Прогнозирование погоды

Способность предсказать погоду на завтра помогает многим из нас определиться с планами – провести день на пляже или взять с собой плащ. Но раньше от метеопрогнозов зависела жизнь людей.

 

Термин «прогноз» ввел английский морской офицер Роберт Фицрой. Фицрой был протеже Франсуа Бофорта, чью шкалу силы ветра успешно применяли для оценки морских условий в данный момент, но при этом она не могла подсказать, что будет дальше. В 1854 году Фицрой ушел в отставку и учредил метеорологическую службу для британского правительства. Служба собирала унифицированные сведения о погоде, предоставляемые британскими судоходными компаниями, чтобы включить данные о климате в морские карты.

 

В этом же году сильный шторм обрушился на Черное море. Вспомогательные суда, которые везли провиант для французских и британских войск, сражавшихся с русскими в Крымской войне, пропали без вести. Французский астроном Урбен Леверье доказал, что движение шторма на восток через Европу прослеживалось в сводках погоды, сопоставленных после инцидента. Если бы из этих метеоданных можно было составить синоптическую карту в течение нескольких часов, а не недель, можно было бы избежать потери крымского флота. Тогда для передачи наблюдений в новые метеорологические обсерватории была запущена телеграфная сеть (недавно изобретенная). Метеослужба Фицроя стала первой в мире службой прогнозирования погоды, которая проработала многие годы. К 1861 году она стала передавать предупреждения об опасных явлениях погоды при помощи телеграфа и публиковала суточный прогноз в лондонской газете Times (что делает до сих пор).

 

Прежде чем стать синоптиком, Роберт Фицрой командовал кораблем Его Величества «Бигль». Это был небольшой бриг-шлюп, используемый для морских исследовательских экспедиций. Во время второго путешествия (1831–1836) Фицрой совершил на нем кругосветное плавание через мыс Кейп Хорн, Новую Зеландию и Австралию. Он взял с собой гражданского спутника Чарлза Дарвина, который сравнивал и сопоставлял животных со всего земного шара. Это занятие вдохновило его на создание теории эволюции.

 

Погода – это атмосферное явление, и чтобы понять ее, имеет смысл подняться в воздух и рассмотреть поближе атмосферу. Два первых исследователя воздушного пространства так и сделали. В 1862 году Британская ассоциация развития науки предложила организовать экспедицию для изучения «воздушного океана». Генри Коксвелл, главный аэронавт страны, был назначен для полета на огромном водородном воздушном шаре (2600 м3), он должен был подняться выше, чем кто-либо до него. С ним в команде был ученый Джеймс Глейшер, он использовал барометр для измерения высоты (которая увеличивалась вместе с падением атмосферного давления), а также строил диаграмму соответствующего падения температуры.

 

Путешествие Коксвелла и Глейшера на шаре по «воздушному океану» могло обернуться катастрофой, так как они поднялись на высоту с разреженным воздухом, несовместимую с жизнью.

 

Члены команды также взяли с собой на борт шесть почтовых голубей, планируя отпускать их по одному по мере набора высоты. Огромный воздушный шар поднялся очень быстро, и команда оказалась над облаками уже через 12 минут. Все шло хорошо, экипаж восхищался невероятным видом облачного покрова – что-то подобное люди видят сегодня из иллюминатора самолета, но в те времена это было в новинку. На высоте 4,83 км Глейшер начал отпускать голубей. На высоте 6,44 км было видно, что голубю тяжело лететь, а на высоте 8 км птицы просто падали вниз. На этом участке Глейшер доложил, что его мутит, он хотел предупредить Коксвелла, но потерял сознание. Коксвелл был моложе Глейшера, и поэтому меньше пострадал: у него лишь онемели руки. Ему удалось открыть зубами предохранительные клапаны, чтобы выпустить водород, и в течение 20 минут воздушный корабль вернулся на землю, оба члена экипажа остались живы. Анализ, проведенный позднее, показал, что ученые поднялись на высоту в 11,3 км, значение близкое к современной крейсерской высоте реактивного самолета и гораздо выше горы Эверест. На такой высоте человеческий организм испытывает сильный стресс из-за недостатка кислорода. Атмосферное давление наверху равно лишь пятой части от значения давления на уровне моря, а разреженный воздух почти не способен удерживать тепло, поэтому максимальная температура равна –40 °C.

 

Первые воздушные шары, способные перевозить пассажиров, были построены французскими братьями Монгольфье. В 1783 году на борту судна из бумаги и шелка полетели первые аэронавты: овца, утка и петух, специально отобранные по физическим показателям. На утку высота не действует, петух – птица, которая не может летать высоко, а овца и вовсе не умеет. За восьмиминутный полет никто из животных не пострадал.

