Помоги проекту - поделись книгой:
Михаил Васильевич Беляков
Погода и ее предвидение
Введение
Нет, пожалуй, ни одной отрасли народного хозяйства, на которую не оказывала бы в какой-либо степени свое влияние погода.
Особенно велико это влияние в сельском хозяйстве и на транспорте.
Продолжительные дожди могут затруднить уборку хлебов. Внезапные заморозки приводят иногда к гибели фруктовых деревьев. Снежные заносы, вызываемые метелями, нарушают регулярность движения железнодорожного и автомобильного транспорта. Грозы, метели, туманы, низкая облачность зачастую делают опасными, а порой и невозможными полеты самолетов.
Сильные морозы, ливни, шквалы часто затрудняют строительные работы. Линии телефонной и телеграфной связи страдают от обрыва проводов при намерзании на них льда при гололеде.
Чтобы избежать потерь от вредного влияния погоды, зачастую приходится принимать специальные меры защиты: всевозможные агротехнические мероприятия в сельском хозяйстве, применение специальных грелок во фруктовых садах при заморозках, установка щитов от снежных заносов на железных дорогах, специальное оборудование самолетов и аэродромов и т. д. Все это в то же время вызывает настоятельную необходимость предвидеть вероятные изменения погоды.
О том, как научно предсказывается будущая погода, и рассказывается в этой небольшой книжке.
От народных примет к научному предвидению погоды
С незапамятных времен люди стремились предугадать погоду. За многие века они накопили целый ряд признаков или народных примет, которые позволяли с известной долей уверенности предсказывать погоду на сутки и несколько более вперед. Некоторые из таких примет могут быть обоснованы научно. Например, существует народная примета: «Летний туман — к ясной погоде». Она часто, действительно, оправдывается, так как невысокие, стелющиеся по земле туманы возникают летом в ясные ночи вследствие сильного охлаждения воздуха у земли, а эти условия присущи устойчивой ясной погоде.
Признаком сохранения ясной погоды может также служить чистый закат Солнца и заря золотисто-розового цвета. Если же, наоборот, накануне заря была оранжевой или розовой, а на следующий день стала багрово-красной, то это служит признаком приближения ненастья. Изменение цвета зари в этом случае объясняется приближением массы влажного воздуха.
Довольно надежным признаком близкой грозы или ливня служит быстрое развитие кучевых облаков, увеличивающихся по вертикали и имеющих вид огромных башен. Если в летний день утром на небе появляются высокие облака в виде небольших башенок или зубцов, расположенных вдоль плоского основания, то это служит надежным признаком того, что после полудня можно ожидать ливня с грозой. В то же время, если кучевые облака, образовавшиеся утром, к полудню не растут вверх, а начинают растекаться, причем выше их небо затягивается пеленой сплошных высоких облаков, это служит признаком приближения дождя (заметим, что это уже не народная примета, а результат научных наблюдений).
Таким образом, некоторые народные приметы и местные признаки могут быть использованы для предвидения погоды в месте наблюдения. Однако судить по подобным признакам об изменениях условий погоды на большой площади нельзя. Для практических целей одних местных примет погоды, как бы они ни были правильны, далеко не достаточно.
Нельзя забывать также о том, что очень многие из чисто народных примет носят случайный характер и часто основаны не столько на длительном опыте, сколько на разного рода суевериях. К ним относится, например, примета, что если в возвращающемся с пастбища стаде впереди идет красная корова, то следующий день будет «красный», а если черная, то ненастный. Нетрудно убедиться, что эта примета не имеет никакого значения.
Некоторые приметы связывают изменения погоды с церковными праздниками. Говорят, например: «Василий-капельник — с крыш капает» (3 марта) и т. д. Подобные приметы совершенно неправильны, они легко опровергаются наблюдениями.
Чтобы предусмотреть вероятные изменения погоды в каком-либо пункте, необходимо разбираться в состоянии атмосферы на большой площади. Объясняется это тем, что погода не стоит на месте, а перемещается. Так, например, погода, которая была сегодня в районе Прибалтики, может завтра оказаться в районе Москвы.
Процессы, совершающиеся в атмосфере, связаны между собой на очень больших расстояниях. Советский ученый В. Ю. Визе обнаружил, например, весьма интересную связь между такими, казалось бы, совсем разными по характеру явлениями, как уровень больших озер в Центральной Африке и количество льдов в арктических морях. Оказалось, что повышенная ледовитость морей Арктики совпадает с пониженным уровнем африканских озер, и наоборот. Исследования показали, что это явление зависит от интенсивности общего воздухообмена на земном шаре. Чем больше скорость перемещения масс воздуха над поверхностью земного шара, тем меньше становится льдов в арктических морях; с уменьшением интенсивности перемещения воздушных масс ледовитость морей Арктики увеличивается. В то же время усиление циркуляции атмосферы в экваториальной зоне вызывает увеличение количества выпадающих здесь дождей, что и приводит к повышению уровня озер в Центральной Африке.
