История развития метеорологии.

Метеорология как наука.

Человечество живет на дне гигантского воздушного океана - атмосферы. Где бы не находились и чем бы не занимались люди, они всецело от состояния этого океана зависят. Изменения заболеваемости населения и развитие экосистем, собираемый урожай и возникновение многих природных катастроф во многом определяется процессами, протекающими в атмосфере. Поэтому совершенствование методов мониторинга подобных процессов (их наблюдения, моделирования и прогнозирования) является актуальной проблемой не только наук о Земле, но также прикладной экологии и безопасности жизнедеятельности.

Несмотря на успехи достигнутые современными учеными в области изучения и прогнозирования атмосферных процессов, достоверность среднесрочных и долгосрочных прогнозов погоды остается недостаточной, ряд атмосферных явлений не находят своего объяснения (НЛО, «Спрайты» и др.). В последние десятилетия во многих регионах Мира существенно активизировались перемены климата – среднего многолетнего режима изменений погоды, что наносит существенный ущерб не только региональной, но и мировой экономике. Причины этих явлений до сих пор изучены недостаточно, что осложняет разработку прогнозов их дальнейшего развития, необходимых для разработки национальных стратегий адаптации к ним секторов национальных экономик и существенно снижает их эффективность.     

Все это делает актуальным дальнейшее развитие Метеорологии - науки об атмосфере,  к изучению которой мы приступаем.  

Метеорология - наука об атмосфере Земли, ее составе, строении и протекающих в ней физических и химических процессах. Она включает в себя разделы фундаментальные и прикладные.

К фундаментальным разделам  метеорологии относятся:

-химия атмосферы, изучающая ее химический состав, его изменения под влиянием природных и антропогенных факторов, химические реакции в воздухе;

-физика атмосферы, изучающая физические закономерности происходящих в воздушной среде процессов и явлений, в том числе определяющих ее строение и состав;

-синоптика, рассматривающая закономерности развития атмосферных явлений, определяющих изменения погоды с целью выработки метеопрогнозов;

-климатология, изучающая закономерности формирования климатов, их распределения по земному шару, изменения в прошлом и в будущем;

-аэрология- наука о процессах в верхних слоях атмосферы;

-актинометрия- наука о распространении в атмосфере потоков лучистой энергии (Солнечной радиации и теплового излучения земной поверхности.

Важнейшими из прикладных разделов метеорологии являются:

-морская метеорология, изучающая атмосферные процессы над океанами и морями; взаимодействие атмосферы с их водными поверхностями, а также морскими льдами;

-агрометеорология, исследующая особенности влияния изменений метеорологических факторов на развитие сельскохозяйственных растений, а также в целом, агрофитоценозов;

Изучаемый курс является лишь введением в такие фундаментальные разделы Метеорологии, как :

-Химия атмосферы;

-Физика атмосферы;  

- Синоптика;

- Актинометрия;

- Климатология.

Для его эффективного изучения студентам необходимо располагать знаниями, приобретаемыми в вузовских курсах общей физики, высшей математики, а также школьном курсе физической географии.

История развития метеорологии.

История метеорологии насчитывает уже более 2 тысяч лет. Ее принято делить на этапы:

- древнейший;

- античный (описательный);

- современный (количественный либо измерительный).

Общей особенностью древнейшего этапа развития метеорологии являлось отсутствие в возникших тогда религиозных представлениях либо письменных памятниках попыток выявления каких либо причинно-следственных связей между атмосферными явлениями и другими природными процессами.

Всегда, и в особенности в древности, развитие человеческого общества существенно зависело от атмосферных явлений, которые часто были непонятны и враждебны людям. Именно поэтому уже в древнейших религиях всех стран и народов такие явления обожествлялись. В них всех упоминаются Боги солнца и луны, грома и молнии, ветров и морей. Такими Богами были Ра и Осирис у египтян, Бог солнца Ойтосур у скифов, Посейдон и Зевс- у древних греков, Юпитер и Нептун у римлян, громовержец Индра в Индии, его коллеги Перун- у славян, Один- у викингов. 

