Метеорология

Спутниковое изображение взаимосвязанных систем Земли и климата

Метеороло́гия (др.-греч. μετεωρο-λογία — «рассуждение о небесных явлениях», от др.-греч. μετ-έωρα — «небесные явления» (др.-греч. μετέωρος metéōros — наука об атмосфере, её строении, свойствах и протекающих в ней физических процессах и явлениях. Метеорология относится к геофизическим наукам, так как изучение и объяснение атмосферных процессов и явлений основывается на законах физики. В процессе развития метеорологии из неё выделился ряд самостоятельных научных дисциплин: физика атмосферы, климатология, синоптическая метеорология и прочие.

История становления и развития метеорологии

Формированию метеорологии, как науки, предшествовал длительный период накопления фактов, сбора материалов наблюдений. Дошедшие до нас данные метеорологических наблюдений относятся к V веку до нашей эры. Со времен астронома Метона (около 433 г. до н. э.) в греческих городах выставлялись в общественных местах календари с записями о явлениях погоды, сделанных в предыдущие годы. Эти календари назывались парапегмами (от слова «прикреплять»).

Позже появляются и первые научные работы, посвящённые анализу метеорологических процессов. Особое место среди них занимает старейший всеобъемлющий трактат Аристотеля (384—322 гг. до н. э.) о небесных явлениях 4-томная «Метеорологика».

Упоминания об измерениях количества выпадавших осадков имеются в хрониках стран Древнего мира: Древнего Египта, Ассирии, Вавилонии, Индии, Китая и Кореи; тогда же появились первые научные трактаты о климате и приборы для наблюдения за погодой.

Леонардо да Винчи (1452—1519) основал атмосферную оптику: дальность видимости окрашенных объектов;

Наибольший вклад в налаживание инструментальных метеорологических наблюдений принадлежит итальянским учёным, и прежде всего Галилео Галилею с учениками, которыми были высказаны идеи создания термометра, барометра и дождемера. Блез Паскаль (1623—1662) первым доказал экспериментально убывание атмосферного давления с высотой, изобрел термометр (1610 г.), барометр и дождемер; К середине XVII века в Италии в немалом количестве изготавливались спиртовые термометры и ртутные барометры. Новую эпоху в гигрометрии составили труды швейцарского естествоиспытателя Ораса де Соссюра, который скон­ст­руи­ро­вал ряд из­ме­рительных при­бо­ров для оп­ре­де­ле­ния ско­ро­сти вет­ра (ане­мо­метр), влаж­но­сти воз­ду­ха (во­лос­ной гиг­ро­метр). На основании исследований Соссюра Пьером Дюлонгом, Жозефом Гей-Люссаком был разработан новый психрометрический метод измерения влажности, широко практикуемый и в наше время. Постоянные инструментальные наблюдения приземного атмосферного давления начались во Франции (Париж, Клермон) и в Швеции (Стокгольм) в 1640-х годах, температуры воздуха — в 1654 году в Италии (Флоренция).

В 1654 году академия экспериментирования в Тоскане организовала первую немногочисленную сеть инструментальных наблюдений, которые проводились в нескольких пунктах Европы (всего 10 станций).

В развитии метеорологии в XVII века большую роль сыграло Лондонское Королевское общество, в особенности Роберт Гук, Роберт 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 года до декабря 1692 года, вначале в Оксфорде, затем в Лондоне и в Отсе.

В 1668 году Эдмунд Галлей дал первое объяснение муссонов, им была составлена карта ветров для всех океанов.

В 1724—1735 годах по инициативе Лондонского королевского общества создается регулярная система метеорологических наблюдений. Первые метеорологические сводки были опубликованы за 1769—1792 годы академиком Иоганном Альбрехтом Эйлером. Во Флоренции ежедневно осуществлялось 15 наблюдений. Следующей важной вехой в развитии метеорологических наблюдений явилось создание в 1780 году сети из 37 станций, две из которых находились в Северной Америке. В конце XVIII века метеорологическая сеть станций впервые создана Мангеймским метеорологическим обществом (Германия). В середине XIX века во многих странах стали возникать специальные метеорологические учреждения, одно из первых организовала в 1855 году Великобритания. Затем метеорологические службы появились в других европейских странах и в США.

В 1873 году состоялся второй международный метеорологический конгресс, на котором была учреждена Международная Метеорологическая Организация (ММО).

Идея гидродинамического прогноза погоды принадлежит норвежскому учёному Вильгельму Бьеркнесу (1862—1951). Первая попытка рассчитать атмосферные движения на сутки вперёд по уравнениям гидродинамики с учётом силы Кориолиса предпринята в 1922 году английским исследователем Льюисом Фрайем Ричардсоном (1881—1953). Большой вклад в развитие гидродинамического метода описания общей циркуляции атмосферы внесли американские учёные во главе с Росби (1998—1957) и Гаурвицем. Синоптическая метеорология стала быстро развиваться благодаря трудам учёных Норвегии (Вильгельм Бьёркнес, Якоб Бьеркнес, Хеннинг Сольберг, Тур Бержерон) и СССР (Сергей Петрович Хромов, Хорен Петрович Погосян, Виктор Антонович Бугаев, Виктор Антонович Джорджио, Николай Леонидович Таборовский, Борис Дмитриевич Успенский). Большой вклад в разработку методов и приборов для измерения лучистой энергии и создание сети актинометрических станций в СССР внесли Орест Данилович Хвольсон, Виктор Аркадьевич Михельсон, Сергей Иванович Савинов, Николай Николаевич Калитин, Ю. Д. Янишевский; в США — С. Ленгли, Ч. Г. Аббот; в Германии — Ф. Линке; в Швеции — А. Онгстрем.