 

 

Организация, ставшая впоследствии Национальной метеорологической службой, была создана в 1870 году и уже через три года выпустила первое предупреждение об урагане. С тех пор служба занимается исследованием этих штормовых гигантов.

 

Самые сильные ветры находятся в «стене глаза», необъятном кольцевом облаке, которое окружает глаз – чистую зону со слабыми ветрами и ясным небом в самом центре бушующего шторма.

 

Президент Улисс Грант основал Бюро погоды США, чтобы «обеспечить проведение метеорологических наблюдений на военных базах внутри континента и в других точках штатов и территорий… и уведомить о приближающемся шторме и его силе на северных озерах или морском побережье с помощью телеграфа и морских сигналов». Новая организация находилась под эгидой министра обороны: чтобы получить результат, требовалась жесткая дисциплина. (С тех пор Бюро претерпело множество изменений, теперь это Национальная метеорологическая служба, часть Национального управления океанических и атмосферных исследований.)

 

В 1870-е годы океанские суда были плохо оборудованы, чтобы выдержать ураган. Главный метеоролог Кливленд Эббе уже начал делать прогнозы погоды на основе данных, присылаемых ему через «Вестерн Юнион», объединение телеграфных линий на западе США, и Торговую палату Цинциннати. Эббе настойчиво «обрабатывал» своих начальников, чтобы те предоставили ему все необходимое для изучения погодных явлений, чтобы он мог предсказывать их.

 

 

В июне 1873 года Бюро получило сведения о шторме, проходящем через Карибское море. Казалось бы, ничего страшного, но уже в августе сильный ураган поднялся над Восточным побережьем и затих только у острова Ньюфаундленд. А в сентябре еще два урагана обрушились на Флориду. В те времена ведущим специалистом по ураганам был кубинский священник Бенито Вайнз, который управлял метеорологической обсерваторией в Гаване. В 1877 году он опубликовал работу, в которой описал, как предсказать приближение урагана по движению волн и облаков, но это не принесло особой пользы. 1893 год стал самым смертоносным в истории США из-за серии сильных штормов, захвативших Восточное побережье. В 1898 году Бюро перенесло ураганный центр из Кингстона (Ямайка) в Гавану (Куба), которая более подвержена ураганам. Спустя два года ураган, обрушившийся на Галвестон (штат Техас), унес жизни по меньшей мере 8000 людей.

 

 

Эффект, названный в честь японского метеоролога Сакухэя Фудзивары, который описал его в 1921 году, возникает, когда два циклона подходят довольно близко друг к другу и ветры притягивают их так, что они начинают вращаться один вокруг другого. Затем штормы меняют направление и в конце концов сливаются в один более крупный и опасный ураган. Этот эффект встречается довольно редко – раз в несколько лет.

 

Атлантические ураганы образуются далеко в открытом океане из-за погодных явлений, возникающих в пустыне Сахара. Поначалу это тропические депрессии с низким давлением, наблюдатели отслеживают их продвижение на запад. Некоторые превращаются в штормы со скоростью ветра до 120 км/ч. Еще чуть-чуть и шторм становится ураганом. Самые сильные штормы – ураганы 5-й категории (по шкале Саффира-Симпсона), при них скорость ветра выше 250 км/ч.

 

Постепенно пришло понимание, как устроены сильные штормы. Японский исследователь Сакухэи Фудзивара показал, как ураганы вписывались в общую погодную картину тропической Атлантики. В 1922 году Эдвард Боуи обнаружил, что движение ураганов, как правило, антициклоническое, или противоположное направлению вращения Земли. В Северном полушарии – против часовой стрелки. Однако все эти знания не помогли ураганным центрам оповещать людей об опасности заблаговременно, поэтому ураганы на побережье часто заканчивались сотнями жертв.

 

Масштаб урагана довольно трудно оценить. Попытка запечатлеть один из них потребовала развития космических технологий. Первый метеоспутник «Авангард-2» был запущен в 1959 году. Он был оснащен примитивной цифровой камерой, чтобы делать снимки облаков. Снимки получались нечеткими, и от них не было особой пользы. Однако американские ученые, исследующие Землю, продолжили работать с этой системой и с конца 1970-х годов два спутника GOES («геостационарных эксплуатационных спутника наблюдения за окружающей средой») смогли предоставить общий снимок всей Земли (и ураганов).