Письменными памятниками, содержащими сведения об атмосферных явлениях, в ту пору были литературные произведения, эпосы и летописи.

Эпосы – древнейшие из подобных источников. Они возникли тогда, когда человечество еще не пользовалось письменностью. К ним относятся древнеиндийские Веды, легенда о Гильгамеше, легенды, мифы и др. До нас они доходят не от авторов, а в изложении (пересказе) людьми, уже умевшими пользоваться письменностью.

Сведения об атмосферных явлениях, происходивших в древнейшие времена, доходят до нас и авторских литературных художественных и философских произведениях. Их примерами являются «Одиссея» и «Илиада» Гомера, «Книга пути и добродетели» (около VI в. до н.э.) Лао Цзы, Индийская героическая поэма «Махабхарата», «Книга обычаев» Ли Ки. (III в до н.э.).

Уже с V века до н. э в греческих городах выставлялись в общественных местах своеобразные летописи - календари с записями о явлениях погоды. Эти календари назывались парапегмами. Некоторые из них дошли до нас. В них содержатся вполне объективные и весьма ценные для современной науки данные о ветрах, осадках, холодах и о некоторых фенологических явлениях, происходивших в период их создания.

Качественно новый, античный этап в развитии метеорологии, превративший ее из системы верований, в науку, связан с работами ученых древне Греции, которые начали искать причинные связи между атмосферными явлениями и другими природными процессами, не привлекая для объяснения происходящего каких либо божественных сил. Именно тогда эта метеорология и стала наукой в  современном понимании этого термина.

Первые из известных современной науке, подобные научные трактаты принадлежат величайшим ученым античного мира: Аристотелю, Эвклиду, Страбону, Плинию, Птоломею. Вплоть до начала эпохи Ренессанса, их работы в данной области признавались основополагающими.

     Первый четырехтомный научный труд об атмосферных явлениях - «Метеорология» написан Аристотелем (384 - 322 гг. до н.э.). Он является своеобразной энциклопедией – обобщением всех накопленных к тому времени естественно научных знаний.

     Первый том этой работы содержал изложение представлений его автора о процессах, происходящих в космосе (кометах, метеоритах), верхних слоях атмосферы, а также о гидрометеорах (дожде, снеге, граде, облаках и туманах). Ее второй том посвящен атмосферным явлениям – ветрам и грозам, а также процессам, происходящим в гидросфере и земной коре (землетрясениям). В третьем томе описаны атмосферные вихри (торнадо и бури (циклоны)), а также оптические явления в атмосфере. Четвертый том – философский, излагает т. н. «Теорию четырех стихий».

В эпоху, последовавшую за веком Аристотеля, завоевания его воспитанника, Александра Македонского, раздвинули пределы доступного грекам мира до границ Индии и Средней Азии. Преемники Александра основали в Египте, в Александрии, второй центр эллинистической науки, где была создана своеобразная академия того времени - александрийский «Мусейон» (музей). Здесь зародились современная география и составление географических карт.

Глава Мусейона, Эратосфен из Кирены (275 - 194 гг. до н.э.), первым определил размеры земного шара. Сделал он это настолько правильно, что его оценки были уточнены лишь в конце XVIII в. Сотрудники Месейона Ктезибий (около 250 г. до н.э.) и Герон Александрийский (около 120 - 100 гг. до н.э.) впервые изучили особенности влияния температуры на плотность, а также сжимаемость сухого и влажного воздуха.

 Не прекращались и наблюдения за ветрами в различных местах бассейна Средиземного моря, о чем свидетельствует Плиний Старший (23 -79 гг. н.э.). Им описаны также свойства различных ветров и их изменения в зависимости от широты.

