Глава первая ВВЕДЕНИЕ
1. МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ
Метеорологией называется наука об атмосфере, о е составе, строении, свойствах и протекающих в ней физических и химических процессах. Теоретической основой метеорологии служат общие законы физики и химии, записанные применительно к атмосфе- ре. Главными задачами метеорологии являются описание состояния атмосферы в данный физический момент времени и прогноз ее со- стояния на будущее. В некоторых случаях возникает необходи- мость восстановить состояние атмосферы в прошлом. Климатологией называется раздел метеорологии, в котором изучаются закономерности формирования климатов, их распределе- ния по Земному шару и изменения в прошлом и будущем.
Под климатом в узком смысле слова, или локальным климатом, понимают совокупность атмосферных условий за многолетний пе- риод, свойственных тому или иному месту в зависимости от его географической обстановки. В таком понимании климат является одной из физико-географических характеристик местности. Кли- матом в широком смысле, или глобальным климатом, называется статистическая совокупность состояний, проходимых системой «атмосфера- океан-суша-криосфера-биосфера» за периоды времени в несколько десятилетий. В таком понимании климат есть понятие глобальное.
Климат, являясь одной из физико-географических характе- ристик среды, окружающей человека, оказывает решающее влия- ние на хозяйственную деятельность людей: на специализацию сельского хозяйства, размещение промышленных предприятий, воздушный, водный и наземный транспорт и т.п. Знание основ метеорологии и климатологии необходимо для подготовки гео-
графа любой специальности.
Использование в метеорологии и климатологии точных фи- зических законов, а сейчас и сложного математического аппарата роднит эту науку с физико-математическими науками. В то же
1
время все атмосферные движения протекают на планете Земля с характерными только для нее очертаниями материков и океанов, строением рельефа, распределением рек, морей, ледникового, снежного покровов и растительности. Это определяет географич- ность метеорологии и климатологии и их вхождение в комплекс географических наук.
Понимание закономерностей климата возможно на основа- нии изучения тех общих закономерностей, которым подчинены атмосферные процессы. Поэтому при анализе причин возникно-
вения различных типов климата и их распределения по земному шару климатология исходит из понятий и законов метеорологии. В предлагаемом элементарном курсе метеорология и климато- логия излагаются не порознь, а по возможности как единое целое.
2. АТМОСФЕРА
Атмосфера - это газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами, движущаяся вместе с Землей в миро- вом пространстве как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении Земли. На дне атмосферы в основном протека-
е т вся наша жизнь.
Воздух - газ - в отличие от воды, сжимаем. Поэтому с вы- сотой плотность его убывает и атмосфера постепенно сходит на нет (переходит в космическое пространство) без резкой границы. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, три четверти - в нижних 10 км, девять десятых - в нижних 20 км. Но присутствие воздуха —чем выше, тем все более разреженного - обнаруживается до очень больших высот.
Полярные сияния указывают на наличие атмосферы на высо- тах 1000 км и более. Полеты спутников на высотах в несколько тысяч километров также происходят в атмосфере, хотя и чрезвы- чайно разреженной. Из наблюдений с помощью ракет и косми- ческих станций типа «Венера» и других можно заключить, что ат- мосфера простирается при все убывающей плотности до высот более 20 тыс. км. Космические ракеты, а также спутники уже не- однократно пронизывали атмосферу и выходили в межпланетное пространство.
3. ВЫСОКИЕ СЛОИ. АЭРОНОМИЯ
Атмосферные процессы вблизи земной поверхности и в ниж- них 30-40 км атмосферы особенно важны с практической точки зрения и наиболее изучены; именно эти процессы будут излагаться
12
в данном курсе. Но и высокие слои атмосферы, отдаленные от земной поверхности на десятки, сотни и тысячи километров, приобрели большое практическое значение. В связи с практиче- скими потребностями радиосвязи и освоения космического про- странства в мирных целях последнее время высокие слои атмосфе- ры изучаются необычайно интенсивно, особенно с помощью спутников.
В высоких слоях происходит поглощение ультрафиолетового и корпускулярного солнечного излучения, которое вызывает раз- личные фотохимические реакции разложения нейтральных га- зовых молекул на электрически заряженные атомы. Поэтому вы- сокие слои сильно ионизированы и обладают очень большой электропроводностью. В этих слоях наблюдаются такие явления,
как полярные сияния и постоянное свечение воздуха, создающие так называемый ночной свет неба; электрическое состояние вы- соких слоев определяет условия распространения радиоволн, в них происходят сложные микрофизические процессы, связанные с космическим излучением. Методы изучения процессов, проис- ходящих в высоких слоях, существенно отличаются от применяю- щихся для исследования нижних слоев атмосферы (30-40 км), но тесно связаны с методами изучения земного магнетизма. Бур- ное развитие этого направления в последние годы привело к вы- делению учения о физических (и химических) процессах в высоких слоях атмосферы в особую научную дисциплину, получившую назва- ние аэрономии (или физики верхней атмосферы). В нашем курсе вопросы аэрономии затрагиваются лишь в малой степени.
4. ПОГОДА
В атмосфере происходят многообразные физические процес- сы, непрерывно изменяющие е состояние. Физическое состояние атмосферы у земной поверхности и в нижних 30-40 км в данный момент времени называется погодой. Погода характеризуется ме- теорологическими величинами (температура, давление, влажность воздуха, ветер, облачность, атмосферные осадки) и атмосферны- ми явлениями (гроза, туман, пыльная буря, метель и др.). Изме- нения погоды у земной поверхности оказывают влияние на очень многие области хозяйственной деятельности человека и особен- но на сельское хозяйство. Погода в более высоких слоях влияет на работу авиации. Атмосферные процессы на разных высотах связаны между собой, поэтому для понимания причин изменения погоды у земной поверхности необходимо изучать всю толщу ат- мосферы, по крайней мере до 30-40 км.
13
5. КЛИМАТ
В любом месте земли погода в разные годы меняется по-раз- ному. Однако при всех различиях отдельных дней, месяцев и лет каждую местность можно характеризовать вполне определенным климатом. Как уже было сказано, локальным климатом называют совокупность атмосферных условий за многолетний период, присущую данной местности в зависимости от е географической обстановки. Под географической обстановкой подразумевается не только по- ложение местности, т.е. широта, долгота и высота над уровнем моря, но и характер земной поверхности, орография, почвенный покров и др. Атмосферные условия, определяющие климат каждо- го места, испытывают периодические изменения в годовом ходе - от зимы к лету и от лета к зиме. Кроме периодических изменений совокупность атмосферных условий несколько изменяется от года к году. Это так называемая межгодовая изменчивость атмосфер- ных условий.
Фактические данные показывают, что до ХХ в. чередова- ние атмосферных условий в конкретных районах в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен лет меняется лишь в
самых ограниченных пределах, причем изменения часто носят ха- рактер колебаний. Величина многолетних колебаний оказывается значительно меньше межгодовой изменчивости атмосферных ус- ловий.