Понятно, что различные формы взаимной связи процессов в атмосфере люди обнаруживали постепенно. Наблюдения за погодой велись на первых порах без приборов и давали только ее качественную характеристику.
С середины XVII века такие наблюдения стали постепенно заменяться наблюдениями по приборам. Исследования в области физики и математики таких ученых, как Галилей, Ньютон, Паскаль, Ломоносов, позволили выяснить физическую сущность процессов, обусловливающих погоду, и привели к развитию специальной науки, занимающейся исследованием атмосферы — метеорологии.
Все это постепенно и привело к развитию научных методов предвидения погоды.
Как возникла современная служба погоды и что она собой представляет
Исследования атмосферы показали, что изменения погоды тесно связаны с такими ее элементами (свойствами), как давление воздуха, его температура и влажность, ветер, облачность, осадки и т. д. Определяя количественные значения всех этих элементов, можно организовать научное наблюдение за погодой в большом количестве пунктов на поверхности Земли[1].
Вначале дело ограничивалось наблюдениями температуры воздуха, затем стали наблюдать за давлением, влажностью, ветром, облачностью и т. д., и не только непосредственно у земной поверхности, но и на разных высотах. Были созданы постоянно действующие пункты — метеорологические станции, оснащенные нужными приборами и располагающие специально подготовленными наблюдателями. Такие станции создавались как на равнине, так и в горах (рис. 1).
Температура воздуха измеряется с помощью термометров, с точностью до 0,1 градуса, в специальных, хорошо продуваемых деревянных будках, а также непосредственно на поверхности земли. При этом записывают также наименьшую и наибольшую температуру в промежутках между наблюдениями.
Давление воздуха определяется по ртутному барометру. Для определения влажности воздуха применяются гигрометры, в которых используется свойство обезжиренных волос удлиняться при увеличении влажности воздуха. Для этой же цели применяются психрометры, состоящие из двух термометров: ртутный шарик одного из них покрыт полоской тонкой материи, конец которой опущен в стаканчик с водой. Показания «смоченного» термометра зависят от влажности полоски материи, а показания сухого — соответствуют температуре окружающего воздуха. По разности их показаний, которая тем больше, чем меньше влажность воздуха, по специальным таблицам определяется относительная влажность воздуха в процентах.
Скорость и направление ветра определяются флюгером.
Для непрерывной записи изменений давления, температуры и влажности воздуха применяются самопишущие приборы — барограф, термограф и гигрограф[2].
Скорость и направление ветра на разных высотах метеорологи определяют путем наблюдений за полетом легких резиновых шаров, наполненных водородом — так называемых шаров-пилотов. На таких шарах на высоту поднимают также специальные приборы — радиозонды, которые автоматически передают по радио на землю данные о температуре, давлении и влажности воздуха.
В отдельных случаях для продолжительных исследований свойств воздушных масс наблюдатели с приборами поднимаются на свободных аэростатах. Такую же работу выполняют поднимающиеся на большие высоты автоматические стратостаты (без наблюдателей), снабженные самопишущими приборами.
С развитием авиации стали широко применяться подъемы метеорологических приборов на самолетах. В последнее время метеорологические службы всех стран ведут большие работы по созданию дистанционных метеорологических приборов, передающих свои показания по проводам или по радио. В пустынных и горных местностях применяются автоматически действующие радиометеорологические станции, ведущие наблюдения без людей и передающие результаты по радио (рис. 2).
Для подъема приборов на очень большие высоты применяют ракеты.
Новое средство для изучения атмосферы и ее процессов дала в руки метеорологов радиолокация[3]. При помощи радиолокационных установок можно обнаруживать на значительных расстояниях ливневые осадки и грозы. Наконец, большое значение в практике исследований атмосферы имеют и так называемые косвенные методы исследований — наблюдения метеоров, изучение спектра ночного и сумеречного неба, спектра полярных сияний, распространения в атмосфере световых волн, звуковых волн и радиоволн.
На первых порах результаты метеорологических наблюдений использовались в основном только для изучения климата отдельных районов. Для этого на отдельных метеостанциях вычисляли средние величины отдельных метеорологических элементов за месяц и за год, что и давало возможность судить о среднем, обычном состоянии погоды в том или ином районе, т. е. о том, что мы называем климатом.