 

К концу 1940-х годов картина прояснилась во многом благодаря пилотам, летающим в ураганы. Они должны были фиксировать скорость ветра и изменения атмосферного давления, а также отмечать на карте таинственный глаз – тихое место в самом центре урагана. В 1948 году финский метеоролог Эрик Пальмен доказал, что для возникновения урагана температура воды на поверхности должна составлять минимум 26 °C, а глубина должна быть не менее 50 метров. Воздух над теплым морем плавится от жары. Поднимаясь вверх, он остывает быстрее, чем обычно, водяной пар конденсируется в густые облака. Теплота, выделяемая в процессе конденсации, добавляет энергии в систему, поднимая все больше воздуха и воды с поверхности. Восходящий поток воздуха создает глаз бури. Более холодный воздух, попадая в этот поток, еще больше снижает атмосферное давление в центре системы, втягивая в нее все больше влаги и расширяя зону влияния. Этот процесс будет продолжаться, пока шторм не достигнет суши или не переместится в более холодные моря.

 

 

Можете ли вы догадаться, что изучает океанография? Это несложный вопрос, так как наука достаточно молодая и берет начало с экспедиции «Челленджера», британского военно-морского корабля королевского флота, переоборудованного в 1872 году для научных целей.

 

Экипаж из 240 участников отправился в экспедицию на «Челленджере», только 144 из них вернулись домой. Остальные погибли или пропали без вести. «Челленджер», пройдя 130 000 км, сделал множество открытий. Сама экспедиция была детищем шотландского зоолога Чарлза Уайвилла Томсона. Он определил миссию экспедиции следующим образом – составить карту великих океанических бассейнов Земли и провести обширное исследование океанских вод на содержание соли и мутность (или прозрачность). С инициативой возглавить экспедицию он обратился к Лондонскому королевскому обществу. «Челленджер» подготовили, из боевого корабля он превратился в исследовательское судно, заполненное инструментами, сетями, оборудованием для забора проб и укомплектованное собственной химической лабораторией. Паровой двигатель «Челленджера» мог служить источником энергии для судна, но преимущественно использовался для работы экскаватора, зачерпывающего отложения со дна.

 

На своем пути экипаж «Челленджера» встречал айсберги и многолетний лед, но никогда не видел замерзшего континента. По плану «Челленджер» должен был совершить кругосветное плавание вокруг Земли, но маршрут петлял, так как проходил через все основные океанические бассейны. Члены экспедиции сделали самое важное открытие по прибытии в западную часть Тихого океана. В целом команда выполнила 360 промеров, глубочайшая точка находилась на глубине 8184 м между островами Гуам и Палау. Эту область, часть Марианской впадины, сейчас называют «бездна Челленджера». Последнее исследование 2011 года открыло самую глубокую точку в этой области (и на Земле) – 10 994 м – достаточно глубоко, чтобы без труда погрузить туда Эверест.

 

 

В XIX веке США стремительно разрастались на запад, прибывали новые поселенцы, желающие обосноваться на земельных участках, предоставляемых государством. Однако в 1870-е годы система организации землепользования вышла из-под контроля.
 

В 1780-е годы в США было решено, что земли к западу от Аллеганских гор подчиняются Конгрессу США. Такое решение было принято, чтобы частично избежать стычек между штатами и чтобы федеральное правительство могло продавать земли, увеличивая свой доход и стимулируя поселенцев осваивать новые территории. Однако треть природных богатств нужно было сохранить для нации. Эти же правила действовали по мере того, как США расширялись в сторону Тихого океана, приобретая новые территории у других народов или отбирая земли у коренных жителей. О Диком Западе не было известно почти ничего, и работа местных геодезистов заключалась в том, чтобы выяснить, есть ли у федерального правительства притязания на этот участок. Это представляло собой систему, открытую для коррупции. Частные исследователи и отдельные штаты предпринимали серьезные попытки составить карту Запада, но в их действиях не было слаженности. Поэтому 3 марта 1879 года, за несколько часов до закрытия 45-го Конгресса на выборы, президент Ратерфорд Бёрчард Хейс создал Геологическую службу. Ее задачей была «классификация общественных земель, экспертиза геологического строения, полезных ископаемых и продукты государственной собственности».

 

В первые дни служба разделила всю территорию США на восемь типов земель. Они искали свинец, медь и благородные металлы, а также такие полезные ископаемые, как уголь и железо, которых не было в списке значимых в постановлениях о земле столетие назад. На сегодня задача по геосъемке завершена, однако у Геологической службы есть не менее важные дела. Например, она прогнозирует риски землетрясений и извержения вулканов, составляет карты земле- и водопользования, отслеживает последствия экстремальных погодных явлений, наблюдает за распространением заболеваний в дикой природе США. Более того, Геологическая служба помогает исследователям космоса разрабатывать системы для изучения других миров.