Греческие ученые впервые ввели в науку об атмосфере понятие климат. Историк Полибий (204 - 121 гг. до н.э.) предложил разделить всю поверхность планеты на 6 климатических поясов - два жарких (необитаемых), два умеренных и два холодных. Начались исследования особенностей региональных климатов, о чем свидетельствуют труды Цицерона (106 - 43 гг. до н.э.), в которых отмечается смягчающее влияние моря на климат прибрежных территорий.

Особенностью метеорологии в античном мире был описательный характер этой науки. Ученые пытались познать явление в целом, не прибегая к анализу его характеристик.

    В первом и втором столетиях нашей эры наметился упадок античной науки, обусловленный социально-экономическим кризисом, а затем и гибелью. Римской империи. В результате этого центр цивилизации, где продолжали развиваться науки, переместился далеко на восток, в арабские страны, Индию, Хорезм и Иран, где особенно велики были достижения в области математики, химии и астрономии. Сведения о развитии здесь метеорологии в этот период отсутствуют.

В средневековой Европе многие достижения античной науки были забыты. В арабском мире процветало ныне забытое, мистическое философское учение об атмосфере - астрометеорология, являющееся разделом астрологии. Астрометеорология пыталась предсказывать погоду, основываясь на информации о взаимном расположении планет.

В Европе наиболее известным специалистом в данной области являлся Иоанн Севильский (VII в.), которого считают автором рукописи «Предсказание различных погод (собственно бурь)». Его последователями являлись такие астрометеорологи, как Леопольд Австрийский, Гвидо Бонатти, Фирмин де Боваль и др..

Наблюдения за атмосферными явлениями тем временем продолжались, а их результаты отображались в летописях и художественных произведениях. Среди последних, представляющих наибольший научный интерес, следует упомянуть работы «История Армении» Мовсеса Хоренаци (V в. н. э.), а также «Большое собрание» индийского астронома Вараха-Михира (V в. н. э.). В упомянутой работе Хоренаци содержатся также сведения об имевшем место в V в. н. э климате Армении, а также Египта.

Первые литературные сведения о климате регионов Восточно-Европейской равнины появились уже в средневековье. В 1246 г. Плано Карпини и несколькими годами позже Рубруквис оставили красочное описание снегов и морозов, с которыми им пришлось встретиться в Южных регионах России. В 70-х годах XIII в Марко Поло описал холодный климат Нижнего Поволжья.

Наиболее ранние представления о весьма суровом климате Северного Причерноморья, дошли до нас в виде путевых заметок древнегреческого историка Геродота, посещавшего регион в четвертом веке до нашей эры, и стихов сосланного сюда позже древнеримского поэта Овидия Насона.

 Эти представления были  подтверждены и в средние века, посетившими этот регион путешественниками Гильбером де Ланноа (1413 - 1421 гг.) и Иосфатом Барбаро (1436 - 1451 гг.), которые описали его в своих воспоминаниях. Именно тогда, в XV- XVI веках в Европе вновь проявился интерес к метеорологии, как науке. В этот период здесь началась эпоха Возрождения – период великих открытий и изобретений, с которым была связана революцию и в естественных науках.

Великие географические открытия принесли новые сведения о Мире и происходящих на планете атмосферных явлениях. Развитие мореплавания инициировало исследования в области астрономии, оптики, геофизики , океанологии и метеорологии. В этот период не только продолжилась прежняя, описательная традиция, но и зародилась современная, количественная (измерительная) метеорология.

Примерами наиболее ранних описательных работ того периода могут служить:

- «Трактат о двух Сарматиях» Матвея Меховского (1517 г.), где он сравнил климаты Москвы и Прибалтики;

- отчеты об экспедициях Баренца, зимовавшего на Новой Земле в 1596-97 г., содержащие подробные сведения о ветре, облаках, осадках того края;

- описание климата Якутии (1643 г.), выполненное ленскими воеводами Головиным и Глебовым;

- первые описания климата Приамурья, принадлежащие его покорителям - Пояркову и Хабарову. 

