Исследования атмосферы показали, что изменения погоды тесно связаны с такими ее элементами (свойствами), как давление воздуха, его температура и влажность, ветер, облачность, осадки и т. д. Определяя количественные значения всех этих элементов, можно организовать научное наблюдение за погодой в большом количестве пунктов на поверхности Земли[1]Подробнее о метеорологических элементах см. в брошюре «Научно-популярной библиотеки» Гостехиздата: М. В. Беляков , Атмосфера.
.
Вначале дело ограничивалось наблюдениями температуры воздуха, затем стали наблюдать за давлением, влажностью, ветром, облачностью и т. д., и не только непосредственно у земной поверхности, но и на разных высотах. Были созданы постоянно действующие пункты — метеорологические станции, оснащенные нужными приборами и располагающие специально подготовленными наблюдателями. Такие станции создавались как на равнине, так и в горах (рис. 1).
Рис. 1. Высокогорная метеорологическая станция.
Температура воздуха измеряется с помощью термометров, с точностью до 0,1 градуса, в специальных, хорошо продуваемых деревянных будках, а также непосредственно на поверхности земли. При этом записывают также наименьшую и наибольшую температуру в промежутках между наблюдениями.
Давление воздуха определяется по ртутному барометру. Для определения влажности воздуха применяются гигрометры, в которых используется свойство обезжиренных волос удлиняться при увеличении влажности воздуха. Для этой же цели применяются психрометры, состоящие из двух термометров: ртутный шарик одного из них покрыт полоской тонкой материи, конец которой опущен в стаканчик с водой. Показания «смоченного» термометра зависят от влажности полоски материи, а показания сухого — соответствуют температуре окружающего воздуха. По разности их показаний, которая тем больше, чем меньше влажность воздуха, по специальным таблицам определяется относительная влажность воздуха в процентах.
Скорость и направление ветра определяются флюгером.
Для непрерывной записи изменений давления, температуры и влажности воздуха применяются самопишущие приборы — барограф, термограф и гигрограф[2]Об устройстве этих приборов рассказано в брошюре В. К. Щукина , Штурм неба, «Научно-популярная библиотека» Гостехиздата.
.
Скорость и направление ветра на разных высотах метеорологи определяют путем наблюдений за полетом легких резиновых шаров, наполненных водородом — так называемых шаров-пилотов. На таких шарах на высоту поднимают также специальные приборы — радиозонды, которые автоматически передают по радио на землю данные о температуре, давлении и влажности воздуха.
В отдельных случаях для продолжительных исследований свойств воздушных масс наблюдатели с приборами поднимаются на свободных аэростатах. Такую же работу выполняют поднимающиеся на большие высоты автоматические стратостаты (без наблюдателей), снабженные самопишущими приборами.
С развитием авиации стали широко применяться подъемы метеорологических приборов на самолетах. В последнее время метеорологические службы всех стран ведут большие работы по созданию дистанционных метеорологических приборов, передающих свои показания по проводам или по радио. В пустынных и горных местностях применяются автоматически действующие радиометеорологические станции, ведущие наблюдения без людей и передающие результаты по радио (рис. 2).
Рис. 2. Автоматическая метеорологическая станция.
Для подъема приборов на очень большие высоты применяют ракеты.
Новое средство для изучения атмосферы и ее процессов дала в руки метеорологов радиолокация[3]О радиолокации читайте в брошюре «Научно-популярной библиотеки» Гостехиздата: Ф. И. Честнов , Радиолокация.
. При помощи радиолокационных установок можно обнаруживать на значительных расстояниях ливневые осадки и грозы. Наконец, большое значение в практике исследований атмосферы имеют и так называемые косвенные методы исследований — наблюдения метеоров, изучение спектра ночного и сумеречного неба, спектра полярных сияний, распространения в атмосфере световых волн, звуковых волн и радиоволн.
На первых порах результаты метеорологических наблюдений использовались в основном только для изучения климата отдельных районов. Для этого на отдельных метеостанциях вычисляли средние величины отдельных метеорологических элементов за месяц и за год, что и давало возможность судить о среднем, обычном состоянии погоды в том или ином районе, т. е. о том, что мы называем климатом.