Таким образом, в естественных условиях в пределах от несколь- ких десятков до нескольких сотен лет локальный климат обладает определенной устойчивостью. Поэтому он и является одной из физи- ко-географических характеристик местности, одной из составляю- щих географического ландшафта. Климат связан с другими состав- ляющими географического ландшафта благодаря существованию тесных зависимостей между атмосферными процессами и состоя- нием земной поверхности, включая и Мировой океан. Однако локальный климат устойчив, если географическое распределение климатов на земном шаре, определяемое состоянием глобальной климатической системы, сравнительно мало меняется. В ХХ в. хозяйственная деятельность человеческого общества достигла та-
кого масштаба, что стала влиять на глобальный климат, и устой- чивость локальных климатов требует специального исследования. История климатов прошлого показывает, что в масштабах време- ни от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч лет клима- тические изменения становятся очень большими. Так, например, было во время переходов глобальной климатической системы от
ледниковых периодов к межледниковьям и обратно. В периоды 14
коренных изменений глобальной климатической системы меня- ются и локальные климаты. Главными задачами климатологии являются изучение глобальной климатической системы и прогноз
возможных изменений глобального и локального климатов на ближайшее время и на далекую перспективу.
6. СВЯЗИ АТМОСФЕРЫ С СОЛНЦЕМ И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
6.1. Источником энергии атмосферных процессов является сол- нечная радиация (солнечное излучение), приходящая к Земле из ми- рового пространства от Солнца. Количество тепла, получаемое в среднем за год единицей площади земной поверхности от Солнца, в 30 000 раз больше, чем тепло, идущее из недр Земли, и в 30 млн раз больше, чем энергия от излучения звезд и планет. Поэтому солнечная энергия - практически единственный источник энер- гии для земной поверхности и атмосферы. Именно лучистая энергия Солнца превращается в атмосфере и на земной поверх- ности в теплоту, она же служит источником энергии атмосферных движений, превращается в другие виды энергии. Превращения солнечной энергии в атмосфере достаточно сложны: солнечные лучи больше нагревают земную поверхность, чем непосредственно воздух, а уже между земной поверхностью и атмосферой происхо- дит оживленный обмен теплом, а также водой и водяным паром (на что тоже затрачивается солнечная энергия).
Земная поверхность также оказывает большое влияние на ат-
мосферу. Рельеф и температурные неоднородности земной по- верхности имеют большое значение для воздушных движений. Поднимаемые с земной поверхности в атмосферу пыль и другие аэрозоли оказывают определенное влияние на оптические свой- ства атмосферы и ее электрическое состояние.
В свою очередь наличие атмосферы вызывает различные фи- зические процессы, развертывающиеся на земной поверхности - в почве и верхних слоях водоемов. Например, ветровая эрозия, морские течения и ветровое волнение, установление и сход снеж- ного покрова и многое другое. Важнейшее значение атмосфера имеет для жизни на Земле.
6.2. В составе солнечной радиации есть коротковолновая ульт- рафиолетовая радиация, энергия которой невелика, но которая про- изводит сильнейшее фотохимическое действие на высокие слои ат- мосферы (см. п. 3). Сильно влияет на высокие слои атмосферы и корпускулярная радиация Солнца, т.е. потоки заряженных элемен- тарных частиц, выбрасываемых Солнцем. Ультрафиолетовая и кор-
15
пускулярная радиации значительно изменяются во времени в за-
висимости от солнечной активности, т.е. от физических процес- сов, происходящих на Солнце и приводящих, между прочим, к изменению числа солнечных пятен. В связи с солнечной актив- ностью меняется состояние высоких слоев атмосферы, их иони- зация, электропроводность и пр. Это в свою очередь каким-то образом сказывается и на состоянии нижних слоев, а стало быть, на погоде и климате. Механизм воздействия верхней атмосферы на нижние слои еще неясен.
7. ТЕПЛООБОРОТ
Существуют три основных цикла атмосферных процессов, уча- ствующих в формировании погоды и определяющих климат. Это т а к называемые климатообразующие процессы - теплооборот, вла- гооборот и атмосферная циркуляция.
Термин «теплооборот» описывает сложные процессы получения, передачи, переноса и потери тепла в системе «земля-атмосфера». Поток солнечной радиации, идущий от Солнца к Земле, частич- но отражается воздухом, облаками и примесями назад в мировое пространство. Эта энергия безвозвратно теряется для Земли. Дру- гая часть проходит сквозь атмосферу. Атмосфера частично и в сравнительно небольшой степени поглощает солнечную радиа- цию, преобразуя е в теплоту, частично рассеивает ее, изменяя спектральный состав.
Прямая солнечная радиация, прошедшая сквозь атмосферу, и рассеянная радиация, падая на земную поверхность, частично от нее отражаются, но в большей части поглощаются ею и нагрева- ют верхние слои почвы и водоемов. Земная поверхность сама ис- пускает невидимую инфракрасную радиацию, которую в большей части поглощает атмосфера, и нагревается. Атмосфера в свою оче- редь излучает инфракрасную радиацию, большую часть которой поглощает земная поверхность. В то же время земная и атмосфер- ная радиации непрерывно излучаются в мировое пространство и вместе с отраженной солнечной радиацией уравновешивают при- ток солнечной радиации к Земле.
С другой частью лучистой энергии, попавшей в атмосферу, происходит целый ряд превращений, результатом которых явля- ется нагревание земной поверхности и атмосферы (подробнее об этом см. в главе «Радиация в атмосфере»).
Кроме обмена тепла путем излучения между земной поверх- ностью и атмосферой происходит обмен тепла за счет теплопро- водности, причем особенно важную роль играет конвективное
перемешивание воздуха в вертикальном направлении. 16
Значительная часть солнечного тепла, поступающего на зем- ную поверхность, затрачивается на испарение воды, т.е. перехо- дит в скрытую форму. Потом, при конденсации водяного пара в атмосфере и, как правило, в районе, удаленном от места испаре- ния, это тепло, выделяясь, нагревает воздух.
Важнейшим процессом в теплообороте является горизонталь- ный перенос тепла воздушными течениями, направленными из одних мест земли в другие.
Особенности процессов теплооборота наряду с суточным и сезонным ходом определяют температурный режим того или иного места. Температура воздуха, постоянно ощущаемая как тепло или холод, имеет важнейшее значение для жизни на Земле вообще, для жизни и хозяйственной деятельности людей в част- ности.
Как мы увидим ниже, распределение температуры воздуха по земному шару зависит от общих условий притока солнечной
радиации по широтам, от распределения суши и моря, которые по-разному поглощают радиацию и по-разному нагреваются, и, наконец, от воздушных течений, переносящих воздух из одних областей Земли в другие.
8. ВЛАГООБОРОТ
Кроме теплооборота между земной поверхностью и атмосфе- рой происходит постоянный оборот воды, или влагооборот. С по- верхности океанов и морей, а также других водоемов, с влажной почвы и растительности в атмосферу испаряется вода. На испаре- ние затрачивается большое количество тепла из почвы и верхних слоев воды. Водяной пар - вода в газообразном состоянии - важная составная часть атмосферного воздуха.
При существующих в атмосфере условиях водяной пар может испытывать и обратное преобразование: он конденсируется (сгу- щается) и превращается в капельки воды или кристаллики льда, вследствие чего возникают облака и туманы. В процессе конден- сации атмосфера получает большие количества скрытого тепла. Из облаков при определенных условиях выпадают осадки. Воз-
вращающиеся на земную поверхность осадки в целом уравнове- шивают испарение.
Количество выпадающих осадков и их распределение по сезонам влияют на растительный покров и земледелие. От распре- деления и колебания количества осадков зависят также условия стока, режим рек, уровень озер и другие гидрологические явле- ния. Большая или меньшая высота снежного покрова определяет промерзание почвы и режим многолетней мерзлоты.