Первооткрывателем количественной метеорологии является Г. Галилей, который изобрел термометр, дождемер и барометр. Были также изобретены многие другие приборы, вследствие чего появилась возможность количественно оценивать характеристики атмосферных явлений. При этом нашли применение и физические приборы, изобретенные ранее Леонардо да Винчи, который является одним из основателей атмосферной оптики. Именно тогда в метеорологию внедрился такой метод исследования явлений как количественный анализ, основоположником которого является Ф. Бекон.

В развитии метеорологии в XVII в. большую роль сыграло Лондонское Королевское общество, в особенности Гук, Бойль и другие его члены. Гуком была составлена специальная инструкция для метеорологических наблюдений. Первая систематическая серия таких наблюдений была сделана философом Локком, начиная с июня 1666 г. до декабря 1692 г., вначале в Оксфорде, затем в Лондоне и Отсе. Примерно в это же время наблюдения за погодой и показаниями барометра послужили Бойлю основанием для его некоторых соображений о связи между ними, используемой современными метеорологами при прогнозировании погоды.

В становление современной метеорологии внесли существенный вклад Декарт и Локк, Ньютон и Лейбниц, Ф. Бэкон и Хр. Гюйгенс, Э. Мариотт и Р. Бойль, - великие умы XVII- XVIII в.в., прославившиеся своими философскими, физическиими и математическими исследованиями. Их работы образуют фундамент такого раздела современной метеорологии, как физика атмосферы.

Систематизированный обзор накопленных к середине XVII века географических сведений о нашей планете, в том числе атмосферных явлениях, содержится работе «География генеральная» голландского географа Б. Варениуса (1622 - 1650 гг.).

Значителен вклад в метеорологию Блеза Паскаля – впервые объяснившего природу атмосферного давления и доказавшего, что его величина убывает с высотой. Именно по его предложению с начала XVIII века в Париже ведутся систематические наблюдения за изменениями температуры воздуха. Этот ряд среди всех существующих является наиболее продолжительным и потому ценнейшим.

Наиболее длинный в Мире ряд систематических наблюдений за атмосферными осадками в Париже был начат в 1688 г. Седило, а затем продолжен Лагиром.

В 20 - 30 годах XVIII в. начались систематические инструментальные метеорологические наблюдения в России. Первые регулярные сведения о погоде сохранились в делах приказа тайных дел в период правления царя Алексея Михайловича. Они составлялись по показаниям стражи, наряжавшейся на караул в Кремль. Более или менее подробные записи о погоде были начаты в 1722 г. в Петербурге вице-адмиралом К. Крюйсом по личному приказу Петра I. Систематические метеорологические наблюдения были организованы также с 1730 г. на целой сети станций в Сибири- в Екатеринбурге, Тобольске, Ямышеве, Енисейске, Томске, Туруханске, Иркутске, Якутске, Селенгинском, Нерчинске, Аргунских серебряных копях. . Эти метеостанции были созданы учеными, участвовавшими в Великой Северной Экспедиции под руководством Беринга. Экспедиция открыла также в 1733 г. метеостанцию в Казани. Инструкция для этих станций была составлена в 1732 г. Д. Бернулли. Она говорила о наблюдениях «барометрных», «термометрных», «гигрометрных», наблюдениях иглы магнитной, …об экспериментах, которые надобно делать с привесами и часами, висячой маятник имеющими» и «…о других вещах, которые на земле примечать надлежит».

Первые инструментальные метеорологические наблюдения в Москве были сделаны в 1731 году Лерхе , а первая их непрерывная серия с 1.10. 1779 г. до 13.12.1797 г. была начата там членом-корреспондентом Академии наук Энгелем и продолжена Штритнером.

Инструментальные метеорологические наблюдения в Америке впервые были начаты в марте 1730 г. при помощи термометра, а с 1738 г. также и при помощи барометра Линингом в г.Чатльстоне. С 1742 по 1763г Уинтроп осуществлял систематические наблюдения в Гарвардском колледже.