 

На карте, опубликованной Геологической службой США в 1884 году, изображена часть Национального парка Йеллоустон с горячими источниками, реками и заливами, болотами, гейзерами, озерами и прудами.

 

 

В 1880 году к классификации облаков добавился новый вид. Грозовое облако – это впечатляющее зрелище, и оно стоит нашего внимания, так как является главным источником грозы, молнии и смерча.

 

Грозовые облака могут формироваться сами по себе или образовывать скопления вдоль холодных фронтов. Они вырастают из кучевых облаков-переростков и могут развиваться как часть суперъячейки и порождать смерчи.

 

Филип Вайльбах, искусствовед и библиотекарь Датской академии изящных искусств в Копенгагене, был неожиданной фигурой в научном мире. В 1880 году он представил описания облаков Международной метеорологической организации, но комитет их не принял, так как они сильно отличались от системы (широко используемой в наши дни), разработанной в начале века Люком Говардом. Тем не менее в одном из предложений Вайльбаха было разумное зерно. Он описал хорошо развитое по вертикали дождевое облако, которое назвал cumulonimbus, что означает «нагромождение дождевых облаков». Это облако часто имело перистые образования сверху и могло производить гром. Международной метеорологической организации понравилось описание, и они решили исключить из классификации слоисто-кучевые облака Говарда, как плохо описанную версию облаков того же типа.

 

Грозовое облако – это возвышающееся, вертикальное дождевое облако, высота которого может достигать 12 000 метров. Оно образуется из мощных восходящих потоков воздуха, которые поднимают влагу высоко над теплой землей. Зачастую эта влага возвращается обратно на землю в виде сильного дождя. Во время шторма эти облака называют грозовыми фронтами. Трение между участками облака создает электрическое напряжение. В конце концов он разряжается о землю или между облаками в виде молнии. Удар молнии нагревает воздух, который быстро расширяется и создает ударную волну – раскаты грома.

 

 

Перуанские моряки рассказывали о теплом северном течении, наиболее заметном в дни Рождества. Они дали ему имя Эль-Ниньо («малыш, мальчик»), так называют младенца Христа. Сегодня Эль-Ниньо известно как глобальное природное явление.

 

Камило Каррильо Мартинес, прежде чем стал министром финансов Перу в 1870-х годах, сделал блестящую военно-морскую карьеру. Впервые Эль-Ниньо с отсылкой к климату упомянул капитан Камило Каррильо Мартинес в 1892 году, объясняя обычаи и предания старых моряков географическому обществу в Лиме. Сегодня мы знаем Эль-Ниньо как теплую фазу океанической системы, называемую Южной осцилляцией. Это явление возникает, когда в экваториальной части Тихого океана образуется область нагретых приповерхностных вод (это происходит примерно между меридианом 180° – линией перемены даты, и 120° с. ш.). С прибытием Эль-Ниньо к концу года нагретые воды смещаются к западному побережью Южной Америки. Однако Южная осцилляция – это не ежегодное явление, а многолетний цикл колебаний температуры поверхностного слоя воды. В некоторые годы вода значительно холоднее – это другая фаза, получившая название Ла-Нинья.

 

В год Эль-Ниньо теплая вода океана накапливается у западного побережья Южной Америки, в другое время там протекает холодное течение. Этот сдвиг является частью цикла климатических воздействий, который влияет на весь Тихоокеанский регион и даже за его пределами.

 

Эль-Ниньо несет высокое атмосферное давление и засуху в западную часть Тихого океана, низкое давление и сильные ливни – в восточную. В среднем от одного Эль-Ниньо до другого проходит четыре года, хотя некоторые циклы могут длиться около семи лет. Влияние Эль-Ниньо сказывается на производительности сельского хозяйства в Тихоокеанском регионе, так как температура и уровень осадков различаются в разное время цикла. Среди последствий, которые мы испытываем на себе в связи с изменением климата, – увеличение разницы температур между теплой и холодной фазами, которое может вылиться в еще более экстремальные погодные явления, такие как засуха.

 

 

Холодная фаза Эль-Ниньо, или Южной осцилляции, называется Ла-Нинья, что означает «малышка, девочка», указывая на оборотную сторону цикла Эль-Ниньо. В этот период поверхностные воды восточной и центральной части Тихого океана становятся холоднее из-за подъема глубинных вод. Более теплые же воды перемещаются в западную часть Тихого океана на несколько лет. Периоды Ла-Ниньи холодные, но сухие в Южной Америке и более влажные в западной части Тихого океана. Продолжая цикл, холодные поверхностные воды перемещаются на запад, а теплые воды движутся в восточную сторону на небольшой глубине, прежде чем подняться на поверхность недалеко от Перу, возвещая возвращение Эль-Ниньо.