17
9. АТМОСФЕРНАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ
Неравномерное распределение тепла в атмосфере приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, от распреде- ления давления зависит движение воздуха, т.е. воздушные течения. Движение воздуха относительно земной поверхности ощуща- ется нами как ветер. Следовательно, причиной появления ветров является неравномерное распределение давления. На характер движения воздуха относительно земной поверхности большое
влияние оказывает суточное вращение Земли. В нижних слоях ат- мосферы на движение воздуха влияет также трение. Масштабы го- ризонтальных атмосферных движений меняются в очень широких пределах: от мельчайших вихорьков, которые можно наблюдать, например, во время метели, и до волн, сравнимых с размерами материков и океанов.
Систему крупномасштабных воздушных течений на Земле назы- вают общей циркуляцией атмосферы. Основными элементами общей циркуляции атмосферы являются циклоны и антициклоны, т.е. волны и вихри размером в несколько тысяч километров, постоянно возни- кающие и разрушающиеся в атмосфере.
С воздушными течениями в системе общей циркуляции ат- мосферы связаны основные изменения погоды: воздушные мас- сы, перемещаясь из одних областей Земли в другие, приносят с собой свойственные им характеристики. Системы воздушных тече- ний общей циркуляции атмосферы, определяющие преобладание тех или иных воздушных масс в том или ином районе, являются также важнейшим фактором климатообразования.
Кроме воздушных течений общей циркуляции атмосферы климатообразующее значение имеют и циркуляции значительно меньшего масштаба (бризы, горно-долинные ветры и др.), носящие название местных циркуляций. Катастрофические погодные явле- ния связаны с вихрями малого масштаба: смерчами, тромбами, торнадо, а в тропиках с вихрями более крупного масштаба - тро-
пическими циклонами.
Ветер вызывает волнение водных поверхностей, многие океа- нические течения, дрейф льдов; он является важным фактором эрозии и рельефообразования.
10. КЛИМАТООБРАЗОВАНИЕ
Глобальный климат определяется как астрономическими, так и географическими факторами. Астрономические факторы - это светимость Солнца, положение и движение Земли в Солнечной
18
системе, наклон оси вращения Земли к плоскости орбиты и ско- рость вращения Земли вокруг своей оси, плотность материи в мировом пространстве. Все эти факторы определяют количество и распределение солнечной энергии, поступающей на Землю.
К географическим факторам относятся: размеры и масса Зем- ли, величина силы тяжести, масса и состав атмосферы, географи- ческое распределение материков и океанов, рельеф поверхности суши и дна океанов, масса и состав океана, характер поверхности
суши.
Состояние глобальной климатической системы определяет характер климатообразующих процессов - атмосферной цирку- ляции, теплооборота и влагооборота, которые протекают в раз- личной географической обстановке. Поэтому конкретные типы локальных климатов определяются такими географическими факто- рами, как широта, распределение суши и моря, строение поверхности суши (особенно крупномасштабная орография), почва, раститель- ный и снежный покров, морские льды, океанические течения. Особые, так называемые микроклиматические условия наблю-
даются в самом нижнем, приземном слое воздуха, в котором про- израстают сельскохозяйственные культуры. Здесь на особенности атмосферного режима влияют детали строения и состояния зем- ной поверхности.
Земля как небесное тело существует около 4,6 млрд лет. На протяжении геологической истории Земли сама атмосфера и кли- мат испытывали коренные изменения, связанные с изменениями астрономических факторов, состава атмосферы, строения земной поверхности. Величина климатических колебаний и временные масштабы их изменялись и изменяются в самых широких преде- лах - от десятков градусов до десятых градуса и от миллионов лет до тысячелетий и столетий. Изучение закономерностей изме- нений климатов прошлого важно для понимания современного климата. Об изменениях климата будет сказано в гл. 10.
11. НАБЛЮДЕНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТ В МЕТЕОРОЛОГИИ
Фактические сведения об атмосфере, погоде и климате дают наблюдения. Анализ результатов наблюдений служит в метеоро- логии и климатологии средством выяснения причинных связей в изучаемых явлениях.
11.1. В физике основным методом исследования является экс- перимент. В лаборатории можно поставить контролируемый экспе- римент, т.е. исследуя какое-либо физическое явление, оставлять 19
неизменными одни факторы и менять поочередно другие факторы, от которых, по нашему мнению, оно зависит. Таким путем можно получить точную количественную зависимость между физически- ми явлениями и определяющими их факторами. Но поставить контролируемый эксперимент в натуре с такими атмосферными явлениями крупного масштаба, как общая циркуляция атмосфе- ры или даже развитие циклона и антициклона, пока невозможно. Мы не можем взять несколько земных шаров с совершенно оди- наковыми атмосферой и земной поверхностью, с одной и той же орбитой вокруг Солнца, но, например, со скоростями вращения вокруг своей оси, отличающимися на порядок (2,4, 24 и 240 ч), и посмотреть, какая циркуляция будет на этих планетах, чем будут различаться циклоны или антициклоны, какой климат на них ус- тановится. Такого рода контролируемые эксперименты поставить невозможно. Поэтому метеорология, как и другие геофизические науки, вынуждена пользоваться другими средствами исследова- ния. Прежде всего это непрерывные наблюдения за процессами,
протекающими в природной обстановке, и выяснение причинно- следственных связей на основе полученных в результате наблюде- ний измерений. Непрерывно наблюдая за атмосферными процесса- ми, человек становится зрителем и регистратором тех грандиозных опытов, которые ставит сама природа. С появлением ЭВМ стал возможен и другой необычайно мощный метод исследования - метод математического моделирования атмосферных процессов, о чем мы скажем несколько ниже.
11.2. В последнее время в метеорологии применяется натур- ный эксперимент. К числу натурных экспериментов относятся, например, опыты осаждения облаков и получения осадков, а так- же рассеяния туманов путем различных физико-химических воз- действий на них. Такие опыты преследуют практические цели, но они позволяют также глубже разобраться в природе явления. Ис- кусственные воздействия на облака с целью предотвращения гра- добития доказали свою практическую полезность.
Насаждение лесных полос, создание водохранилищ, орошение местности и другие виды деятельности человека вносят некоторые изменения в состояние приземного слоя воздуха. Следовательно, и они в некоторой степени являются средствами метеорологическо- го (точнее, климатологического) эксперимента.
11.3. В ограниченной степени в метеорологии применяется и лабораторное моделирование некоторых атмосферных процессов, т.е. воспроизведение их в малом масштабе в различных лабораторных установках при упрощенных условиях. Таким путем моделируют- ся общая циркуляция атмосферы, особенности перетекания или 20
обтекания горных препятствий, строение осесимметричного цикло- на и др. Лабораторное моделирование позволяет установить самые общие свойства атмосферных движений.
12. СТАТИСТИЧЕСКИЙ
И ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗЫ
12.1. Метеорология имеет дело с огромными массивами на- блюдений, которые нужно анализировать для выяснения законо- мерностей, существующих в атмосферных процессах. Поэтому в метеорологии широко применяются статистические методы ана- лиза больших массивов наблюдений.
Особенно широко и часто статистические методы использу- ются в климатологии. Климатология берет в качестве исходного материала результаты метеорологических наблюдений сети метео- рологических станций всего земного шара, подвергает их статисти- ческой обработке. Первым шагом такой обработки является опе- рация осреднения. Осредненные величины затем сопоставляются во времени и пространстве. Для полного представления о клима- те недостаточно наблюдений единовременных или в течение ко- ротких промежутков времени. Атмосферные процессы настолько изменчивы и многообразны, что для изучения современного кли- мата, всех его особенностей необходимо располагать многолетни- ми наблюдениями.
Применение мощных современных статистических методов помогает яснее представить факты и лучше обнаружить связи между ними. Однако статистика не объясняет фактов и связей. А именно их объяснение открывает наиболее надежный путь к предвидению (прогнозу) дальнейшего развития атмосферных про- цессов и к сознательному воздействию на них.
