Метеорология


МЕТЕОРОЛОГИЯ, наука об атмосфере (см.), воздушной оболочке Земли, о ее строении и происходящих в ней процессах, преимущественно физических. Однако, поскольку атмосфера находится в постоянном взаимодействии с подстилающей поверхностью Земли, в Метеорологии рассматриваются также тепловой режим почвы, теплообмен между почвой или водой и воздухом, испарение с подстилающей поверхности и т. п. Также не изолирована атмосфера и от мирового пространства, что заставляет Метеорологию интересоваться некоторыми вопросами, смежными с астрофизикой, как, например, солнечная постоянная, Метеоры|метеоры , космическое излучение. Определение Метеорологии как науки о погоде (см.) более узко, так как не все атмосферные явления охватываются термином «погода» в обычном его значении.

Методы Метеорологии. Научная Метеорология начала свое существование как отрасль физики; важнейшие открытия физики газов в 17 и 18 вв., начиная с открытия атмосферного давления, имели как чисто физическое, так и метеорологическое значение. Теперь Метеорология относится к наукам геофизическим (см. Геофизика) вместе с сейсмологией, учением о земном магнитизме, физикой моря и т. д. Этим подчеркивается, что Метеорология объясняет атмосферные процессы, исходя из общих законов физики; существенным отличием метода Метеорологии, как и других геофизических дисциплин, от чистой физики является преобладающая роль наблюдения в сравнении с экспериментом. Значение эксперимента в Метеорологии невелико, поскольку мы пока не в состоянии лабораторно воспроизводить, важнейшие атмосферные процессы или хотя бы строить их уменьшенные модели с сохранением подобия действующих сил. Систематические наблюдения на метеорологических станциях (см.) являются основным источником наших знаний об атмосфере. При этом Метеорология заинтересована не только в постоянном повышении точности наблюдений, но в особенности, в распространении их по возможности равномерно и с однородными приборами на весь земной шар и на высокие слои атмосферы, а также в укорочении интервалов между наблюдениями. Очень важны самопишущие приборы, непрерывно автоматически регистрирующие ход метеорологических элементов (температура, давление, влажность воздуха, ветер и пр.), а также развитие средств подъема их в высокие слои атмосферы. «Планетарный» характер объекта исследования требует международного сотрудничества в деле организации и регламентации наблюдений (см. Метеорологическая организация международная).

При наблюдениях факторы, определяющие процесс, нельзя целесообразно изменять или исключать, как при янсперименте; отсюда очевидно важное значение накопления возможно большего числа наблюдений и дальнейшей статистической их обработки с целью отделения основных факторов того или иного процесса от привходящих. Далее многочисленность и недостаточная изученность факторов, а в особенности географическая обусловленность атмосферных процессов, зависимость их, например, от рельефа и строения поверхности Земли и т. п. не дает в настоящее время больших возможтей для точного математического анализа процессов. Поэтому применение математического метода в Метеорологии пока стоит на довольно низкой ступени в сравнении с физикой.

До второй половины 18 в. метеорологические наблюдения производились на немногочисленных отдельных станциях, что не давало возможности для широких и правильных обобщений. В конце 18 в. началась организация сетей станций; связное рассмотрение результатов их наблюдений дало Метеорологии крупные достижения. В это время оформился статистико-климатологический Метод|метод исследования. Позднее климатология (см.) обособилась от Метеорологии как наука географическая. Но и в Метеорологии в тесном смысле статистическая обработка наблюдений с целью открытия закономерностей в ходе процессов сохранила, как уже упомянуто, важную роль.