Такое изучение климата, основывающееся на накоплении результатов наблюдений за длительные сроки, продолжается и до сих пор.
В то же время, обрабатывая результаты наблюдений, метеорологи стали наносить их на географические карты, что давало наглядное представление о погоде на большой территории.
Изучая такие карты, метеорологи вскоре обнаружили, что условия погоды, наблюдающиеся в какой-либо день в одном районе, на другой день перемещаются в другой район, иногда на довольно значительное расстояние. Эта способность погоды перемещаться навела на мысль о том, что если непрерывно следить за ее движением, то можно будет предвидеть и вероятные изменения погоды по пути ее перемещения.
Эта задача была, однако, успешно решена только после появления телеграфа, при помощи которого можно быстро собирать сведения о погоде одновременно из разных пунктов.
В настоящее время во всех странах мира существует широко разветвленная сеть метеорологических станций, которые в соответствии с международными соглашениями производят наблюдения по определенной программе.
Результаты наблюдений станций передаются по телеграфу и радио в центральные метеорологические учреждения каждой страны и затем в виде сводок по радио для обмена с соседними странами. Это позволяет производить как бы «фотографирование» состояния погоды в один и тот же момент времени на большом пространстве. Наблюдения производятся на всех станциях через каждые два часа, т. е. 12 раз в сутки. В СССР сроками регулярных наблюдений являются 01, 03, 05, 07, 09, 11, 13, 15, 17, 19, 21 и 23 часа московского декретного времени. Результаты наблюдений, поступающие в центры Службы погоды, наносятся на так называемые синоптические карты. Название это происходит от греческого слова «синопсис», что значит «обозрение». На синоптической карте можно обозревать состояние погоды за один и тот же момент времени на больших пространствах. Такие карты представляют собой «немые» географические карты, на которых бледной краской нанесены контуры материков, морей и рек и маленькими кружками обозначены пункты, в которых расположены метеорологические станции.
В зависимости от размеров охватываемой территории синоптические карты делятся на основные и дополнительные. Основные карты, охватывающие процессы на всей территории нашей страны, составляются четыре раза в сутки, по наблюдениям в 03, 09, 15 и 21 час. Эти карты являются основой для предсказания погоды на ближайшие сутки. По наблюдениям в сроки 01, 07, 13 и 19 часов составляются дополнительные карты; они охватывают меньшую территорию и служат для уточнения погоды в районах, близких к данному центру Службы погоды. Наконец, наблюдения в промежуточные сроки (05, 11, 17 и 23 часа) используются для выяснения, в случае надобности, подробностей развития того или иного процесса в ограниченном районе.
По данным наблюдений на разных высотах составляются высотные синоптические карты, позволяющие судить об изменениях состояния атмосферы в некотором слое над земной поверхностью.
В наиболее крупных центрах Службы погоды, кроме указанных карт, составляются карты для территории всего северного полушария. Они используются при составлении прогнозов погоды на сроки более суток и для научно-исследовательской работы.
Каждое очередное донесение с метеорологической станции содержит в настоящее время очень большое количество сведений. Сюда входят данные о температуре, давлении и влажности воздуха, об облачности и осадках, о ветрах, грозах, метелях, туманах, видимости и т. д. Многие станции сообщают результаты наблюдений за ветром, а также давлением, температурой и влажностью воздуха не только у земли, но и на разных высотах.
Передавать по телеграфу такие донесения словами, да еще 12 раз в сутки, от большого количества станций было бы просто невозможно. Для упрощения передачи сведений Всемирная (международная) метеорологическая организация разработала и приняла специальный международный цифровой код. При помощи этого кода все содержание очередного сообщения метеорологической станции может быть уложено в несколько групп цифр — по пяти цифр в каждой группе.
У цифрового кода есть еще и то преимущество, что он позволяет понимать телеграмму, из какой бы страны она не пришла. Составленную по международному коду телеграмму может прочесть любой человек, знающий код, независимо от того, на каком языке он говорит. Таким путем все страны без затруднений обмениваются сводками наблюдений метеорологических станций.
Как уже было сказано, наиболее наглядным способом изображения состояния погоды на большой территории является нанесение результатов наблюдений на географические карты. Для этого была разработана система специальных условных обозначений. Как и код для телеграмм, она согласована в международном порядке.