12.2. Поскольку в метеорологии рассматриваются физические явления, их объяснение может быть дано только на основании законов физики. Наиболее совершенный путь для этого - физи- ко-математический анализ. ВХ столетии достигнуты большие успехи в его применении к задачам метеорологии. Опираясь на общие законы физики, в частности законы движения сплошной среды, составляются дифференциальные уравнения,описываю- щие атмосферные процессы. Затем, используя фактические на- блюдения в качестве начальных данных, решают (интегрируют) дифференциальные уравнения. Уравнения эти достаточно сложны, поэтому решаются обычно численными методами с применением ЭВМ. Таким путем можно находить количественные закономер- ности атмосферных процессов и прогнозировать их дальнейшее течение. В силу чрезвычайной сложности атмосферных процессов
21
невозможно одной системой уравнений описать все встречающи- еся в атмосфере движения. Возникает необходимость упрощать уравнения путем построения моделей атмосферы различной сложности, в которых стараются сохранять главные факторы, влияющие на атмосферные движения, и отбрасывать второсте- пенные совсем или учитывать их в упрощенном виде. Получен- ная в результате решения этих уравнений модельная картина ат- мосферных движений сравнивается с фактической, на основании сравнения судят о степени правильности описания реальной ат- мосферы данной моделью. Такой метод математического модели- рования приобрел в настоящее время широкое распространение как в прогнозе погоды, так и в теории климата. Именно он явля- ется сейчас основным инструментом изучения атмосферы и ее взаимодействия с океаном и поверхностью суши.
13. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ
13.1. Метеорологические наблюдения - э т о измерения метеоро- логических величин, а также регистрация атмосферных явлений. К метеорологическим величинам относятся: температура и влаж- ность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, количество и высота облаков, количество осадков, потоки тепла и др. К ним присоединяются величины, непосредственно не отражающие свойств атмосферы или атмосферных процессов, но тесно связанные с ними. Таковы температура почвы и поверх- ностного слоя воды, испарение, высота и состояние снежного по- крова, продолжительность солнечного сияния и т.п. На некото- рых станциях производятся наблюдения над солнечным и земным излучением и над атмосферным электричеством.
К атмосферным явлениям относятся: гроза, метель, пыльная буря, туман, ряд оптических явлений, таких как голубой цвет неба, радуга, венцы и т.д.
Метеорологические наблюдения над состоянием атмосферы вне приземного слоя и до высот около 40 км носят название аэрологических наблюдений. Наблюдения над состоянием высоких слоев атмосферы можно назвать аэрономическими. Они отличаются от аэрологических наблюдений как по методике, так и по наблю- даемым параметрам.
13.2. Наиболее полные и точные наблюдения производятся в ме- теорологических и аэрологических обсерваториях. Число таких об- серваторий, однако, невелико. Кроме того, даже самые точные наблюдения, но производимые в небольшом числе пунктов, не могут дать исчерпывающего представления о состоянии всей ат- мосферы, поскольку атмосферные процессы протекают в разной
22
географической обстановке по-разному. Поэтому кроме метеоро- логических обсерваторий наблюдения над основными метеороло- гическими величинами ведутся еще примерно на 3500 метеоро- логических и 750 аэрологических станциях, размещенных по всему земному шару.
14. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ СЕТЬ
Атмосферные процессы, определяющие изменения погоды, развиваются на больших пространствах. Поэтому изучение их возможно, если метеорологические и аэрологические станции, ведущие наблюдения за атмосферными процессами, размещаются (по возможности равномерно) на таких же больших пространствах. Кроме того, изучение географического распределения метеороло- гических величин и сравнение состояния атмосферы (погоды и климата) в различных местах Земли возможно при условии, что метеорологические станции в каждой стране и во всех странах мира ведут наблюдения однотипными приборами, по единой ме- тодике и в определенные часы суток. Иными словами, станции в каждой стране и в мировом масштабе должны составлять единое целое - сеть метеорологических станций, метеорологическую сеть. В России так же, как и в большинстве стран мира, существует ос- новная государственная сеть метеорологических станций, отвечаю- щая указанному выше требованию - оснащению однотипными приборами, единообразной методикой наблюдений и согласован- ной по срокам работой.
Существуют и метеорологические станции специального назна- чения, связанные с различными потребностями науки и народного хозяйства, например станции на курортах, на транспорте и т.П. Метеорологические станции общегосударственной сети раз- мещаются по возможности равномерно в местах, характерных для данного района. Это необходимо для того, чтобы показания стан- ции были репрезентативными, т. .е показательными не только для е ближайших окрестностей, но и для возможно большего окру- жающего района. Метеорологические станции специального на- значения размещают, исходя из производственных задач.
15. ДЛИТЕЛЬНОСТЬ И НЕПРЕРЫВНОСТЬ НАБЛЮДЕНИЙ
Важнейшие требования к сетевым метеорологическим наблюде- ниям помимо синхронности - их длительность и непрерывность. Ход атмосферных процессов каждого года отличается от их хода в предыдущем и в последующем годах. Этим определяется необ-
23
ходимость п р и изучении климата иметь многолетние ряды систе- матических наблюдений. Для изучения изменений климата метео- рологические наблюдения должны производиться вообще неогра- ниченно долго. Важно также, чтобы станции как можно дольше не меняли своего местоположения: перенос станции в другое ме- сто обрывает многолетний ряд наблюдений или во всяком случае нарушает его однородность. Вредно сказываются на однородности рядов наблюдений застройка местности и другие изменения строе- ния земной поверхности вокруг станции.
Для целей предсказания погоды также необходимо вести ме- теорологические наблюдения постоянно и непрерывно: каждый день и час в атмосфере наблюдаются все новые, бесконечно раз- нообразные условия, за ходом которых необходимо следить пото- му, что прогноз погоды на будущее опирается на фактическую погоду в настоящем и погоду в прошлом.
16. ПРОГРАММА НАБЛЮДЕНИЙ
НА МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ СТАНЦИЯХ
16.1. Во всем мире на наземных метеорологических станциях производятся одновременные (синхронные) наблюдения в 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18, 21 ч по единому - гринвичскому - времени (времени нулевого пояса). Результаты наблюдений за эти так называемые
синоптические сроки немедленно передаются по телефону, теле- графу или по радио в органы службы погоды, где по ним состав- ляются синоптические карты и другие материалы, использующиеся для предсказания погоды.
16.2. На метеорологических станциях основного типа регистри- руются следующие метеорологические величины:
- температура воздуха на высоте 2 м над земной поверхностью; - атмосферное давление;
- влажность воздуха - парциальное давление водяного пара
в воздухе и относительная влажность;
- ветер - горизонтальное движение воздуха на высоте 10- 12 м над земной поверхностью (измеряется его скорость и опре- деляется направление, откуда дует ветер);
- количество осадков, выпавших из облаков, их типы (дождь, морось, снег и пр.);
- облачность - степень покрытия неба облаками, типы об- лаков по международной классификации, высота нижней границы облаков;
- наличие и интенсивность различных осадков, образующихся на земной поверхности и на предметах (росы, инея, гололеда и пр.), а также тумана;
24
- горизонтальная видимость - расстояние, на котором пере- стают различаться очертания предметов;
— продолжительность солнечного сияния;
- температура на поверхности почвы и на нескольких глубинах
в почве;
- состояние поверхности почвы;
- высота и плотность снежного покрова.
На некоторых станциях измеряется испарение воды с водных поверхностей или с почвы.