С половины 19 в. возник синоптический метод исследования, т. е. изучение атмосферных процессов планетарного масштаба с помощью регулярно, Изо|изо дня в день составляемых синоптических карт погоды (см.), карт распределения метеорологических элементов в определенный момент на большом географическом пространстве. На основе этого метода стала возможной служба погоды (см.), т. е. предсказание погоды, хотя и недоста'точно точное, на 1 — 2 суток вперед. Одновременно началось применение в метеорологии дедуктивных методов исследования, т. е. анализа процессов на основе положений гидромеханики, термодинамики и др. разделов физики. В конце 19 в. стало развиваться исследование высоких слоев атмосферы с помощью самопишущих приборов (см. Аэрология), весьма обогатившее наши Знание|знания об атмосферных процессах. В результате Метеорология все более изживает формально-описательные методы и все более подходит к атмосфере как к объекту физического исследования.

Состав и строение атмосферы. В вопросе о составе и вертикальном строении атмосферы уже в 20 в. произошла радикальная перестройка. Состав воздуха у поверхности Земли в основном известен давно. Но в 1896 Рамзай открыл в воздухе аргон и другие нейтральные газы. Позднее было установлено наличие озона (см.), преимущественно в высоких слоях атмосферы; в настоящее время изучение содержания и распределения озона привлекает особое внимание в связи с ролью этого газа в поглощении лучистой энергии атмосферой. Затем было установлено важное значение содержания в воздухе взвешенных частиц пыли и в особенности морской соли и следов различных гигроскопических газов (продукты сгорания). Именно гигроскопические частицы являются ядрами конденсации (см.) для водяного пара, содержащегося в воздухе, как показано многолетними работами Гильдинга Келера. В 1902 аэрологическими наблюдениями (Ассман, Тей-серан-де- Бор|Бор ) была открыта стратосфера (см.), т. е. изотермический слой атмосферы, лежащий над нижним слоем, толщиной 8 — 12 км (над экватором — 17 км), тропосферой. В последнее десятилетие теоретич. исследованиями установлено отсутствие диффузного равновесия, т. е. распределения газов с высотой согласно их плотности, не только в тропосфере, как предполагалось раньше, но и в значительно более высоких слоях. Пробы воздуха, взятые при подъемах на стратостатах, подтверждают, что по крайней мере до высоты 20 км состав воздуха почти не меняется.

Лучистая анергия в атмосфере. Следующий важнейший вопрос Метеорологии — учение о лучистой энергии в атмосфере. Солнечная радиация является практически единственным источником энергии всех атмосферных процессов, прежде всего движения в атмосфере. Неодинаковый приток радиации под различными широтами — основной фактор распределения тепла на нашей планете. Задача определения напряжения солнечной радиации, получаемой Землей «на границе атмосферы», т. е. солнечной постоянной, граничит с астрофизикой. Чисто метеорологической задачей является полный учет превращений солнечной энергии в атмосфере и на поверхности Земли, где она подвергается отражению, рассеянию, поглощению, и изучение радиационного обмена между мировым пространством, атмосферой и поверхностью Земли (см. Актинометрия). С открытием стратосферы к изучению радиационного обмена у поверхности Земли присоединилась задача изучения радиационного состояния атмосферы в целом, включая ее высокие слои. Изотермические условия в стратосфере находят более или менее удовлетворительное объяснение в предположении состояния лучистого равновесия. Особняком стоит теория оптических явлений в атмосфере (гало, венцы, радуга, миражи, рефракция и т. д.), обусловленных преломлением, диффракцией, отражением света каплями, кристаллами и т. д., взвешенными в атмосфере, и самим воздухом, а также изучение поляризации рассеянного (небесного) света. Наконец, много внимания уделяется сейчас практически важному вопросу о видимости в связи с воздушным планктоном, т. е. с содержанием посторонних частиц в воздухе.

