Известно, что прогнозы погоды не всегда оказываются правильными. Однако практика показывает, что в настоящее время прогнозы оправдываются уже в 80 и даже в 90 случаях из 100. При этом также следует учитывать одно существенное обстоятельство: во многих случаях предсказание погоды по всем ее элементам не имеет большого практического значения. Так, например, для сельского хозяйства не так уж важно знать, какова будет высота облаков. Иное дело — каков будет ход температуры? Да и здесь наибольшее значение имеет переход ее через 0 градусов. Ошибка в 1–2 градуса при температуре около 0 градусов играет значительно большую роль, чем такая же ошибка при других температурах, более высоких или низких.
В быту мы оцениваем прогнозы, передающиеся Бюро погоды по радио, обычно по температуре и осадкам. Надо сказать, что пока еще невозможно совершенно точно сказать, где, в каком пункте и в какой именно час будет дождь. Атмосферные процессы, связанные с выпадением осадков, очень сложны. Слишком много причин обусловливают их выпадение. Тут и вертикальные токи воздуха, и ветер, и степень увлажнения и прогретости воздуха и поверхности земли и т. д. Вот почему в прогнозах погоды говорится лишь о том, что ожидаются «временами дожди», «местами по области дожди» и т. п.
При этом бывает еще и так: синоптик предсказал для района Москвы дождь, а дождь захватил лишь некоторые районы Москвы. И вот, скажем, жители района Сокольников, где дождь прошел, говорят, что синоптики дали правильный прогноз, а жители юго-западного района столицы, где дождя не было, будут ворчать, что Служба погоды «опять ошиблась».
Кроме того, как уже было сказано выше (стр. 23), осадки, связанные с прохождением фронтов, обычно занимают некоторые определенные и достаточно обширные зоны. Появление таких осадков относительно легко предвидеть, следя по синоптическим картам за их перемещением. Сложнее обстоит дело при определении места и времени возникновения осадков, например, внутри холодной воздушной массы, в которой они быстро возникают и быстро прекращаются.
Что касается температуры воздуха, то наиболее резкие ее изменения наблюдаются при прохождении атмосферных фронтов. Определить же точно момент прохождения через данный пункт фронта иногда бывает очень трудно. Колебания в скорости перемещения этих разделов могут достигать больших величин. При этом синоптику, дающему прогноз, трудно определить тот момент, когда температура резко изменится. Большую роль играет и то обстоятельство, что направление перемещения фронтов нередко изменяется. В результате возможен, например, такой случай. По ходу развития атмосферного процесса можно предполагать, что масса холодного воздуха, вторгающегося с севера или северо-востока в центральную часть Европейской территории СССР, достигнет Москвы к 18 часам такого-то числа и вызовет резкое похолодание. Однако достаточно этой массе совсем немного не дойти до Москвы или пройти где-то восточнее или западнее, как высказанное предположение для Москвы уже не оправдается.
Все это не означает, однако, что подобные трудности неодолимы. Методы наблюдений и исследований атмосферы и сами методы прогнозирования беспрерывно совершенствуются. Так, в последнее время в практике метеорологической службы все шире используется радиолокационная техника. Она позволяет следить за образованием и перемещением дождей и своевременно предупреждать о ливнях и граде.
Весьма существенное значение для дальнейшего улучшения прогнозов погоды имеет быстрая обработка данных метеонаблюдений. Теперь для этой цели начали использовать электронно-счетные машины[7]Об этих машинах рассказывает брошюра «Научно-популярной библиотеки» Гостехиздата: М. С. Тукачинский , Как считают машины.
.
Они позволяют за очень короткий срок, за один-два часа, проделать такую вычислительную работу, на которую требуются месяцы труда вычислителей!
Работа машин в этом случае в общих чертах заключается в следующем. Исходный материал в виде цифровых записей — результатов наблюдений на отдельных метеостанциях, переносится на специальные карточки стандартной формы, на которых пробиваются группы отверстий, соответствующие данным числам. На таких же карточках, опять-таки в виде групп отверстий, наносится в числовом выражении программа решения задачи. После этого исходные данные и программа решения задачи вводятся в вычислительную машину. Результаты расчета, выполняемого машиной, выражаются в виде чисел, позволяющих при нанесении их на карту в тех же пунктах, в которых были заданы исходные величины, строить карты будущего распределения метеорологических элементов. Такие предвычисленные карты погоды следующего дня позволяют синоптику с большей вероятностью строить предположения о том, какие предстоят изменения условий погоды в том или ином пункте или районе.
Внедрение электронно-вычислительной техники в практику Службы погоды открывает широкие перспективы для улучшения качества прогнозов погоды.