Регистрируются также метеорологические и оптические явле- ния: метели, шквалы, смерчи, мгла, пыльные бури, грозы, тихие электрические разряды, полярные сияния, радуга, круги и венцы вокруг дисков светил, миражи и др.
16.3. На береговых метеорологических станциях производятся также наблюдения над температурой воды и волнением водной поверхности. Программа наблюдений на судах отличается от на- блюдений на сухопутных станциях только в деталях. В программу работы станций, имеющих определенный производственный про- филь, например агрометеорологических, авиационных и др., включаются дополнительные наблюдения, связанные со специ- фикой обслуживания соответствующей отрасли хозяйственной деятельности (сельского хозяйства, авиации и т.п.).
Не все метеорологические величины наблюдаются в каждый срок наблюдений. Например, количество осадков измеряется че- тыре раза в сутки, высота снежного покрова - один раз в сутки, плотность снега — один раз в пять или десять дней и т.д.
16.4. Кроме метеорологических станций существует гораздо бо-
лее многочисленная сеть метеорологических постов, на которых производятся наблюдения только над осадками и снежным по-
кровом, так как для оценки распределения этих величин нужна более густая сеть наблюдений.
16.5. В программы наблюдений обсерваторий и ряда специ- альных станций входят еще наблюдения над солнечной радиаци- ей, земным излучением, отражательными свойствами поверхнос- ти земли и воды; наблюдения над температурой и влажностью воздуха на разных высотах в приземном слое воздуха (градиент- ные наблюдения); измерения содержания в воздухе озона, пыли, химических примесей, радиоактивных продуктов и др.; атмосфер- но-электрические наблюдения над ионизацией воздуха, т.е. над содержанием в нем электрически заряженных частиц, и над из- мерениями электрического поля атмосферы.
25
17. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
17.1. Набор измерительных средств, использующихся для на- блюдения за состоянием атмосферы и для ее исследования, не- обычайно широк: от простейших термометров и до зондирующих лазерных установок и специальных метеорологических спутников. Метеорологическими приборами обычно называют такие приборы, которые используются для проведения измерений на метеорологиче- ских станциях (на суше и на кораблях). Эти приборы сравнительно просты, они удовлетворяют требованию однотипности, позволяю- щему сравнивать наблюдения разных станций.
Метеорологические приборы устанавливаются на площадке станции под открытым небом. Только приборы для измерения давления (барометры) устанавливаются в помещении станции, поскольку разница между давлением воздуха под открытым небом и внутри помещения практически отсутствует.
Приборы для определения температуры и влажности воздуха должны быть защищены от действия солнечной радиации, осад- ков и порывов ветра. Поэтому их помещают в будках особой кон- струкции, так называемых метеорологических будках. На станциях устанавливаются также самопишущие приборы, дающие непрерыв- ную автоматическую регистрацию важнейших метеорологических величин (температуры и влажности воздуха, атмосферного давле- ния и ветра). Самопишущие приборы нередко сконструированы
так, что их датчики находятся на площадке или крыше здания на открытом воздухе, а регистрирующие части, связанные с датчика- ми электрической передачей, внутри здания.
17.2. Принципы работы ряда метеорологических приборов были предложены еще в XVII-XIX вв. Конец XIX и начало Х в. характеризуются унификацией основных метеорологических прибо- ров и созданием национальных и международной метеорологичес- ких сетей станций. С середины 40-х гг. Х в. в метеорологическом приборостроении наблюдается быстрый прогресс. Конструируют- ся новые приборы с использованием достижений современной физики и техники: термо- и фотоэлементов, полупроводников, радиосвязи и радиолокации, лазеров, различных химических ре- акций, звуковой локации. Особенно нужно отметить применение в метеорологических целях радиолокации, радиометрической и спектрометрической аппаратуры, установленной на метеорологи- ческих искусственных спутниках Земли (МИС3), а также развитие лазерных методов зондирования атмосферы. На экране радиоло- катора (радара) можно обнаружить скопления облаков, области осадков, грозы, атмосферные вихри в тропиках (ураганы и тайфу- 26
ны) в значительном отдалении от наблюдателя и прослеживать их перемещение и эволюцию.
Аппаратура, устанавливаемая на МИС3, позволяет видеть облака и облачные системы сверху днем и ночью, прослеживать изменение температуры с высотой, измерять ветер над океанами и т.п.
Применение лазеров позволяет с большой точностью опреде- лять малые примеси естественного и антропогенного происхож- дения, оптические свойства безоблачной атмосферы и облаков,
скорость их движения и др.
Широкое использование электроники (и, в частности, персо- нальных компьютеров) существенным образом автоматизирует обработку измерений, упрощает и ускоряет получение конечных результатов. Успешно осуществляется создание полуавтоматиче- ских и полностью автоматических метеорологических станций, передающих свои наблюдения в течение более или менее дли- тельного времени без вмешательства человека.
18. МЕТОДЫ АЭРОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ
18.1. Метеорологические наблюдения производятся приборами, установленными на метеорологических станциях у поверхности Земли. Цель аэрологических наблюдений заключается в получении сведений о значении метеорологических величин во всей толще атмосферы. К наиболее важным величинам относятся скорость и направление ветра, температура и влажность воздуха, измеряемые последовательно на различных уровнях атмосферы (от нижних слоев до самых высоких). Для этой цели применяются: шары-пилоты, ра- диопилоты, радиозонды, аэростаты постоянного уровня, специально оборудованные самолеты, метеорологические ракеты и метеорологи- ческие искусственные спутники Земли.
18.2. Наиболее простым видом аэрологических наблюдений являет- ся ветровое зондирование, т.е. наблюдения над ветром в свободной атмосфере с помощью шаров-пилотов - небольших резиновых шаров, наполненных водородом или гелием, выпускаемых в сво- бодный полет. Наблюдая за движением шара в оптические теодо- литы либо определяя его положение путем радиопеленгации или радиолокации подвешенной к нему антенны-отражателя (радио- ветровое зондирование), можно определить скорость и направле- ние переноса шара по мере его подъема во все более высоких слоях атмосферы. Понятно, что движение шара определяется скоростью и направлением ветра в этих слоях. В последнее время радиоветровое зондирование почти полностью вытеснило шаро-
27
пилотное зондирование, поскольку оно позволяет получать данные о ветре и в облачных условиях, когда оптические наблюдения оказываются невозможными.
18.3. Сведения о температуре, влажности и давлении в сво- бодной атмосфере получают с помощью метода радиозондирова- ния, впервые разработанного в СССР П.А. Молчановым в 1930 г. В настоящее время он применяется метеорологическим службами всех стран. П.А. Молчанов изобрел радиозонд, по существу пер- вый телеметрический прибор, который имел датчики температуры, влажности и давления. Радиозонд подвешивался к шару, напол- ненному водородом. Поднимаясь вверх и находясь в полете, прибор посылал по радио сигналы, которые принимались на землеи тут же переводились в значения метеорологических величин. Совре- менный радиозонд значительно усовершенствован. Он применя- ется вместе с радиолокатором, обработка его сигналов полностью автоматизирована. Подвесив к шару антенну-отражатель и радио- зонд и проследив за его движением с помощью радиолокатора, рассчитывают скорость и направление ветра, температуру, влаж- ность и давление до высоты 30-40 км. Метод радиозондирова- ния вызвал переворот в методах аэрологических наблюдений и во всей современной метеорологии. Радиозондовые наблюдения без всякого промедления стали использоваться службой погоды, что особенно повысило их ценность. Благодаря радиозондированию несравнимо возросли наши знания о слоях атмосферы до высоты 30-40 км.