В 1950 году для наблюдения за атмосферой и океанами была создана Всемирная метеорологическая организация, центральный офис которой находится в Женеве, Швейцария. Основная задача организации — прогнозирование потенциальных природных бедствий. Всемирная метеорологическая организация приняла программу по атмосферным исследованиям.

У ВМО действуют 6 региональных ассоциаций на каждом континенте. Также есть 8 технических комиссий, который занимаются вопросами практического применения метеорологии, решением проблем в специальных областях, а именно, в сфере изучения атмосферы, в авиационной метеорологии, в сельском хозяйстве, климатологии и так далее.

Метеорология в России

В 1722 году по указу Петра I начаты систематические метеорологические наблюдения в Петербурге. Первый ряд метеорологических наблюдений произведён в 1724—1725 годах. В 1730-х годах участниками Великой Северной экспедиции под руководством В. Беринга (1681—1741) в Сибири была организована сеть из 12 метеорологических станций.

Становление сети регулярных наблюдений в России связано с именем Михаила Васильевича Ломоносова, который в 1759 году предложил проект правильной постановки метеорологических наблюдений.

В 1830 году под руководством Адольфа Яковлевича Купфера (1799—1865) учреждена магнитная лаборатория в Петербурге, затем в Казани, Николаеве, Ситхе, Лекине, Екатеринбурге, Барнауле и Нерчинске. С 1833 года магнитно-метеорологические обсерватории открываются в Богословске, Златоусте, Лугане.

С 1834 года по указу императора Николая I организована сеть регулярных метеорологических и магнитных наблюдений. С 1856 года Россия и Франция, а затем и другие страны начали регулярно обмениваться метеорологическими сводками по телеграфу. Таким образом было положено начало международного обмена метеорологической информацией.

В 1849 году был утверждён проект и штаты «Главной Физической Обсерватории» (ГФО); первым директором её был назначен сам Адольф Яковлевич Купфер. Под его управлением ГФО прочно поставила дело метеорологических наблюдений в России: число метеорологических станций начало возрастать; введены были совершенно однообразные методы наблюдений; появились издания, представляющие своды произведенных наблюдений.

С 1874 года в России при Главной Физической Обсерватории стали составляться штормовые предупреждения для моряков, причём их оправдываемость в 1899 году достигала 80 %.

В 1889 году в России вышла книга Михаила Михайловича Поморцева (1851—1916) «Очерк учения о предсказании погоды (синоптическая метеорология)» — первое русское руководство по метеорологии.

1 июля 1921 года Владимир Ильич Ленин подписал декрет об организации метеорологической службы в РСФСР. В период 1921—1929 годов шёл процесс создания метеорологических бюро в союзных республиках, краях, областях.

Важнейшие труды по теории переноса лучистой энергии в атмосфере принадлежат советским учёным Евграфу Сергеевичу Кузнецову, Василию Владимировичу Шулейкину, Владимиру Евсеевичу Зуеву, Кусиэлю Соломоновичу Шифрину, а по измерениям радиации с искусственных спутников Земли — Кириллу Яковлевичу Кондратьеву.

Методы исследований и система получения информации

В метеорологических исследованиях наиболее широко используются методы наблюдений, экспериментов, статистического и физико-математического анализа. Основным из них является метод наблюдений. Чтобы получить сравнимые материалы, наблюдения проводят в единые сроки стандартными приборами, по одинаковым методикам.

Метеорологические наблюдения

Метеорологические наблюдения — это измерения метеорологических величин, а также регистрация атмосферных явлений. К метеорологическим величинам относятся в первую очередь температура и влажность воздуха, атмосферное давление, ветер, облачность, осадки, туманы, метели, грозы, видимость. Сюда же присоединяются и некоторые величины, непосредственно не отражающие свойств атмосферы или атмосферных процессов, но тесно связанные с ними. Таковы температура почвы или поверхностного слоя воды, испарение, высота и состояние снежного покрова, продолжительность солнечного сияния и т. п.

Метеорологические наблюдения над состоянием атмосферы вне приземного слоя и до высот около 40 км носят название аэрологических наблюдений. Метеорологические наблюдения осуществляются на специальных гидрометеорологических станциях. Сеть метеорологических станций получает информацию об основных параметрах, характеризующих физическое состояние атмосферы.

