Известно, что уже у Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры, автора первой книги под названием "Метеорологика", были не оставившие нам своих имен предшественники, давшие название этой науке. Однако великий грек был, пожалуй, первым, кто придал метеорологии значение самостоятельной науки, и первым, кто сформулировал идею о зависимости погоды от направления ветра и дал обоснование этому основополагающему камню фундамента науки о погоде.

21.2. Кто был первым ученым, заложившим фундамент научного предсказания погоды?

Им следует считать директора Парижской астрономической обсерватории Урбана Леверье, который, выполняя поручение французского правительства после катастрофической бури 14 ноября 1854 года в Балаклаве, составил 19 февраля 1855 года первую карту погоды. На заложенном Леверье фундаменте трудами многих сотен ученых на протяжении 125 лет возводилось здание современных методов научного прогнозирования погоды. Возведение здания заключалось в поисках все более точного решения физической задачи, называемой прогнозом погоды.

21.3. Какие идеи лежат в основе современной теории прогноза погоды?

Через 50 лет после реализации идеи Леверье о составлении карт погоды, дающих возможность одновременно рассматривать погоду на большом пространстве, норвежские метеорологи отец и сын Вильгельм и Якоб Бьеркнес стали рассматривать задачу предсказания погоды с точки зрения математики и механики, то есть решая уравнения гидромеханики, которые описывают состояние атмосферы. Ими и их последователями из так называемой Бергенской школы были разработаны важнейшие вопросы синоптических методов прогноза погоды, опирающиеся на теорию развития циклонов на атмосферных фронтах как поверхностях раздела между различными воздушными массами. В начале 20-х годов нашего столетия был сделан очередной важный шаг для решения проблемы предсказания погоды на основе численного решения уравнений гидромеханики, то есть путем прямого предвычисления будущего состояния погоды. Сделал этот шаг английский ученый Льюис Ричардсон, и хотя его постигла неудача - первая попытка предвычисления не увенчалась успехом, сама идея оказалась жизненной. Она нашла продолжателей в лице советского гидродинамика А. И. Кибеля, предложившего в 1940 году принципиальные упрощения для решения системы уравнений и обосновавшего возможность введения этих упрощений без ущерба для точности решений задачи на срок до 72 ч, то есть в пределах трех суток. Последующие решающие шаги в разработке гидродинамической теории прогнозов погоды были сделаны в конце 40-х годов советским ученым академиком А. М. Обуховым и американским ученым Дж. Чарни, которые довели решение задачи предвычисления погоды до практической реализации, ставшей возможной с появлением ЭВМ. Сегодня во всем мире метод предвычисления давления ветра и температуры с помощью ЭВМ используется очень широко, он лежит в основе всех методов составления краткосрочных прогнозов погоды.

Предвычисление погоды на длительные сроки, превышающие неделю, остается пока задачей, ожидающей своего решения. Последнее нуждается в разработке отдельной теории, которая бы учитывала развитие принципиально иных процессов в атмосфере, которые определяют состояние погоды на более длительные промежутки времени.

21.4. Какова предсказуемость погоды и чем она определяется?

Пределы возможности предвидеть будущее состояние погоды различны как для отдельных метеорологических величин и явлений, так и для атмосферных процессов, определяющих изменения погоды. Поэтому дать общую оценку предсказуемости погоды практически невозможно. К тому же следует различать возможности прогнозирования в качественной форме и возможности предвычисления, когда дается количественный прогноз. В самом общем виде предсказуемость зависит от заблаговременности составления прогноза, уменьшаясь с увеличением последней. Она также зависит от точности и полноты исходных данных, по которым составляется прогноз или которые используются для предвычисления погоды. Наконец, предсказуемость зависит и от масштабов процессов, развитие которых должно быть определено при составлении конкретного прогноза.

Таким образом, можно сделать вывод, что предсказуемость погоды в принципе ограничена: во-первых, заблаговременностью составления и продолжительностью действия прогнозов, во-вторых, полнотой и точностью информации об исходном состоянии погоды и, в-третьих, размерами пространства, для которого составляется прогноз, то есть масштабами процессов, какие определяют изменения погоды в интересующем нас пространстве. Во всех трех случаях можно определить предсказуемость с помощью ЭВМ: задавая последовательно сроки действия прогноза, полноту исходной информации и масштабов процессов, можно получить искомые показатели предсказуемости. Очевидно, это будут какие-то осредненные показатели с пределами возможных отклонений для процессов различной интенсивности и характера.