Сеть радиозондовых станций с разной степенью густоты покры- вает все материки земного шара. Над океанами, за исключением островов, в настоящее время существует всего одна аэрологиче- ская станция насудне погоды - в Тихом океане. Чтобы попол- нить сведения об атмосфере над океанами, широко используются наблюдения аз ветром рейсовых гражданских самолетов. Специ- альные самолеты, оборудованные под летающие аэрологические обсерватории, являются важным средством для специальных слож- ных наблюдений, требующих участия наблюдателя (например, для изучения физического строения облаков, измерения потоков солнечного и земного излучения, наблюдений аз атмосферным электричеством).
18.4. Особенно бурно метеорологические исследования стали развиваться со времени запуска в СССР в 1957-1958 гг. первых искусственных спутников Земли. С 1960 г. регулярно запускаются метеорологические спутники для наблюдения нижележащих слоев атмосферы. Наибольшее применение в метеорологии получили спутники, запускаемые на околополярную солнечно-синхронную
28
орбиту, и геостационарные спутники, орбита которых лежит в экваториальной плоскости, а угловая скорость равна угловой ско- рости вращения Земли. Геостационарные спутники все время «висят» над одной и той же точкой экватора.
Аппаратура, установленная на полярно-орбитальных спутни- ках, передает фототелевизионные и инфракрасные изображения облачного покрова земного шара, измеряет потоки солнечной и земной радиации, прослеживает распределение температуры и влажности по высоте в атмосфере и др. Геостационарные спутни- ки передают фототелевизионные и инфракрасные изображения облачного покрова в полосе между 45° с.ш. и 45° ю.ш. с интерва- лом 25-30 мин, что позволяет также определять по движениям облаков скорость ветра на двух уровнях над океанами.
18.5. В последние десятилетия для специальных исследова- тельских целей запускаются шары большого диаметра с оболочкой из полиэтилена - трансокеанские зонды, снабженные автомати- ческими приборами, передающими данные измерений по радио. Подъемная сила трансзондов рассчитана таким образом, что они уравновешиваются при определенном достаточно низком давле-
нии в верхней атмосфере. Вместе с воздушными течениями эти шары дрейфуют в слое с одним и тем же давлением обычно на высоте 15-20 км много дней подряд. Определение траекторий полета таких шаров имеет значение для изучения переноса воздуха вразличных слоях атмосферы, особенно над океанами и в тропи- ках, где сеть аэрологических станций недостаточна.
18.6. Для исследования высоких слоев атмосферы (выше 30- 40 км) запускают метеорологические и геофизические ракеты, в голов- ных частях которых установлены различные приборы. Показания приборов, передаваемые по радио,и прослеживание сбрасывае- мых с парашютами головных частей ракет дают возможность из-
мерять температуру, давление, состав, скорость и направление ветра и т. д. Важным методом исследования высоких слоев явля- ются наблюдения за распространением радиоволн и радиолокация метеорных следов, образуемых влетающими в атмосферу метеорами.
19. ПРИМЕНЕНИЕ КАРТ
Атмосферные процессы, определяющие условия погоды и ее многолетний режим - климат, развиваются на больших про- странствах. Чтобы получить представление об условиях погоды и характеристиках климата, естественно воспользоваться географи- ческими картами, с помощью которых можно сопоставлять наблю- дения, произведенные в разных пунктах, а последующий анализ 29
наблюдений покажет уже пространственное распределение на- блюденных величин.
Обычно на карту условными знаками и цифрами наносят фактические результаты наблюдений на метеорологических стан-
циях, сделанные в один физический момент времени. Такая кар- та называется синоптической, или картой погоды; она позволяет видеть, как распределялись условия погоды и, следовательно, ка- ковы были свойства атмосферы и характер атмосферных процес- сов в момент наблюдений над большой территорией, например над Северным полушарием. Составляя синоптические карты для последовательных моментов времени, например сроков метеороло- гических наблюдений, можно прослеживать развитие атмосферных процессов и делать выводы о будущей погоде.
На карты можно наносить результаты статистической обра- ботки многолетних метеорологических наблюдений; тогда мы по- лучим климатологические карты. Можно составить, например, карты многолетнего среднего распределения температуры или осадков над определенной территорией за тот или иной месяц, карты средних дат установления снежного покрова, карты повто- ряемости гроз, карты наибольших или наименьших температур, наблюдавшихся на этой территории, и др. Климатологические карты позволяют делать выводы о пространственном распределе- нии особенностей или типов климата, получать представление о климатических характеристиках в местах, где нет наблюдений, анализировать причинно-следственные связи, определяющие климатические особенности.
20. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ СЛУЖБА
Во всех странах существуют специальные государственные организации, так называемые метеорологические службы. В состав таких служб входят государственные сети метеорологических, аэрологических и других специализированных станций, опера- тивные и научные метеорологические учреждения. Задачами ме- теорологической службы являются: развитие научных исследова- ний атмосферы, практическое обслуживание народного хозяйства и населения информацией о погоде и климате, составление и распространение прогнозов погоды и прогнозов опасных явлений погоды. В России руководство метеорологической службой осу- ществляет Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). В его систему кроме сети станций входят: научно-исследовательские институты,
гидрометеорологические центры и обсерватории, авиаметеороло- 30
гические станции, центры по изучению и контролю загрязнения природной среды и т.д. Научно-исследовательские институты несут ответственность за различные области метеорологии. Так, Глав- ная геофизическая обсерватория имени А.И. Воейкова в С.-Петер- бурге, основанная в 1849 г., отвечает за организацию климатиче- ских исследований и службу загрязнений атмосферы; Российский гидрометеорологический центр в Москве, созданный в 1930 г., - за все виды метеорологических прогнозов, Центральная аэроло- гическая обсерватория в г. Долгопрудном - за методы аэрологи- ческих измерений, изучение физических свойств атмосферы, включая облака; Российский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации в Обнинске - за хранение, систематизацию и распространение гидрометеорологической ин- формации; Арктический и Антарктический научно-исследователь- ский институт в С.-Петербурге - за метеорологическое изучение Арктики и Антарктики. Метеорологические и климатологические исследования ведутся также в Институте прикладной геофизики им. Е.К. Федорова, Институте экспериментальной метеорологии, Государственном океанографическом институте, в региональных научно-исследовательских институтах (в Нальчике, Новосибир- ске, Владивостоке), в гидрометеорологических обсерваториях. Специалисты метеорологи готовятся в Российском гидрометеоро- логическом университете в С.-Петербурге, в Московском, С.- Пе- тербургском, Казанском, Саратовском, Пермском, Томском, Вла- дивостокском государственных университетах.
Фундаментальные проблемы климата разрабатываются в Ин- ституте вычислительной математики и Институте физики атмо- сферы им. А.М. Обухова РАН, изучение взаимодействия океана и атмосферы ведется в Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН, проблемы палеоклиматологии исследуются в Институте географии РАН. Организацией Академии наук и Росгидромета является Институт глобального климата и экологии, задача кото- рого - наблюдение за изменениями климата и окружающей чело-
вечество среды и их изменениями под влиянием антропогенных воздействий.
21. ВСЕМИРНАЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ
Атмосферные процессы не знают государственных границ. Воздух, сегодня, например, располагающийся над Скандинавией, завтра может оказаться над Северным Кавказом или Поволжьем. Неблагоприятные условия погоды наносят ущерб хозяйству любой
31
страны, поэтому метеорологические наблюдения и исследования ведутся во всех странах. Именно поэтому существует настоятель- ная необходимость в обмене метеорологической информацией между странами, в единообразии методики наблюдений и их об- работки, в унификации форм оперативного обслуживания метео- рологической информацией и прогнозами, а следовательно, в согласовании работы метеорологических служб всего мира. Такой организацией является Всемирная метеорологическая организа- ция (ВМО).