В последнее время учеными было открыто, что многие атмосферные процессы можно описать на основе точных законов физики, математики и термодинамики. Найдены соответствующие математические уравнения, решая которые можно определить вероятное будущее распределение давления, температуры и влажности воздуха, осадков и ветра и соответственно вероятное размещение циклонов и антициклонов, атмосферных фронтов и воздушных масс.
В результате теперь имеются способы, которые позволяют численным путем составить прогноз изменения давления и температуры воздуха на сутки вперед. Особенно полезно предвычисление будущего распределения давления воздуха. Это предвычисление позволяет строить карты будущего распределения давления воздуха и таким путем установить предстоящее распределение областей высокого и низкого давления, что, как вы уже знаете, весьма важно для анализа и прогноза погоды.
Использование такого метода, требующего большого количества расчетов, возможно только с помощью электронных вычислительных устройств.
Рассматривая вопрос о перспективах улучшения прогнозов погоды, необходимо также учитывать следующее.
До недавнего времени исследование атмосферных процессов, влияющих на погоду, в основном базировалось на наблюдениях в нижнем слое атмосферы — тропосфере, т. е. до высот порядка 8–15 километров. Но земная атмосфера распространяется в высоту до многих сотен километров. Взаимодействие и взаимозависимость процессов во всей толще атмосферы еще недостаточно изучены.
Мы уже говорили, что основную роль в развитии атмосферных процессов на Земле играет Солнце. Однако вопрос о роли солнечной активности в изменении погоды также еще мало изучен, главным образом из-за того, что до последнего времени не было точных инструментальных наблюдений над состоянием высоких слоев атмосферы.
Связь между солнечной активностью и процессами в атмосфере была, в частности, обнаружена при изучении солнечных пятен. Как известно, максимум пятен повторяется регулярно через каждые 11 лет. Установлено, что в периоды этих максимумов наблюдаются некоторые отклонения от нормы в развитии атмосферных процессов на Земле. В то же время периодичность в изменении количества солнечных пятен обусловливает и периодичность некоторых явлений на Земле. Так, например, при увеличении числа пятен на Солнце в тропиках в зоне Азия — Австралия наблюдается понижение давления воздуха, а в зоне Америки и восточной части Тихого океана повышение. Известно также, что наводнения в долине Нила повторяются через 22 года, т. е. ровно через два периода между очередными максимумами солнечных пятен.
Кроме солнечных пятен, на атмосферу Земли влияет ультрафиолетовое и рентгеновское излучения Солнца; под действием этих излучений в высоких слоях атмосферы образуется особый слой — ионосфера, простирающийся от высоты в 70 километров, примерно до высоты в 500 километров над поверхностью Земли[8]Подробнее об этом см. в брошюре: Ф. И. Честнов , Загадка ионосферы, «Научно-популярная библиотека» Гостехиздата.
.
Интенсивность ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца меняется в связи с изменением солнечной активности, что приводит к изменениям в состоянии слоев ионосферы.
Солнце является также источником различных электрически заряженных частиц-корпускул, выбрасываемых в межпланетное пространство. Наблюдения показывают, что приближение этих частиц к Земле вызывает в ее атмосфере целый ряд явлений. Возникают возмущения в магнитном поле Земли, появляются полярные сияния, нарушаются нормальные условия отражения радиоволн от ионосферных слоев.
Все указанные нами виды солнечного излучения оказывают непосредственное влияние лишь на очень высокие слои атмосферы. Например, ультрафиолетовое излучение Солнца практически до поверхности Земли не доходит, поглощаясь по пути воздухом атмосферы и особенно входящим в его состав газом озоном. Последний имеет наибольшую концентрацию на высоте порядка 30 километров над поверхностью Земли и служит барьером для ультрафиолетового излучения Солнца. Корпускулярное излучение также проникает в земную атмосферу до высот порядка 60–70 километров над земной поверхностью.
Однако в последние годы снова обращено внимание на то, что целый ряд явлений, наблюдающихся в нижних слоях атмосферы, все же связан с изменением солнечной активности. Помимо уже приводившихся выше примеров, обращает на себя внимание то, что в периоды максимумов солнечной активности температура в тропических поясах Земли приблизительно на полградуса ниже, чем в периоды минимумов. Неоднократно обнаруживалась связь между солнечной активностью и числом гроз и т. д.
Все это приводит к мысли, что в атмосфере Земли действует какой-то еще недостаточно исследованный механизм, обусловливающий связь изменений погоды на земном шаре с солнечной активностью.