21.5. Можно ли оценить экономический эффект работы службы погоды?

В 70-х годах экономический эффект работы оперативных подразделений Государственного комитета по гидрометеорологии и контролю природной среды по предупреждению только стихийных бедствий оценивался суммой, в четыре раза превышающей все расходы, связанные с содержанием всех учреждений Комитета. Таким образом, каждый рубль расходов на бюджет Госкомгидромета окупается по крайней мере четырьмя рублями. А к сегодняшнему дню эффективность гидрометеорологического обеспечения различных отраслей народного хозяйства возросла еще больше.

21.6. Какова высота циклонов и антициклонов?

Крупномасштабные вихри в атмосфере, какими являются циклоны и антициклоны, могут иметь самую различную высоту распространения от земной поверхности: от 1 до 100 км. В зависимости от вертикального развития их принято делить на приземные (до 1 км), низкие (от 1 до 3 км), средние (от 3 до 5 км) и высокие (развитые выше 5 км, то есть прослеживающиеся в верхней тропосфере).

Циклоны и антициклоны, прослеживающиеся выше тропопаузы, то есть в стратосфере, называют стратосферными, в отличие от образований под тропопаузой, имеющих общее название тропосферных. Последних в природе большинство.

Но бывают атмосферные вихри, развитые от поверхности земли до очень больших высот, их циркуляция сохраняется не только в нижней, но и в верхней стратосфере. Таковыми часто бывают зимние полярные циклоны, иногда значительно выше тропопаузы простираются и мощные антициклоны.

Летом, во время полярного дня, над высокими широтами в стратосфере обычно формируются обширные антициклоны, не прослеживающиеся в нижней тропосфере. Такого типа атмосферные вихри называют высотными. Высотными бывают и циклоны. Высотные циклоны и антициклоны могут формироваться даже за пределами стратосферы - в мезосфере. Высотные циклоны и антициклоны не следует путать с высокими - развитыми и у поверхности земли, и на высотах.

21.7. Можно ли считать современный климат единственно возможным на Земле?

Современная теория климата Земли рассматривает климатическую систему нашей планеты состоящей из цепи сложных звеньев - атмосферы, океана, льдов, суши, биосферы. В этой системе множество переплетающихся прямых и обратных связей, она, как говорят, имеет большое число степеней свободы и при данных внешних условиях может иметь множество состояний с равной вероятностью их возникновения. Это значит, что современный климат - не единственно возможный на Земле. Он в далеком прошлом был иной и может стать иным и в будущем, и для этого необязательно изменение внешних условий. Однако следует помнить важное практическое обстоятельство: изменения климата не происходят мгновенно, они требуют для своего утверждения многих тысячелетий...

При этом гипотеза неединственности земного климата не снимает проблемы возможного антропогенного изменения климата, сохраняя полностью ее актуальность и чрезвычайную практическую важность.

21.8. Что такое климатический мониторинг?

Советская национальная программа исследований климата Земли, утвержденная в 1978 году, в числе пяти основных направлений предусматривает обоснование климатического мониторинга, то есть системы непрерывного сбора, анализа и оценки данных, определяющих состояние климата и его изменений во времени и в пространстве. Эта программа является составной частью Международного климатического мониторинга, который осуществляется ВМО в рамках Всемирной климатической программы. Одной из задач мониторинга является оценка возможности антропогенных изменений климата в связи с тепловым и химическим загрязнением атмосферного воздуха, с влиянием различных факторов на химический состав атмосферного воздуха, на распределение компонентов радиационного баланса системы Земля - атмосфера. Климатический мониторинг должен способствовать решению проблемы прогноза климата, то есть определения возможных глобальных изменений климата в будущем, как короткопериодных, вызывающих экстремальные климатические явления, так и длительных, в масштабах многих столетий.

21.9. Что такое моделирование атмосферных процессов и что достигается с его помощью?