Синоптическая Метеорология. Исследование процессов движения в атмосфере шло в Метеорологии с середины 19 в. по двум довольно обособленным путям. Эмпирическая дисциплина — синоптическая Метеорология изучает атмосферные движения в их конкретных, географически обусловленных формах. С помощью синоптических карт, составляемых ежедневно с 60-х гг. 19 в., синоптическая Метеорология установила наличие т. н. циклонической деятельности (см. Циклон), т. е. вихревого характера движений атмосферы во внетропических широтах, и эмпирически нашла, многие относящиеся сюда закономерности. Позднее, уже в последние 20 лет, были открыты (Бьеркнес, Сульберг, Бержерон) атмосферные фронты (см.), т. е. поверхности раздела между воздушными массами с различным происхождением и разными физич. свойствами; изучены т. н. очаги, преобладающие пути вторжений,, физич. характеристики воздушных масс, механизм и Зона|зоны образования фронтов и физич. процессы, связанные с ними. Еще до возникновения синоптической Метеорологии были уже в основном известны более устойчивые системы атмосферных движений,, как пассаты и муссоны (см.), и такие бурные проявления деятельности атмосферы, как тропические циклоны (см.). Упомянем еще об исследованиях вихрей более локального характера — торнадо, смерчей, местных гроз и т. д., а также Местные ветры|местных ветров , как фен, Бора|бора , горно-долинные ветры, бризы. На основе исследования указанных процессов Метеорология приходит в последнее время к более или менее ясному эмпирическому представлению об общей циркуляции атмосферы, т. е. о круговороте воздуха на нашей планете в целом (см. Атмосфера). Особенные успехи синоптической метеорологии за последние 20 лет связаны с использованием аэрологических наблюдений.

Макрометеорологичесвие исследования. Прослеживание атмосферных процессов на синоптических картах вместе с анализом результатов аэрологических подъемов дает возможность предвидеть с известной вероятностью дальнейший ход погоды на 1 — 2 суток вперед (см. Служба погоды). Задача предвидения погоды на более длительный срок — декада, месяц, сезон — еще находится в стадии первоначальной разработки. Основной метод здесь — статистическое (с помощью метода корреляций) изыскание связей между атмосферными процессами разных сезонов и разных районов земного шара, а также типизация процессов за прежние годы с целью подыскания аналогов, изучение смен процессов и т. д. Много работают в направлении изыскания связей между атмосферными процессами, с одной стороны, и океаническими и космическими (например, солнечные пятна) — с другой. Предлагаются различные методы разложения хода метеорологических элементов на составляющие «волны» с целью дальнейшей экстраполяции; усиленно изыскиваются разного рода ритмы и периоды в атмосферных процессах. К существенным и бесспорным успехам все эти исследования еще не привели.

Динамическая метеорология. Динамическая Метеорология стремится дать теорию процессов движения в атмосфере на основе законов гидромеханики. Важнейшие особенности атмосферы в отношении применения гидромеханики следующие: 1) сжимаемость воздуха, которой, однако, можно пренебречь при исследовании многих процессов большого масштаба; 2) БОЛЬШАЯ|большая роль Кориолисовой силы, обусловленной вращением Земли; 3) бароклиничность атмосферы, т. е. зависимость плотности не только от давления, но и от температуры; 4) турбулентная природа внутреннего трения атмосферы. Многообразие действительных факторов и сложность функциональных связей приводят в настоящее время к существенному разрыву между богатым эмпирическим материалом и гидромеханической теорией, чрезмерно упрощающей реальные условия, чтобы сделать их анализ возможным. Поэтому основная задача динамической Метеорология — предвычисление погоды — еще практически невозможна.

