История развития метеорологии и климатологии

Погода и атмосфера вызывали интерес учёных ещё в античные времена. Попытки регулярных метеонаблюдений делались в древности в Китае, Индии, Средиземноморье.Первым научным трактатом в этой области знания является «Метеорологика» – один из физических трактатов Аристотеля, снискавший ему славу «отца метеорологии». Написанная 2300 лет назад, «Метеорологика» ценна и жива для нас и сегодня, поскольку характеризует и состояние античной науки в годе ее расцвета, и круг ее знаний, и пути их накопления. Первые эксперименты проводились в древней Греции. Во ІІ веке до н.э. Герон Александрийский доказал, что воздух при нагревании расширяется. Существовали зачаточные научные представления об атмосферных процессах и климате. В средние века велись наблюдения и регистрация наиболее выдающихся явлений в атмосфере.

Современный этап развития берет отсчет с XVII в., когда были заложены основы физики. Метеорология в то время была частью физической науки. Около 1600 г. великий математик и астроном Г. Галилей создал первый термометр, а через 40 лет его ученик Э. Торичелли придумал первый надёжный барометр. В середине XVII в. во Флоренции под покровительством великого герцога Фердинанда II была организована Академия дельЧименто (академия эксперимента). Там были поставлены многие метеорологические эксперименты и было положено начало метеорологии. Во второй половине XVII в. – первой половине XVIII в. наблюдения начали проводиться в немногих пунктах Европы. В 1654 г впервые параллельные наблюдения были проведены на сети станций (10) в Италии. В 1668 г была создана первая карта ветров (Галлей, директор Гринвичской обсерватории). К этому периоду относится и возникновение первых метеорологических теорий на основе этих наблюдений.

Рис. 4 – Современная система метеорологических спутников  («Natural hazards Our living plane»", 2000)

(http://atmos.phys.spbu.ru/info/info1.htm)

В середине XVIII века, по мнению М.В. Ломоносова, метеорология стала самостоятельной наукой со своими задачами и методами. М.В. Ломоносов сам создал первую теорию атмосферного электричества, разрабатывал метеоприборы (анеморумбометр и морской барометр). Считал возможным научное предсказание погоды. Он первым в России стал изучать верхние слои атмосферы, предвидел, что «наступит время, когда с помощью различных приборов смогут предсказывать погоду: тогда не будут зной, ни дождь опасен в поле, а корабли будут плавать по морю безбедно и спокойно». В работе «О слоях земных» Ломоносов одним из первых высказал мысль об изменении климата нашей планеты в процессе ее развития. Изменение климата он связывал с астрономическими причинами: колебаниями наклона полярной оси и плоскости орбиты Земли.

Во второй половине XVIII веке по частной инициативе была организована международная сеть метеостанций в Европе, которая объединяла свыше 30 учреждений. Она функционировала 12 лет. Результаты наблюдений были опубликованы и способствовали дальнейшему развитию метеорологических исследований. В 1749 г. для проведения исследований на высотах применялись бумажные змеи.

В начале XIX в. во многих странах Европы, в т.ч. и в Беларуси, возникают первые государственные метеостанции, объединяемые в сети.

А. Гумбольдт и Г. Дове (ученые из Германии) закладывают в своих трудах основы климатологии. А Гумбольдт в труде «Космос» дает новое определение климата, в котором учитывались наряду с наклоном солнечных лучей и другие факторы (влияние океана с его течениями и суши с разнообразными свойствами подстилающей поверхности).

В 1826 г. были вычерчена первые синоптические карты. Авторство этого метода исследования принадлежит ученому из Германии Г. В. Брандесу.

С середины XIX века, после изобретения телеграфа (1837 г. Морзе Самюэль), по инициативе знаменитого астронома У.Леверье (Франция) и адмирала Р. Фицрояв Англии синоптический метод исследования атмосферных процессов быстро вошел в широкое употребление.

К середине XIX века относится и организация первых метеорологических институтов, в т.ч. Главной физической (геофизической) обсерватории в Петербурге (1849 г.). В России получило развитие направление в метеорологии, увязывающее климат с общей географической обстановкой (А.И. Воейков). В. Феррелем (США) и Г. Гельмгольцем (Германия) закладываются основы динамической метеорологии. В ходе метеорологических исследований применяли воздушные шары. К концу XIX века усилилось изучение радиационных и электрических процессов в атмосфере.

В 20 веке развитие метеорологии шло нарастающими темпами. 1920 г. Л. Ричардсон сделал первый математический прогноз погоды. В 20-е годы прошлого века использовались самолеты, оборудованные аэрометеорографами (измеряли атмосферное давление, температуру и влажность воздуха). В 1930-е годы Молчанов изобрел радиозонд (это позволило проводить трехмерный анализ атмосферных процессов), начали анализировать карты погоды.

Эксперименты по численному анализу карт погоды начали проводиться с 1953 года. Применение спутников, измерение вертикальных профилей температуры, сложные программы для ЭВМ – обозначало новую эру развития метеорологии. Это дало возможность наблюдать за атмосферными процессами в масштабе всей планеты.

Следующий резкий скачок качества прогнозов погоды приходится на 1961-1967 гг. К этому времени метеорологической информации стало так много, что синоптики не успевали ее обрабатывать за то короткое время, которое отведено на подготовку прогноза. Сначала ЭВМ использовались для подготовки информации к прогнозу, но вскоре они стали составлять прогнозы погоды по схеме, разработанной человеком. Эта схема основывалась на применении теоретических законов гидромеханики и термодинамики для условий земной атмосферы. Таким образом, метеорология обрела свою теорию, которая оказалась, как свидетельствуют графики оправдываемости прогнозов, достаточно эффективной.

Вполне логично связать дальнейший прогресс оправдываемости прогнозов с использованием данных метеорологических ИСЗ, ведь с их помощью можно собирать информацию со всей поверхности планеты, и даже океан им не помеха. Первые метеорологические ИСЗ были запущены еще в 60-х годах, и автор этой книги вместе с другими метеорологами искренне радовался первым изображениям облачности циклонов и фронтов, полученным из космоса. Но все-таки тех данных, которые нужны для расчетов на ЭВМ, – о температуре, давлении и влажности воздуха на разных уровнях в атмосфере – с ИСЗ долгое время получать не могли. Только в самые последние годы появилась аппаратура (многоканальные радиометры), которая позволяет по излучению атмосферы в разных участках инфракрасной части спектра восстанавливать вертикальные профили давления, температуры и влажности воздуха.

Таким образом, ИСЗ теперь в состоянии заменить радиозонды и собирать данные о вертикальной структуре атмосферы над любым участком поверхности земли. В этом заключается наиболее ценный вклад ИСЗ в решение проблемы прогноза погоды. Рост успешности прогнозов в 80-х годах в значительной степени был связан именно с передовой технологией сбора метеорологической информации. Справедливости ради следует отметить и заслуги ученых, создающих новые схемы прогноза погоды и продолжающих изучение атмосферы. Как бы совершенны ни были ЭВМ и ИСЗ, без понимания механизма формирования погоды ее прогноз будет малоуспешен.