Моделирование атмосферных процессов - сравнительно новое и перспективное направление метеорологических исследований, основанное на применении математических моделей атмосферы и климата Земли. Модель атмосферы, правдоподобно воспроизводящая ее среднее состояние, позволяет рассматривать и возможные изменения этого состояния в результате тех или иных изменений отдельных факторов, влияющих на развитие атмосферных процессов и состояние земного климата. Модели атмосферных процессов могут быть различной сложности. Одна из первых и простейших математических моделей была предложена в 1956 году американским ученым Н. Филлипсом. Она относительно близко к действительности воспроизводила ряд основных особенностей реальной атмосферы. В настоящее время известно несколько значительно более сложных и лучше отражающих реальные условия моделей, разработанных как советскими, так и зарубежными учеными. Среди них можно упомянуть трехмерную, или многоуровенную, модель, используемую в практике предвычисления погоды и в теоретических исследованиях изменений климата.

21.10. Что такое аэрономия?

Аэрономия - наука о верхней атмосфере, о ее строении и происходящих в ней микропроцессах. Она занимается изучением распределения с высотой плотности и температуры, а также давления газов на высотах 100 км и более. Кроме того, аэрономия изучает концентрацию заряженных частиц - ионов, образующих ионосферу (как обычно называют радиофизики верхнюю атмосферу, известную в метеорологии под названием гетеросферы). При изучении микропроцессов в верхней атмосфере аэрономия уделяет основное внимание ионизации и диссоциации частиц атмосферного газа, химическим превращениям одних частиц в другие. Таким образом, аэрономия - родственная метеорологии научная дисциплина, но занимается она несколько иными проблемами. Если метеорологов в верхней атмосфере интересуют прежде всего крупномасштабные процессы - формирование воздушных течений, возникновение волновых возмущений, колебания состояния основных физических характеристик главным образом нижних слоев атмосферы (тропосферы и стратосферы), то для аэрономии интерес представляют более высокие слои начиная с мезосферы, а в еще большей степени - термосфера и экзосфера.

21.11. Насколько устойчиво состояние верхней атмосферы?

Состояние атмосферы на больших высотах подвержено очень значительным колебаниям в зависимости от времени суток, солнечной активности, сезона и широты места. Практически приходится говорить не столько об устойчивости, сколько о неустойчивости верхней атмосферы: так, на высоте 300 км плотность воздуха ото дня к ночи может изменяться в три-четыре раза, а на высоте 600 км - даже в 10 раз! На высотах более 150 км, в термосфере, температура воздуха днем может достигать 1500 - 2000 К, а ночью она может быть в два раза ниже, "всего" 700 - 1000 К.

21.12. Что такое турбопауза?

Турбопаузой называют область перехода от гомосферы к гетеросфере, то есть из слоя активной турбулентной диффузии и неизменного состава воздуха в слой молекулярной диффузии, в котором с высотой относительное содержание легких газов увеличивается, а тяжелых - уменьшается, и, таким образом исчезает однородность состава воздуха. Высота турбопаузы - около 100 км, она может колебаться от 95 до 110 км.

21.13. Что такое суточная инсоляция?

Это суточная сумма тепла, получаемая на земной поверхности с учетом угла наклона ее к солнечным лучам и в условиях отсутствия воздуха, то есть атмосферы. Поскольку любая точка земной поверхности за сутки описывает полную окружность, то величина суточной инсоляции не зависит от долготы места, а только от широты. На экваторе она от сезона к сезону изменяется сравнительно мало - от 3729 до 3311 Дж/сут, а на полосах - очень сильно: от 4502 Дж/сут в момент летнего солнцестояния до 0 в период полярной ночи.

21.14. Есть ли разница в величинах инсоляции северного и южного полушарий Земли?

Годовые суммы инсоляции обоих полушарий приблизительно одинаковые, но сезонные различия существенны: летом северного полушария Земля находится у афелия своей орбиты, на наибольшем расстоянии от Солнца, и северное полушарие летом получает меньше солнечного тепла, чем южное, находящееся в свой летний сезон в лучших условиях облучения, так как Земля в это время находится у перигелия орбиты, то есть на наименьшем расстоянии от Солнца. Зато зимой инсоляция северного полушария больше, чем инсоляция южного полушария.

21.15. Что такое энтальпия воздуха?