В начале прошлого века Лапласом была найдена зависимость между распределением давления и температуры с высотой, т. н. основное уравнение статики атмосферы или барометрическая формула, лежащая в основе важнейших расчетов разности высот по изменению давления и по температуре. В 30-х гг. была открыта отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса), а в 60-х гг. Стивенсоном введено понятие о барическом градиенте как об основной движущей силе в атмосфере. После этого стало возможным построение теории градиентного ветра, т. е. стационарного движения воздуха по Изобары|изобарам в отсутствии трения; эта весьма простая теория может быть приближенно применена во многих случаях с большой пользой. В 70-х гг. в атмосферные уравнения движения была введена еще в простейшей форме сила трения (Гульдберг и Мон). Уже в 20 в. был установлен турбулентный характер внутреннего трения атмосферы, вследствие чего оно в десятки тысяч раз превышает молекулярную вязкость. Проблема внутреннего трения в связи с Измена|измене нием ветра с высотой сейчас весьма актуальна. С помощью Механизм|механизма турбулентности происходит также обмен температуры, влажности и т. д. по вертикали. Представления, связанные с турбулентным обменом, переносятся также и на область макросиноптических процессов общей циркуляции атмосферы.

В конце 19 века Бьеркнес ввел в Метеорологию гидромеханическое понятие о циркуляции атмосферы и установил связь ускорения циркуляции, т. е. возникновения и поддержания ее, с бароклиническим распределением масс в данном участке атмосферы. Это понятие стало наиболее общей базой динамической Метеорологии, т. к. все движения атмосферы имеют циркуляционный характер, определяясь неравномерным распределением температуры. Затем Маргулес выяснил, что источник кинетической энергии наиболее существенных атмосферных движений циклонических заключается в потенциальной энергии неустойчивого расположения теплых и холодных воздушных масс бок-о-бок. Для частного случая равновесия течений Маргулес установил важную связь скоростей и плотностей воздушных масс с углом наклона поверхности раздела между ними. В последние 2 десятилетия Бьеркнес н его ученики впервые серьезно поставили проблему циклогенеза (циклонообразования), рассматривая таковой как нарушение стационарности атмосферных поверхностей раздела фронтов, выражающееся в возникновении на них волновых возмущений (см. Циклон). Теория таких возмущений находится сейчас в стадии интенсивного развития. Анализ преобразований энергии в процессе циклогенеза базируется на упомянутых выше результатах Маргулеса, в которые, однако, введены существенные коррективы (Рефсдаль-энергия влажнонеустойчивости). Следует указать еще на проблему атмосферных приливов, в которой достигнуты значительные успехи.

Динамическая Метеорология упорно пытается подойти к проблеме общей циркуляции атмосферы; однако попытки построения гидродинамических моделей общей циркуляции, начавшиеся еще во второй половине 19 века (Феррель, Гельмгольц), не привели к особенно существенным результатам. Получаемые решения, относящиеся к весьма упрощенным условиям (напр. «зонадная циркуляция»), мало соответствуют действительности.

Актуальнейшая современная проблема динамической, как и синоптической Метеорологии — проблема участия стратосферы в возникновении циклонических возмущений (стратосферическое «управление» погодой, Штюве). Однако, несмотря на множество теоретических работ и статистико-эмпирпческих исследований, решение вопроса до сих пор не найдено, так как речь идет о выяснении весьма сложных причинных связей. Можно ждать этого решения от детального аэрологического исследования отдельных конкретных случаев.

Термодипамнка атмосферы. К динамической Метеорологии в собственном смысле тесно примыкает термодинамика атмосферы. Приложения термодинамики к Метеорологии оказываются пока более плодотворными с практической стороны, чем гидромеханики. Термодинамика адиабатических (изэн- тропических) процессов в атмосфере достигла во второй половине 19 в. и в наше время значительного развития благодаря трудам Ханна, Бецольда, Герца, Нейгофа, позднее Вегенера, Штюве, Рефсдаля, Россби и др. Основу ее построений составляет уравнение Пуассона о связи изменений давления и температуры в газе без обмена тепла со средою; важнейшее значение имеет учет влажности, т. к. динамические изменения температуры в насыщенном воздухе протекают иначе, чем в сухом или ненасыщенном; этим объясняется ряд особенностей в процессах облакообразования и т. д. В новейшее время в связи с развитием аэрологических наблюдений основной проблемой термодинамики атмосферы стала проблема конвекции, т. е. движений с вертикальной слагающей, и энергии неустойчивости вертикальной стратификации, обусловливающей конвекцию. Предложен ряд графических методов для определения энергии неустойчивости (Шоу, Рефсдаль, Россби, Дюбюк и др.).