Такое изучение климата, основывающееся на накоплении результатов наблюдений за длительные сроки, продолжается и до сих пор.
В то же время, обрабатывая результаты наблюдений, метеорологи стали наносить их на географические карты, что давало наглядное представление о погоде на большой территории.
Изучая такие карты, метеорологи вскоре обнаружили, что условия погоды, наблюдающиеся в какой-либо день в одном районе, на другой день перемещаются в другой район, иногда на довольно значительное расстояние. Эта способность погоды перемещаться навела на мысль о том, что если непрерывно следить за ее движением, то можно будет предвидеть и вероятные изменения погоды по пути ее перемещения.
Эта задача была, однако, успешно решена только после появления телеграфа, при помощи которого можно быстро собирать сведения о погоде одновременно из разных пунктов.
В настоящее время во всех странах мира существует широко разветвленная сеть метеорологических станций, которые в соответствии с международными соглашениями производят наблюдения по определенной программе.
Результаты наблюдений станций передаются по телеграфу и радио в центральные метеорологические учреждения каждой страны и затем в виде сводок по радио для обмена с соседними странами. Это позволяет производить как бы «фотографирование» состояния погоды в один и тот же момент времени на большом пространстве. Наблюдения производятся на всех станциях через каждые два часа, т. е. 12 раз в сутки. В СССР сроками регулярных наблюдений являются 01, 03, 05, 07, 09, 11, 13, 15, 17, 19, 21 и 23 часа московского декретного времени. Результаты наблюдений, поступающие в центры Службы погоды, наносятся на так называемые синоптические карты. Название это происходит от греческого слова «синопсис», что значит «обозрение». На синоптической карте можно обозревать состояние погоды за один и тот же момент времени на больших пространствах. Такие карты представляют собой «немые» географические карты, на которых бледной краской нанесены контуры материков, морей и рек и маленькими кружками обозначены пункты, в которых расположены метеорологические станции.
В зависимости от размеров охватываемой территории синоптические карты делятся на основные и дополнительные. Основные карты, охватывающие процессы на всей территории нашей страны, составляются четыре раза в сутки, по наблюдениям в 03, 09, 15 и 21 час. Эти карты являются основой для предсказания погоды на ближайшие сутки. По наблюдениям в сроки 01, 07, 13 и 19 часов составляются дополнительные карты; они охватывают меньшую территорию и служат для уточнения погоды в районах, близких к данному центру Службы погоды. Наконец, наблюдения в промежуточные сроки (05, 11, 17 и 23 часа) используются для выяснения, в случае надобности, подробностей развития того или иного процесса в ограниченном районе.
По данным наблюдений на разных высотах составляются высотные синоптические карты, позволяющие судить об изменениях состояния атмосферы в некотором слое над земной поверхностью.
В наиболее крупных центрах Службы погоды, кроме указанных карт, составляются карты для территории всего северного полушария. Они используются при составлении прогнозов погоды на сроки более суток и для научно-исследовательской работы.
Каждое очередное донесение с метеорологической станции содержит в настоящее время очень большое количество сведений. Сюда входят данные о температуре, давлении и влажности воздуха, об облачности и осадках, о ветрах, грозах, метелях, туманах, видимости и т. д. Многие станции сообщают результаты наблюдений за ветром, а также давлением, температурой и влажностью воздуха не только у земли, но и на разных высотах.
Передавать по телеграфу такие донесения словами, да еще 12 раз в сутки, от большого количества станций было бы просто невозможно. Для упрощения передачи сведений Всемирная (международная) метеорологическая организация разработала и приняла специальный международный цифровой код. При помощи этого кода все содержание очередного сообщения метеорологической станции может быть уложено в несколько групп цифр — по пяти цифр в каждой группе.
У цифрового кода есть еще и то преимущество, что он позволяет понимать телеграмму, из какой бы страны она не пришла. Составленную по международному коду телеграмму может прочесть любой человек, знающий код, независимо от того, на каком языке он говорит. Таким путем все страны без затруднений обмениваются сводками наблюдений метеорологических станций.
Как уже было сказано, наиболее наглядным способом изображения состояния погоды на большой территории является нанесение результатов наблюдений на географические карты. Для этого была разработана система специальных условных обозначений. Как и код для телеграмм, она согласована в международном порядке.