Метод экспериментов

Экспериментируя, исследователь вмешивается в ход физических процессов, меняет условия, в которых они протекают, вводит одни факторы и исключает другие с целью выяснения причинных связей в явлениях. К числу метеорологических экспериментов относятся, например, опыты осаждения облаков и рассеяния туманов, вызывание осадков путём различных физико-химических воздействий на них. Такие опыты преследуют практические цели, но они позволяют также глубже разобраться в природе явления. Насаждение лесных полос, создание водохранилищ, орошение местности и т. п. вносят некоторые изменения в состояние приземного слоя воздуха. Тем самым и они в некоторой степени являются средствами метеорологического (точнее, климатологического) эксперимента.

Физико-математический метод

Физико-математический метод в настоящее время приобретает все большее значение. Базируется он на законах физики с применением математических методов, что позволяет создавать сложнейшие модели атмосферных процессов, представляющих собой систему дифференциальных уравнений..

Разделы метеорологии

Основным разделом метеорологии является:

• Физика атмосферы. Физика атмосферы в свою очередь подразделяется на ряд самостоятельных разделов: физика приземного слоя, физика высоких слоев атмосферы, физика облаков и осадков.
• Актинометрия — это раздел геофизики, в котором изучаются перенос и это превращения излучения в атмосфере, гидросфере и на поверхности Земли
• Динамическая метеорология (изучение физических механизмов атмосферных процессов)
• Синоптическая метеорология — раздел метеорологии, изу­чаю­щий со­стоя­ния и из­ме­не­ния по­го­ды на об­шир­ных тер­ри­то­ри­ях с це­лью раз­ра­бот­ки ме­то­дов про­гно­за по­го­ды. Рас­смат­ри­ва­ет ат­мо­сфер­ные про­цес­сы, ко­то­рые по мас­шта­бам от­но­сят­ся к звень­ям об­щей цир­ку­ля­ции ат­мо­сфе­ры.
• Атмосферная оптика — раздел физики атмосферы, изучающий процессы распространения оптического излучения в атмосфере.
• Атмосферное электричество — раздел физики атмосферы, изучающий электрические явления в атмосфере и её электрические свойства; в атмосферном электричестве исследуются электрическое поле в атмосфере, её проводимость, электрические токи и объёмные заряды в ней, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и другие явления.
• Аэрология (наука, изучающая верхние слои атмосферы до нескольких десятков километров от поверхности Земли)
• Авиационная
• Космическая
• Агрометеорология изучает погоду и климат применительно к практическим и теоретическим задачам сельского хозяйства и природо-обустройства и водопользования.

Также выделяют более мелкие разделы, как военную, медицинскую, лесную (связанную с пожарами), транспортную, строительную и другие

Космические методы исследований

Экспедиции, работавшие (надписи синим цветом) и продолжающие работать (надписи красным цветом) на Марсе по состоянию на 2022 год

Космические методы исследований в метеорологии (спутниковая метеорология) — это раздел метеорологии, изучающий физическое состояние атмосферы и подстилающей поверхности, систему Земля — атмосфера в целом, а также метеорологические явления и процессы с помощью искусственных спутников. Главная задача — получить необходимую спутниковую информацию об атмосферных процессах и явлениях, о состоянии земной поверхности и океана в региональном и планетарном масштабах, разработать методы её использования для анализа и прогноза погоды, изучения климата.

Китайский марсоход «Чжужун», который был оборудован метеорологическим измерительным прибором вместе с межпланетной станцией «Тяньвэнь-1» достиг Марса 15 мая 2021 года, он получает данные о температуре, давлении, скорости и направлении ветра, а также и другие данные, которые используются для исследования физических характеристик атмосферы Марса.

Литература

• Хромов С. П. Метеорология и климатология для географических факультетов. — Л.: Гидрометеорологическое изд-во, 1964. — С. 30. — 500 с.
• Городецкий О. А., Гуральник И. И., Ларин В. В. Метеорология, методы и технические средства наблюдений. — 2-е изд. — Л.: Гидрометеоиздат, 1991. — С. 8. — 336 с. — ISBN 5-268-00646-9.
• Хромов С. П., Петросянц М. А. Метеорология и климатология. Учебник. — М.: Изд. МГУ, 2001. — 527 с.
• Пасецкий В. М. Метеорологический центр России. — Л.: Гидрометеоиздат, 1978.
• Селезнева Е. С. Первые женщины геофизики и метеорологи. — Л.: Гидрометеоиздат, 1989. — 184 с.
• Метеорология // Военно-морской словарь / Гл. ред. В. П. Чернавин. — М.: Военное издательство. 1990. С. 245—246. — ISBN 5-203-00174-X
• Сидорова Л. П. Метеорология и климатология. Часть 1. Метеорология . Учебное электронное текстовое издание — Екатеринбург: ФГАОУ ВПО УрФУ, 2015. (рус.)

Ссылки

• Метеорология и климатология — статья в энциклопедии «Кругосвет»
• Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМУ)
• Сайт Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации
• Отделение метеорологии и климатологии Московского центра Русского географического общества
• Как метеорологи предсказывают погоду
• Карманный справочник авиационного штурмана, МЕТЕОРОЛОГИЯ
• Метеословарь Института географии РАН