В настоящее время есть предположение, что между верхними и нижними слоями атмосферы существует достаточно интенсивный обмен, в процессе которого энергия, поглощаемая верхними слоями атмосферы, переносится в ее нижние слои. Выяснить этот вопрос, однако, можно лишь путем подробных исследований атмосферы по вертикали, до больших высот.
Большую помощь в этом теперь оказывают метеорологические ракеты и искусственные спутники Земли.
Продолжающееся исследование вопроса о том, как влияет солнечная активность на процессы в атмосфере, открывает большие перспективы в изучении физических процессов в атмосфере и законов, ими управляющих. А это в свою очередь несомненно даст в руки метеорологов дополнительные и очень важные сведения, которые позволят улучшить качество прогнозов погоды.
Процессы, происходящие в атмосфере, взаимосвязаны в масштабе всего земного шара. Вспомните хотя бы тот же пример с влиянием ледовитости арктических морей на уровень африканских озер! Даже кажущиеся чисто местными явления атмосферы в какой-то степени неизбежно связаны с общей циркуляцией атмосферы, от полюса до полюса. Между тем наблюдения над состоянием атмосферы до сих пор в основном производятся в обжитых районах, так как организовать метеорологические станции в приполярных, горных и пустынных районах не так легко. Более 70 процентов поверхности Земли занято океанами и морями, где наблюдения могут быть обеспечены также лишь в ограниченной степени, на плавающих судах.
Конечно, в будущем сеть метеостанций равномерно покроет всю поверхность земного шара. В настоящее время, пока эта проблема не решена, организуются согласованные в международном порядке эпизодические массовые исследования атмосферы в целом. Такие исследования были проведены, например, в международные полярные годы (МПГ) в 1882–1883 и 1932–1933 годах, в основном в полярных областях. В настоящее же время, как известно, проводится Международный геофизический год (МГГ)[9]Подробнее см. в брошюре: В. П. Цесевич , Международный геофизический год, Гсстехиздат, 1957.
. Наблюдения по этому году проводятся в течение 18 месяцев — с 1 июля 1957 г. по 31 декабря 1958 г. Это время совпадает с периодом максимума солнечной активности, когда все явления на Земле, связанные с деятельностью Солнца, выражены наиболее отчетливо. В огромную программу исследований в период МГГ входят изучение метеорологических явлений, земных токов, полярных сияний, свечения ночного неба, ионосферы, метеоров, солнечной активности, космических лучей, ледников и вечной мерзлоты и т. д. Организованы специальные станции в малодоступных районах земного шара, в частности в тропиках, в Арктике и Антарктике.
Особое внимание уделяется исследованию атмосферы при помощи ракет и искусственных спутников Земли. Советский Союз принимает активное участие в проведении МГГ. Ученые СССР организовали специальные пункты наблюдений и в Арктике, на дрейфующих льдинах, и в Антарктиде, в поселках «Мирный», «Восток» и «Советская». Наблюдения в океане производятся на дизель-электроходе «Обь», на судах «Витязь», «Океан» и др. Для того чтобы получить единовременную картину состояния атмосферы по определенным направлениям, организованы дополнительные станции, расположенные вдоль специально выбранных меридианов и параллелей. Метеорологические исследования по материалам МГГ в СССР проводятся в основном по следующим проблемам: изучение общей циркуляции атмосферы и трехмерный анализ состояния атмосферы на больших пространствах; изучение динамики атмосферы у экватора и обмена воздуха между северным и южным полушариями; изучение связи между явлениями в атмосфере и нижней стратосфере и т. д. Кроме того, большое внимание уделяется вопросам изучения космических лучей, корпускулярного и ультрафиолетового излучения Солнца и исследованию ионосферы.
При помощи советских метеорологических ракет уже получены весьма ценные сведения о распределении давления и плотности воздуха на больших высотах, о строении ионосферы. Исключительно ценные сведения об атмосфере дали наши искусственные спутники Земли.
Одноступенчатая геофизическая ракета с научной аппаратурой весом в 1690 килограммов, запущенная в СССР 27 августа 1958 года, достигла огромной высоты в 450 километров. Помимо разнообразной научной аппаратуры на ней в специальной герметической кабине были помещены два подопытных животных — собаки «Белянка» и «Пестрая».
После спуска ракеты на землю, было установлено, что животные находятся в хорошем состоянии. Вся аппаратура работала в полете нормально.
Успешное испытание этой ракеты явилось еще одним доказательством превосходства советской науки и техники.
Результаты исследований в период МГГ будут иметь исключительно важное значение для решения многих вопросов в области улучшения качества предвидения погоды.