Атмосфера как коллоид. В последнее время пытаются перенести на атмосферу результаты коллоидальной химии  (Шмаус, Виганд); в частности, выпадение осадков рассматривается как коагуляция атмосферного аэрозоля. Задача искусственного осаждения дождя из облаков, рассеяния тумана и т. п., на основе искусственного вмешательства в этот процесс, уже начинает ставиться на практическую почву.

Атмосферное электричество. Важнейшими этапами за три — четыре последних десятилетия являются здесь объяснение электрического заряда атмосферы ионизацией воздуха (Эльстер и Гейтель), успехи в теории полярных сияний (см.), связанные с именами Биркеланда и Штермера, и открытие в связи с распространением радиоволн высоких проводящих слоев на высоте 90 — 130 км (слой Кеннели-Хеви- сайда) и 250 — 400(слой Эпльтона), т. н. ионосферы. Большое внимание привлекает сейчас исследование так наз. атмосферных помех при радиоприеме.

Биоклиматология и др. Под общим названием биоклиматологии (вернее было бы биометеорологии) объединяется ряд вопросов о влиянии метеорологических факторов на жизнедеятельность растений, животных и чело веческого организма, здорового и больного. Особо можно выделить сельско-хозяйственную Метеорологию, или агрометеорологию, изучающую зависимость с.-х. культур от погоды и климата. В связи с развитием с.-х. метеорологии значительно продвинулось изучение особых метеорологических условий в самых нижних, при- почвенных слоях воздуха (Гайгер). Обычны словосочетания: медицинская Метеорология, курортная Метеорология, военная Метеорология и т. д., хотя и не всегда в таких случаях мы имеем дело с вполне оформленной прикладной дисциплиной.

Практическое значение Метеорологии. Как уже указано, на базе синоптической Метеорологии работает современная служба погоды, практическое значение которой для многих отраслей народного хозяйства и обороны совершенно бесспорно и особенно возросло за последние десятилетия в связи с развитием авиации, полярными экспедициями и пр. Учет метеорологич. факторов и помимо прогностики погоды имеет важнейшее значение в авиации; например, планеризм целиком основан на использовании движений воздуха с вертикальной слагающей. Оборонное значение Метеорологии не ограничивается обслуживанием авиации: учет метеорологических факторов необходим в артиллерийской стрельбе, в газовых атаках и химической обороне и т. д. Тактические операции вообще, и в особенности в связи с моторизацией армии, нуждаются в знании предстоящих условий погоды и, следовательно, в хорошо поставленной службе погоды. Известно значение метеорологич. условий для радиопередачи и т. д. Большое значение служба погоды, а также и климатология приобрели для огромного капитального строительства, развернувшегося в Советском Союзе в эпоху сталинских пятилеток. При реконструкции городов также должны учитываться климатические данные. Курортное дело страны также нуждается в детальном и точном учете метеорологических и климатических условий, в особенности радиационного режима.

Очевидно большое практическое значение Метеорологии для сельского хозяйства. Речь идет не только о службе погоды, позволяющей планировать посевные и уборочные операции, но и об учете климатических факторов, необходимых, например, при выведении новых культур, при продвижении с.-х. культур на север и т. д. Много работают сейчас по выяснению влияния метеорологических факторов на течение болезней, на распространение эпидемических заболеваний и т. д. Использование таких энергетических ресурсов, как энергия ветра и солнечная радиация, необходимо предполагает их предварительное метеорологическое изучение. Наконец, заманчивые перспективы открываются в отношении искусственного воздействия на погоду, прежде всего в проблеме искусственного дождя и осаждения тумана.

Алфавитный поиск по материалу