Изобретатель - природа
Шрифт:
"Возьмите ведро, наполните его водой и придайте ему равномерное вращательное движение вокруг собственной оси, - пишет ученый.
– Вода и ведро - жидкое и твердое тела - составят одно целое в движении, как и в состоянии покоя. Вода одинакова всюду внутри ведра, а ведро остается ведром во всех точках поверхности. Поэтому всегда можно знать, что происходит в ведре".
Причем же здесь метеорология?
Земля и атмосфера - это то же самое ведро с водой. Но с такими усложнениями, что весь процесс становится в конце концов длинной серией исключений из правил.
Твердое (ведро - это Земля) и газообразное (вода - атмосфера) тела прочно связаны друг с другом. Но вот первая помеха: Земля вращается не только вокруг своей оси, но и вокруг Солнца, являющегося единственным источником энергии. Эта энергия распределяется
Но известно ли, где, когда и как эти воздушные массы, начавшие движение от полюсов и экватора, неожиданно остановятся и начнут свое "сумасшедшее" кружение? "Это похоже на шарики в воронке, - поясняет Морель.
– Потрясешь, они проходят сквозь отверстие, а затем вдруг где-то как-то сталкиваются, и движение прекращается. Попробуйте узнать, почему..."
В конце концов итоговый, вполне определенный вид движения атмосферы должен установиться, но стабильным, устойчивым это течение является не более чем устойчив обруч, установленный на сфере. Малейшее возмущение - и колесо покатится, или, как образно выразился известный математик, взмах платка в принципе может привести в движение атмосферу всей планеты.
"...В самом деле, - говорит советский ученый, доктор географических наук В. Самойленко, - ведь если смотреть правде в глаза, то можно поразиться громадному количеству физических и географических факторов, в разных частях планеты оказывающих в той или иной степени влияние на атмосферные процессы. Поэтому в каждый данный момент имеется огромное число вариантов дальнейшего развития атмосферных процессов на Земле в целом. Их приходится учитывать даже при прогнозе погоды на ближайшие сутки. Но чем дальше отодвигается в будущее срок предсказания, тем больше становится число возможных вариантов, и, наконец, их оказывается так много, что состояние атмосферы, которое наступит через 10-15 дней, фактически уже становится не более чем делом-случая, который предсказать невозможно.
Да, прогнозирование погоды на большой срок - дело совсем не простое как из-за разнообразия способов перехода энергии в атмосфере из одних форм в другие, так и из-за влияния множества факторов планетарного характера. Тут, как говорится, ничего не поделаешь, процессы, происходящие в воздушном океане нашей планеты, подчиняются сложнейшим и пока практически неизвестным законам внутреннего развития, в результате чего то или иное воздействие на атмосферу довольно часто приводит к совершенно непредсказуемым изменениям погоды в каждой конкретной местности Земли. Кроме того, на погоду сейчас все в большей степени влияет совершенно новый фактор - глобальная деятельность человека. По глубокому убеждению видного американского ученого профессора Корнеллского университета Карла Сагана, "точные прогнозы погоды, особенно, скажем, на неделю вперед, - вещь пока неслыханная".
Но наука тем и сильна, что не терпит скепсиса, когда речь идет о решении жизненно важных для всего человечества глобальных проблем. По данным Всемирной метеорологической организации, сегодня более чем в 50 странах проводятся научные исследования и оперативная работа по долгосрочному - в пределах месяца или сезона - прогнозированию погоды. Объединяются усилия ученых на всех континентах, объединяются и науки, чтобы разгадать секреты "кухни" погоды, найти новые методы и средства для повышения оправдываемых прогнозов.
В поисках ключа к тайнам погоды
За последние 20-25 лет в различных странах мира учеными разработано много довольно сложных математических моделей для расчета будущего состояния погоды. В каждой из них в той или иной степени детализации учитываются все основные физические процессы и явления, протекающие в атмосфере, океане и почве. Для практического использования таких моделей в качестве прогностического инструмента необходимо знать текущее
Модель невозможно сделать абсолютно адекватной природе. В ней существуют различного рода аппроксимации (приближения) и параметризации, которые вносят в результаты расчетов "шум" и ошибки. "Компьютерные глобальные модели - это пока своего рода искусство, поскольку нам никогда не удается достичь того уровня, на котором происходят физические процессы", - говорит директор Европейского метеорологического центра Леннарт Бенгтссон. Начальная информация также содержит "шум", связанный с неполнотой данных наблюдений, их плотностью и точностью измерений. Таким образом, ошибки, содержащиеся в начальной информации и в самой модели, а также создаваемые ЭВМ за счет округлений при вычислениях, в процессе работы модели (во время прогноза) порождают новые ошибки, "шум". Этот "шум" из-за нелинейности уравнений модели со временем растет и через определенный момент времени (примерно через неделю) оказывается доминирующим над полезной информацией. Такое свойство модели породило отмеченный нами выше так называемый теоретический предел предсказуемости погоды не более чем на 7-10 дней.
Обычно в подобной метеорологии - области науки - принято проводить эксперименты. Но как можно экспериментировать с погодой? В каком-то узком масштабе это возможно, но, безусловно, не в мировом. А для того чтобы понять и использовать для долгосрочного прогноза закономерности атмосферы как единой целостной физической системы, метеорология нуждается прежде всего во всеобъемлющей, глобальной информации о многообразных процессах, происходящих в воздушном океане и подстилающее поверхности. При отсутствии точных данных о поведенш атмосферы на всем земном шаре в течение определенной периода времени, хотя бы в течение года, нельзя, невозможно судить о справедливости тех или иных допущений, которые неизбежно делаются при построении теории движения атмосферы - теоретической основы прогнозов погоды. Хорошо осознавая это, метеорологи давно вынашивали идею создания глобальной системы наблюдений, которая позволила бы выявить те физические процессы, которые определяют формирование крупных аномалий погоды на долгий срок. Реализация этой идеи стала возможной с появлением спутников и накопленным в СССР и США в 60-е и 70-е годы опытом эксплуатации метеорологических космических систем совместно с наземными системами наблюдения за атмосферой.
11 лет длилась под эгидой Всемирной метеорологической организации и Международного совета научных союзов подготовка грандиозного международного мероприятия - Первого глобального эксперимента Программы исследования глобальных атмосферных процессов (ПИГАП). В нем приняли участие более 50 государств, в том числе и Советский Союз.
Временная глобальная наблюдательная система начала функционировать 1 декабря 1978 года и завершила работу 1 декабря 1979 года. Основой системы являлась традиционная сеть наблюдений Всемирной службы погоды: свыше 2500 синоптических станций (из них в СССР - более 500), ведущих наблюдения за погодой у земли, свыше 700 аэрологических станций (из них в СССР - более 200), зондирующих атмосферу до высоты 30-40 километров, и система полярно-орбитальных метеорологических спутников СССР и США, фотографирующих облачный покров в видимом и инфракрасном диапазонах спектра излучения (некоторые из этих спутников выполняют также дистанционное зондирование атмосферы - фиксируют распределение температуры в атмосфере по высоте в подспутниковом районе). В дополнение, к этой постоянно действующей сети наблюдений были созданы временные наблюдательные системы. Над экватором на высоту 35 800 километров было выведено 5 геостационарных спутников, расположенных примерно на равных расстояниях друг от друга. Обработка последовательных фотографий облаков с этих спутников позволяла определять скорость и направление ветра на нескольких высотах в атмосфере в широтном поясе между 50 градусами с. ш. и 50 градусами ю. ш.