Это количество тепла, заключенное во влажном воздухе, то есть суммарное теплосодержание сухой части воздуха и смешанного с ним водяного пара. В биометеорологии в отличие от физики, где энтальпия - тепловая функция воздуха, или просто теплосодержание, это понятие служит для оценки физиологического комфорта живых существ. Она выражается в калориях в секунду, то есть в тех же физических единицах, что и скорость обмена веществ теплокровных животных.

21.16. Насколько устойчивы полярные льды?

Полярные льды называют маятником земного климата - его раскачивание дестабилизирует климат Земли, делает его неустойчивым в силу большой отражательной способности льдов и сильной зависимости теплового баланса земной поверхности от размеров площади, занятой льдами... Поэтому вопрос об устойчивости полярных льдов - решающий при оценке устойчивости земного климата. Однако мнения ученых об устойчивости полярных льдов расходятся. Определить масштабы потепления атмосферы, необходимого для исчезновения полярных льдов, очень трудно, особенно когда речь идет о льдах Арктики. По одним оценкам, для того чтобы растаяли полярные льды, достаточно устойчивого повышения температуры воздуха на несколько градусов. По другим оценкам, для этого понадобится повышение температуры воздуха не менее чем на 5° С, а для арктических льдов - и того больше (в районе Северного полюса даже на 20° С).

Хотя благодаря постоянному притоку пресной речной воды в арктические воды поверхность последних способна быстро охлаждаться и формирование морских льдов в Арктике происходит иначе, чем в Антарктике, все же трудно себе представить возможность сохранения арктических льдов при летних температурах воздуха, близких к 20° С, а зимних - около -10° С!

21.17. Что такое расчетные метеорологические характеристики?

В метеорологии помимо измеренных значений состояния воздуха широко используются и так называемые расчетные характеристики, которые вычисляются, а не измеряются. Некоторые из них являются чисто теоретическими величинами. Например, помимо обычного ветра существует понятие эквивалентного ветра (рис. 89), который непосредственно не может быть измерен, его можно только вычислить. Это расчетный ветер, всегда направленный вдоль маршрута полета и оказывающий такое же влияние на путевую скорость самолета, как и фактический ветер. Известно несколько расчетных температур воздуха: эквивалентная, потенциальная, виртуальная, молярная и др. Эквивалентная температура соответствует той температуре воздуха, которую он имел бы после конденсации всего содержащегося в нем водяного пара при неизменном атмосферном давлении. Потенциальная температура - это температура, приведенная по сухоадиабатическому закону (без притока тепла извне) к давлению, равному 1000 гПа. Виртуальная температура - это температура сухого воздуха при данном давлении, если бы его плотность была такая же, как и плотность данного влажного воздуха, и т. д. Есть расчетные значения влажности (абсолютной, удельной, относительной), температуры туманообразования, упругости водяного пара, точки росы и т. п. Известны также расчетные средние климатологические характеристики (суточные, декадные, месячные, сезонные, годовые, экстремальные и др.)

21.18. Что такое точка росы и где она используется?

Температура, при которой воздух достигает состояния насыщения при данном содержании в нем водяного пара и при неизменном давлении, называется точкой росы. Это важная характеристика состояния воздуха, позволяющая оценить его влажность, возможность возникновения тумана или облаков, а также вероятность обледенения самолетов при полетах в облаках и ряд других показателей, необходимых в практике метеорологического обеспечения нужд народного хозяйства.

89. Эквивалентный ветер w - путевая скорость, v - воздушная скорость, u - скорость ветра, ω - скорость эквивалентного ветра, ε - угол ветра, φ - угол сноса, α - путевой угол

21.19. Что такое термический экватор?

Линию, соединяющую точки с максимальной температурой воздуха на ежедневных картах погоды низкоширотной зоны Земли, в метеорологии принято называть термическим экватором. На средних годовых картах температуры земного шара термический экватор оказывается приблизительно совпадающим с положением параллели 5° с. ш. Несовпадение его положения с настоящим экватором (географической широтой 0°) объясняется тем, что в северном полушарии больше материков, чем в южном, и очень высокая температура воздуха субтропических пустынь северного полушария делает северные тропики на 2° С теплее южных тропиков. Летом северного полушария термический экватор оказывается примерно у 20° с. ш., а летом южного полушария - у 5° ю. ш. Это положение термического экватора примерно соответствует положению оси экваториальной депрессии - области относительно низкого атмосферного давления приэкваториальных широт.