Международное сотрудничество в области метеорологии на- чалось во второй половине XIX в. В 1873 г. в Вене состоялся Первый международный метеорологический конгресс, приняв- ший решение по вопросам градуировки и проверки метеорологи- ческих приборов, сроков наблюдений, единиц измерений, взаим- ного обмена информацией по телеграфу и заложивший основы Международной метеорологической организации. Для придания постоянного характера международному сотрудничеству было ре- шено учредить Постоянный комитет, который должен был коор- динировать деятельность метеорологических служб в промежут- ках между регулярно созывавшимися конференциями директоров метеорологических служб, а также учреждать международные ко- миссии по разным вопросам метеорологии. Второй Международ- ный метеорологический конгресс собрался в 1879 г., его участником был Д.И. Менделеев. На этом конгрессе была одобрена идея про- ведения Первого Международного полярного года (1882-1883), заложившего начало последующих грандиозных международных научных экспериментов X в.
После Второй мировой войны сотрудничество метеорологи- ческих служб было восстановлено на новой основе: была создана Всемирная метеорологическая организация (ВМО) - специали- зированное межправительственное агентство Организации объеди- ненных наций. Высшим органом ВМО является Конгресс, который собирается раз в четыре года, утверждает бюджет, избирает прези- дента, трех вице-президентов и Исполнительный совет, состоящий из 26 директоров национальных метеорологических или гидроме- теорологических служб. В Исполнительный совет входят по долж- ности также президенты шести региональных ассоциаций ВМО, которые объединяют метеорологические службыАфрики, Азии, Южной Америки, Северной Америки, Австралии, Океании и Евро- пы. Техническую деятельность организации осуществляют восемь технических комиссий, а также Секретариат ВМО, который нахо- дится в Женеве.
Одной из важнейших программ ВМО является поддержание на должном уровне функционирования Всемирной службы погоды
32
(ВСП), у истоков которой стояли два знаменитых метеоролога В.А. Бугаев (СССР) и Г. Векслер (США) и сотрудник Секретариа- та ВМО Алака (об этой программе см. дальше). Другой важной программой ВМО, учрежденной в 1979 г., является Всемирная климатическая программа, задачами которой являются изучение изменений климата, построение теории климата и его изменений под влиянием естественных и антропогенных факторов, а также возможных последствий для человечества таких изменений.
22. ИЗ ИСТОРИИ МЕТЕОРОЛОГИИ И КЛИМАТОЛОГИИ
22.1. Еще на заре своей истории человек сталкивался с небла- гоприятными атмосферными явлениями. Не понимая их, он обо- жествлял грозные и стихийные явления, связанные с атмосферой (Перун, Зевс, Дажбог). По мере развития цивилизации в Китае, Индии, странах Средиземноморья делаются попытки регулярных метеорологических наблюдений, появляются отдельные догадки о причинах атмосферных процессов и зачаточные научные пред- ставления о климате. Первый свод знаний об атмосферных явле- ниях был составлен Аристотелем, взгляды которого затем долго определяли представления об атмосфере. В средние века регистри- ровались наиболее выдающиеся атмосферные явления, такие как катастрофические засухи, исключительно холодные зимы, дожди и наводнения.
Современная научная метеорология ведет начало с XVII в., когда были заложены основы физики, частью которой на первых порах являлась метеорология. Галилеем и его учениками были изобретены термометр, барометр, дождемер, появилась возмож- ность инструментальных наблюдений. Начиная со второй полови- ны XVII в. Академия экспериментирования в Тоскане организова- ла первую немногочисленную сеть инструментальных наблюдений, которые проводились в нескольких пунктах в Европе. Кроме того, непременной частью программ всех морских плаваний было про- ведение наблюдений за погодой.
В это же время появились первые метеорологические теории. Э. Галлей дал первое объяснение муссонов, а Г. Хэдли (Гадлей) опубликовал известный трактат о пассатах. К середине XVIII в. М.В. Ломоносов уже считал метеорологию самостоятельной наукой со своими методами и задачами, из которых главной, по его мне- нию, было «предзнание погод»; он создал первую теорию атмосфер- ного электричества, построил метеорологические приборы, выска- зал ряд важных соображений о климате и о возможности научного предсказания погоды.
33
Во второй половине XVIII в. по частной инициативе было организовано Мангеймское метеорологическое общество, кото- рое создало в Европе на добровольной основе сеть из 39 метеоро- логических станций (в том числе три в России - С.-Петербург, Москва, Пышменский завод), укомплектованных единообразными и проградуированными приборами. Сеть функционировала 12 лет. Результаты наблюдений были опубликованы. Они стимулировали дальнейшее развитие метеорологических исследований.
22.2. В середине XIX в. возникают первые государственные сетистанций, а уже в начале века трудами А. Гумбольдта и Г.Д. Дове в Германии закладываются основы климатологии. Около 1820 г. Г.В. Брандес в Германии нанес на географические карты наблюдения Маннгеймской сети станций. Таким образом появи- лись первые синоптические карты, позволившие обнаружить об- ласти высокого и низкого давления. Они оказались подвижными и двигались, как правило, с запада на восток. После изобретения телеграфа с 50-х гт. по инициативе знаменитого астронома У. Ле- верье во Франции и адмирала Р. Фицроя в Англии синоптический метод исследования атмосферных процессов быстро вошел в общее употребление. На его основе возникла служба погоды и новая от-
расль метеорологической науки - синоптическая метеорология. 22.3. К середине XIX в. относится организация первых метео- рологических институтов, в том числе Главной физической (ныне геофизической) обсерватории в Петербурге (1849). Ее директору (с 1868 по 1895 г.) Г.И. Вильду принадлежат историческая заслуга организации в России образцовой метеорологической сети и ряд капитальных исследований климатических условий страны. По- мощник Вильда, а позднее директор обсерватории М.А. Рыкачев был организатором службы погоды в России (в начале 70-х гг.).