Специальными условными знаками и цифрами на карте вокруг кружка, обозначающего данную метеорологическую станцию, изображается состояние погоды в тот момент, которому соответствует полученное со станции кодированное сообщение. Пример такого изображения приведен на рис. 3.
Рис. 3. Пример нанесения данных наблюдений одной метеостанции на карту погоды.
В приведенном случае рисунок изображает состояние погоды, изложенное в одной из очередных кодированных телеграмм.
Нанесенные на рис. 3 цифры и значки означают, что на данной станции наблюдалась следующая погода: небо было сплошь покрыто плотными высокослоистыми и разорваннодождевыми облаками, причем последние были в количестве семи баллов и располагались на высоте 300 метров. Ветер силой восемь баллов дул с юго-запада. Между двумя последними наблюдениями шел непрерывный сильный снег; снег шел и в момент наблюдения. Температура воздуха была 7 градусов мороза, давление воздуха 1001,3 миллибара, причем за последние три часа оно упало на 2 миллибара. Дальность видимости земных предметов была равна 500 метрам. Влажность воздуха колебалась в пределах 80–89 процентов.
Вы видите, насколько подробно и наглядно можно судить о погоде в одном пункте. В то же время нужно иметь в виду, что нанесение этих данных на карту делается вручную; при мелком масштабе карт и большом количестве пунктов наблюдений такая работа является очень трудоемкой.
На рис. 4 приведена часть синоптической карты с нанесенными на ней данными ряда метеорологических станций. Полностью зачерненный кружок означает, что небо полностью покрыто облаками; кружок, зачерненный наполовину, — облаками закрыта половина неба, и т. д. Ветер изображен стрелками, летящими по ветру и упирающимися в кружок, обозначающий станцию. Сила ветра определяется числом перышек у стрелки, в баллах (один балл соответствует 2 м/с) и т. д. (см. пример на рис. 3).
Уже в таком виде карта погоды позволяет получить некоторое общее представление о состоянии погоды на всей территории, охватываемой картой.
Для более подробного анализа процессов в атмосфере карта подвергается дальнейшей обработке. При этом в первую очередь выясняется, как распределяется давление воздуха. Это можно вполне наглядно выявить, если на карте провести линии, соединяющие места с одинаковым атмосферным давлением. Такие линии равных давлений называются изобарами. Они проводятся обычно через каждые 5 миллибар. Величина давления, соответствующая изобаре, указывается цифрой.
Изобары образуют на синоптической карте разнообразные фигуры — «барические системы». При этом отчетливо выделяются два основных типа этих фигур. В одном случае изобары, замыкаясь, образуют зоны, в которых давление воздуха понижается от краев к центру. Это так называемые циклоны. В другом случае образуются зоны, в которых давление воздуха от краев к центру повышается — так называемые антициклоны.
Рис. 4. Образец синоптической карты. Карта составлена по данным наблюдений в 21 час 28 января 1953 г.
Кроме того, на картах можно видеть «гребни» (отроги) — выступающие части областей высокого давления — и «ложбины» — части областей низкого давления, а также «седловины» — области, лежащие между расположенными крест-накрест двумя циклонами и двумя антициклонами (см. рис. 5).
Рис. 5. Барические системы.
Центральные части циклонов на синоптической карте обозначаются буквой Н (низкое давление), а у антициклонов — буквой В (высокое давление).
Необходимо отметить то очень важное обстоятельство, что с распределением давления воздуха непосредственно связаны как само возникновение, так и направление и скорость ветра. При этом на картах легко обнаружить, что воздух всегда движется вдоль изобар, под небольшим углом к ним, оставляя более низкое давление слева. В результате циклоны и антициклоны представляют собой не застывшие области низкого и высокого давления воздуха, а мощные атмосферные вихри.
Кроме изобар, на синоптических картах проводятся линии, обозначающие разделы между массами воздуха с различными температурами и влажностью воздуха — это так называемые линии фронтов. Линия с круглыми зубцами обозначает теплый фронт, а линия с острыми зубцами — холодный.
В результате такой обработки синоптические карты и приобретают вид, изображенный на рисунке 4.