21.20. Что такое ячейка Гадлея?

Английский ученый Гадлей в 1735 году дал объяснение пассатной циркуляции, механизм которой получил название ячейки Гадлея (рис. 90). Это упрощенная модель циркуляции воздуха в тропической зоне, согласно которой избыток тепла вблизи экватора превращается в кинетическую энергию: значительная часть тепла расходуется на испарение и переносится вместе с движущимся воздухом в виде скрытой теплоты, реализуемой при конденсации водяного пара. Над экватором происходит подъем воздуха: на высотах - его отток к субтропикам, а у земной поверхности - возвращение в виде пассатных ветров снова к экватору.

90. Ячейка Гадлея

21.21. Что такое ведущий поток в атмосфере?

Синоптики называют ведущим потоком ветер в средней или верхней тропосфере, направление которого определяет перемещение циклонов и антициклонов и других синоптических объектов. Его высота зависит от распространения вверх этих крупномасштабных вихрей, которые смещаются со скоростью, пропорциональной скорости ведущего потока и равной 0,5 - 0,9 этой скорости в зависимости от уровня, на котором она определяется. Низкие барические системы подчиняются ведущему потоку средней тропосферы на высоте 3 - 5 км, развитые выше 5 км - потоку на более высоких уровнях. Циклоны и антициклоны, развитые до стратосферы, обычно малоподвижны, для них понятия ведущего потока не существует.

21.22. Почему циклоны приносят с собой плохую погоду?

Атмосферные вихри большого масштаба с низким давлением в центре, называемые циклонами, как правило, приносят с собой сложные условия погоды - облачность, осадки, усиление ветра, нередко характерные сезонные явления, такие, как грозы, метели, туманы, гололед и пр. Это связано с особенностями распределения давления и характером циркуляции воздуха. Под влиянием трения в нижних слоях атмосферы в циклоне наблюдается движение воздуха, помимо кругового, еще и от периферии к центру, и поэтому возникает постоянное вертикальное, восходящее, движение воздуха и его охлаждение по мере подъема. Воздух, охлаждаясь, становится влагонасыщенным, в нем образуются облака, дающие осадки и многие другие явления погоды, называемой ненастной. В циклонах умеренных широт, кроме того, благоприятные условия для возникновения атмосферных фронтов, на которых условия погоды всегда очень сложные. Добавим к сказанному, что в циклонах, особенно вблизи их центров, всегда велика разность давления между центром и периферией (то есть велики так называемые горизонтальные градиенты давления), а следовательно, постоянно наблюдаются сильные порывистые ветры.

21.23. Однородна ли погода в циклоне?

Нет, погода в циклоне внетропических широт далеко не однородна: различают переднюю и тыловую части циклона и левую и правую по отношению к направлению его движения. В передней части циклона преобладают сплошная слоистообразная облачность теплого фронта, обложные осадки с ветрами южной четверти горизонта. В тылу циклона, за холодным фронтом, погода отличается неустойчивостью, с выпаданием осадков ливневого типа, порывистым ветром северо-западной и северной четвертей; облачность может быть с разрывами и даже с кратковременными прояснениями, летом она будет конвективного типа. Левая (чаще всего северная) часть циклона характеризуется условиями погоды, которые можно назвать промежуточными между передней и тыловой частями циклона; преобладают ветры восточной и северо-восточной четверти, причем дуют они у земли, облака сплошные, осадки обложные, выпадающие с перерывами и постепенно переходящие в кратковременные ливневого типа. Правая южная часть циклона некоторый период его жизни является "теплым сектором" - она заполнена теплой воздушной массой, со временем вытесняемой наверх; здесь, в зависимости от сезона и типа воздушной массы, погода может быть очень неодинаковой, но преимущественно она бывает без существенных осадков, в холодное время года - с туманами или низкой тонкой слоистой облачностью, в летнюю пору - нередко безоблачная и всегда теплая, со слабыми или умеренными ветрами юго-западной четверти.