Первая попытка сравнить параллельные инструментальные наблюдения на сети станций была сделана в Европе. На средства Фердинанда Тосканского под руководством его секретаря иезуита Антинори с 1654 по 1767 г. здесь регулярные метеорологические наблюдения были организованы во Флоренции, Валломброзо, Кутильяно, Болонье, Парме, Милане, Варшаве, Инсбруке, Оснабрюке и Париже.

Попытку собирать и публиковать метеорологические наблюдения, состоявшиеся в Европе и Северной Америке - сделал Луи Котт, метеоролог и священник из Монморанси близ Парижа (1740 - 1815 гг.). Сводки Котта обладали большим недостатком: в них входили данные случайных станций со случайными наблюдателями, пестрыми строками наблюдений и разнообразными приборами. Методы наблюдений не были унифицированы, и результаты их поэтому, едва ли были сравнимы между собой.

Впервые метеорологическая сеть станций в современном понимании этого слова была организована Мангеймским метеорологическим палатинским обществом, основанным в 1763г. меценатом Карлом-Теодором Пфальцским.

19. 02. 1781 г. это общество обратилось с циркулярным письмом к тридцати академиям, научным обществам и обсерваториям с просьбой принять участие в организации наблюдений. Предложение общества нашло отклик почти везде. Таким образом, общество положило начало широкому международному сотрудничеству ученых. Общество составило для наблюдений специальную инструкцию под названием «Указания наблюдателям». Была установлена единая форма записи, для обозначения различный явлений погоды были введены специальные символы. Вся система получила вполне заслуженное ею название «гармонических наблюдений».

После того как необходимость организации международной сети одновременных и однородных наблюдений была осознана мировой наукой, в различных государствах начали создаваться национальные метеорологические сети. В начале XIX в. во многих государствах они уже функционировали. В России с проектом создания метеорологической службы при содействии учебных заведений России выступил В.Н. Каразин (1773 - 1842 гг.). Это предложение было реализовано уже после его смерти.

1/IV 1849 г. была создана Главная физическая обсерватория, которая собирала информацию с 50 метеорологических обсерваторий и станций России. В 1872 г. при ней была создана служба погоды под руководством Рыкачева. Эта служба открыла путь важным практическим приложениям метеорологических наблюдений.

 В Англии первый официальный метеорологический центр возник в 1855 г.. В это время под руководством адмирала Фиц-Роя, был открыт так называемый Метеорологический департамент Бюро торговли, занимавшийся сбором и проверкой результатов метеорологических наблюдений на морях и побережьях. Наблюдения велись на многих метеорологических обсерваториях, главными из которых были магнитно-метеорологическое отделение Гринвичской обсерватории, а также обсерватория Кью, построенная в пригороде Лондона и работающая как метеорологическая с 1772 г..

Во Франции метеорологическая организация в точном смысле этого слова возникла лишь в 1878 г., когда в Париже было создано Центральное метеорологическое бюро Франции, директором которого был назначен известный физик и метеоролог Э. Маскар (1837 - 1908 гг.). К 1903 г. число станций в этой стране достигло 160.

В Украине систематические метеорологические наблюдения ныне осуществляются на 184 обсерваториях и станциях ее Гидрометслужбы. Наиболее продолжительные временные ряды систематических наблюдений за изменениями температуры воздуха и атмосферными осадками ведутся на метеорологической обсерватории Киева с 1881 г. В Одессе и Феодосии они начались с 1896 года. Ныне главным научным учреждением Украины, анализирующим и обобщающим результаты наблюдений на ее территории, является Украинский научно исследовательский гидрометеорологический институт (УкрНИГМИ, г. Киев). Прогнозы погоды разрабатываются Украинским Гидромет центром (г. Киев). Подготовка метеорологических кадров осуществляется в Одесском Экологическом университете. Информация, полученная на метеостанциях Украины, накапливается в ее метеорологическом архиве (г. Киев). 

С начала 80-х годов быстрыми темпами развивается спутниковая метеорология, дополняющая информацию, собираемыми наземными станциями, данными дистанционных наблюдений.