Во второй половине XIX в. были заложены основы динами- ческой метеорологии, т. е. применения законов гидромеханики и термодинамики к исследованиям атмосферных процессов. Боль- шой вклад в эту область метеорологии был сделан Кориолисом и Пуассоном во Франции, В.Феррелем в США, Г. Гельмгольцем в Германии, Г. Моном и К. Гульдбергом в Норвегии. В это же время исследование климата в тесной связи с общей географической обстановкой было сильно продвинуто трудами великого русского географа иклиматолога А.И. Воейкова, атакже Ю. Ганна вАвстрии, В. Кёппена в Германии и других. К концу столетия усилилось изучение радиационных и электрических процессов в атмосфере. 22.4. Развитие метеорологии в Х в. шло все нарастающими темпами. В очень краткой характеристике этого развития назовем только несколько областей. Успехи динамической метеорологии 34
в первой четверти века были связаны с трудами В. Бьеркнеса и его учеников в Норвегии, М. Маргулеса в Австрии, В. Нэпир-Шоу в Англии, А.А. Фридмана, Н.Е. Кочина, И.А. Кибеля, Л.В. Келлера в СССР, К.Г. Россби в Швеции. Работы по теоретической метеоро- логии, особенно в Советском Союзе, все более сосредоточива- лись на проблеме численного прогноза, хотя пионерская работа Л. Ричардсона (Англия) в 1922 г. окончилась неудачей. Первый крупный успех в этой области был достигнут И.А. Кибелем (1940), дальнейшее развитие теория прогноза метеорологических полей получила вработах академика Г.И. Марчука, академика А.М. Обу- хова, Е.Н.Блиновой,Н.И. Булеева, М.И.Юдина, А.Ф.Дюбюка и других (СССР), К.Г. Россби, Ж. Чарни, Н. Филлипса, Дж. Смаго- ринского (США). С появлением ЭВМ эти первоначально чисто теоретические исследования очень быстро нашли применение в практике работы службы погоды СССР, США, Англии, Фран- ции, Германии и многих других стран. Синоптическая метеоро- логия также быстро шагнула вперед особенно благодаря работам В. Бьеркнеса, Я. Бьеркнеса, П. Сольберга,Т. Бержерона вНорве- гии, А.И. Аскназия,С.П.Хромова, Х.П.Погосяна, В.А. Бугаева, В.А. Джорджио, Н.Л. Табаровского, Б.Д. Успенского в СССР, С. Петерсена в Норвегии и США. Б.П. Мультановский, Г.Я. Ван- генгейм, Е.Н. Блинова, С.Т. Пагава, А.А. Гире, А.Л. Кац, Н.А. Баг- ров начали разрабатывать важнейшую в практическом отношении проблему долгосрочного прогноза погоды.
22.5. Большие успехи достигнуты с начала Х в. в области аэрологических исследований. Во многих странах выдвинулись выдающиеся организаторы и исследователи вэтом, тогда еще новом направлении. В частности, в 1902 г. А. Тейсеран де Бор (Франция) открыл существование тропопаузы и стратосферы. Это открытие вскоре было подтверждено Р. Ассманом (Германия). Позднее стало знаменитым имя изобретателя первого радиозонда П.А. Молчанова. Широкое использование радиолокационной техники для аэрологических исследований связано с именами Г.И. Голышева, В.В. Костарева, Б.Д. Рождественского. На основе достижений во всех указанных областях метеорологии в настоя- щее время в огромной степени увеличились фактические знания и углубились теоретические представления об общей циркуляции атмосферы - механизме великого круговорота воздуха на Земле. 22.6. Велик в Х в. и прогресс в актинометрии - учении о радиации в атмосфере. Основные заслуги в разработке методов и приборов для измерения потоков лучистой энергии, организации сети актинометрических станций в России и СССР принадлежат О.Д. Хвольсону, В.А. Михельсону, С.И. Савинову, Н.Н. Калитину,
35
Ю.Д. Янишевскому. Из многих имен ученых, работавших в этой области в других странах, отметим А. Онгстрема (Швеция), С. Лан- глея и Г. Аббота (США), Ф. Линке (Германия). Крупный вклад в теорию переноса лучистой энергии в атмосфере внесли Е.С. Куз- нецов, академик В.В. Шулейкин, академик В.Е. Зуев, В.Г. Кастров, К.С. Шифрин, а в измерения радиации с метеорологических спуг- ников - академик К.Я. Кондратьев.
22.7. Сильно продвинулась вперед физика облаков и осадков. Крупные результаты в СССР в этой области получены Н.С. Шиш- киным, А.Х. Хргианом, А.М. Боровиковым, И.П. Мазиным. Еще в 1930 г. В.Н. Оболенским были начаты работы по искусственному воздействию на облака. В дальнейшем под руководством акаде- мика Е.К. Федорова эти работы были доведены до практических результатов (борьба с градобитиями). За работы по искусственному воздействию на облака Е.К. Федоров, Г.К. Сулаквелидзе, И.И. Гай- варонский и другие ученые удостоены Государственной премии. 22.8. В СССР, США, Норвегии и других странах появились новые, углубленные подходы к климатологическим исследовани- ям. Особенно большой вклад в разработку проблем климатологии в СССР внесен трудами А.А. Каминского, Л.С. Берга,Е.С. Ру- бинштейн, Б.П. Алисова, академика А.А. Григорьева, М.И. Буды- ко, О.А. Дроздова. П о д руководством М.М. Сомова, академика А.Ф. Трешникова, Е.Н. Толстикова проведены обширные исследо- вания климата Арктики и Антарктиды. Результаты исследований ледового материка обобщены в «Атласе Антарктиды», за который В.А. Бугаев, Е.И. Толстиков, А.Ф. Трешников удостоены Государ- ственной премии.
22.9. В развитии сельскохозяйственной метеорологии боль-
шую роль сыграли работы П.И. Броунова, Ф.Ф. Давитая, С.А. Са- пожниковой, Ю.И. Чиркова.
22.10. Замечательные результаты в исследовании турбулентных закономерностей атмосферных движений, строении приземного и пограничного слоев, а также процессов тепло- и влагообмена в них получены аз последние 30-40 лет в России академиком А.Н. Кол- могоровым, академиком А.М. Обуховым, А.С. Мониным и мно- гими другими исследователями.
22.11. Во второй половине ХХ в. огромное значение приобрели проблемы загрязнения атмосферы и распространения примесей как естественного, так и (особенно) антропогенного происхожде- ния. Потребовалось создание специальной службы загрязнений. Под руководством академика Е.К. Федорова и Ю.А. Израэля эта служба была создана за очень короткое время. Также быстро были разработаны методы расчета распространения примесей.
36
Развитие народного хозяйства привело к необходимости более тщательного учета свойств атмосферных процессов. Поэтому стали интенсивно развиваться многие отрасли прикладной климатоло-
гии, такие как авиационная, медицинская, строительная и др. 22.12. Во всем мире и в нашей стране объем метеорологиче- ских исследований и число публикаций бурно растут; накоплен большой опыт международного сотрудничества в проведении та- ких международных программ, как Программа исследования гло- бальных атмосферных процессов, и уникальных экспериментов, подобных Международному геофизическому году (1957-1958), Атлантическому тропическому эксперименту (1974), Первому глобальному эксперименту ПИГАП (ПГЭП) (1978-1979) и т.д. Развитие человечества выдвигает перед метеорологией все новые глобальные метеорологические проблемы, требующие кол- лективных усилий метеорологов всех стран и, конечно, сохранения мира на нашей планете.
Вопросы
1. Что называется атмосферой? Какая разница между водой и возду- хом? Как сказывается это различие в формировании верхней границы атмосферы?
2. Какая наука называется метеорологией?
3. В чем заключается основная задача метеорологии?
4. Что называется климатологией?
5. Что понимается под локальным и глобальным климатом?
6. В чем заключается практическое значение метеорологии?
7. В чем заключается практическое значение климатологии?
8. Что такое погода?
9. Какими величинами и какими явлениями характеризуется погода? 10. Что вы знаете об источниках энергии атмосферных процессов?
12. Какие географические факторы влияют на климат?
13. Назовите главные источники знаний об атмосфере.
14. Перечислите основные методы исследования, применяемые в ме- теорологии.
15. Что такое метеорологические наблюдения? Какова программа на- блюдений на метеорологических станциях?
16. Что такое аэрологические станции и какие наблюдения они ведут? 17. Что такое метеорологическая сеть?
18. Каковы требования, предъявляемые к наблюдениям на метеоро- логической сети?
19. Как используются искусственные спутники Земли в метеорологии? 20. Какой наиболее употребительный способ отображения метеорологи- ческой и климатической информации для анализа состояния атмосферы? 21. Опишите задачиВсемирной метеорологической организации.
22. Каковы задачи Федеральной службы России по гидрометеороло- гии и мониторингу окружающей среды?
37