Специальными условными знаками и цифрами на карте вокруг кружка, обозначающего данную метеорологическую станцию, изображается состояние погоды в тот момент, которому соответствует полученное со станции кодированное сообщение. Пример такого изображения приведен на рис. 3.
В приведенном случае рисунок изображает состояние погоды, изложенное в одной из очередных кодированных телеграмм.
Нанесенные на рис. 3 цифры и значки означают, что на данной станции наблюдалась следующая погода: небо было сплошь покрыто плотными высокослоистыми и разорваннодождевыми облаками, причем последние были в количестве семи баллов и располагались на высоте 300 метров. Ветер силой восемь баллов дул с юго-запада. Между двумя последними наблюдениями шел непрерывный сильный снег; снег шел и в момент наблюдения. Температура воздуха была 7 градусов мороза, давление воздуха 1001,3 миллибара, причем за последние три часа оно упало на 2 миллибара. Дальность видимости земных предметов была равна 500 метрам. Влажность воздуха колебалась в пределах 80–89 процентов.
Вы видите, насколько подробно и наглядно можно судить о погоде в одном пункте. В то же время нужно иметь в виду, что нанесение этих данных на карту делается вручную; при мелком масштабе карт и большом количестве пунктов наблюдений такая работа является очень трудоемкой.
На рис. 4 приведена часть синоптической карты с нанесенными на ней данными ряда метеорологических станций. Полностью зачерненный кружок означает, что небо полностью покрыто облаками; кружок, зачерненный наполовину, — облаками закрыта половина неба, и т. д. Ветер изображен стрелками, летящими по ветру и упирающимися в кружок, обозначающий станцию. Сила ветра определяется числом перышек у стрелки, в баллах (один балл соответствует 2
Уже в таком виде карта погоды позволяет получить некоторое общее представление о состоянии погоды на всей территории, охватываемой картой.
Для более подробного анализа процессов в атмосфере карта подвергается дальнейшей обработке. При этом в первую очередь выясняется, как распределяется давление воздуха. Это можно вполне наглядно выявить, если на карте провести линии, соединяющие места с одинаковым атмосферным давлением. Такие линии равных давлений называются изобарами. Они проводятся обычно через каждые 5 миллибар. Величина давления, соответствующая изобаре, указывается цифрой.
Изобары образуют на синоптической карте разнообразные фигуры — «барические системы». При этом отчетливо выделяются два основных типа этих фигур. В одном случае изобары, замыкаясь, образуют зоны, в которых давление воздуха понижается от краев к центру. Это так называемые циклоны. В другом случае образуются зоны, в которых давление воздуха от краев к центру повышается — так называемые антициклоны.
Кроме того, на картах можно видеть «гребни» (отроги) — выступающие части областей высокого давления — и «ложбины» — части областей низкого давления, а также «седловины» — области, лежащие между расположенными крест-накрест двумя циклонами и двумя антициклонами (см. рис. 5).
Центральные части циклонов на синоптической карте обозначаются буквой
Необходимо отметить то очень важное обстоятельство, что с распределением давления воздуха непосредственно связаны как само возникновение, так и направление и скорость ветра. При этом на картах легко обнаружить, что воздух всегда движется вдоль изобар, под небольшим углом к ним, оставляя более низкое давление слева. В результате циклоны и антициклоны представляют собой не застывшие области низкого и высокого давления воздуха, а мощные атмосферные вихри.
Кроме изобар, на синоптических картах проводятся линии, обозначающие разделы между массами воздуха с различными температурами и влажностью воздуха — это так называемые линии фронтов. Линия с круглыми зубцами обозначает теплый фронт, а линия с острыми зубцами — холодный.
В результате такой обработки синоптические карты и приобретают вид, изображенный на рисунке 4.
О чем рассказывает синоптическая карта
Какие же атмосферные процессы отображаются синоптическими картами?
Существенное место среди этих процессов занимает образование облаков и осадков.
В атмосфере всегда содержится водяной пар. В каждом кубическом метре воздуха при температуре в 30 градусов тепла может содержаться до 30 граммов водяного пара. При этом количестве воздух полностью насыщен водяными парами, но они невидимы и не образуют ни капелек воды, ни ледяных кристаллов.
Если теперь температура понизится, то часть водяного пара сконденсируется и превратится в капельки воды или ледяные кристаллы, которые и образуют все наблюдаемые нами виды облачности и осадков.
В облаках капельки воды и ледяные кристаллы находятся во взвешенном состоянии и не падают на землю до тех пор, пока, увеличиваясь, не достигнут таких размеров, что уже не могут удерживаться восходящим потоком воздуха.
Чем ниже температура воздуха, тем меньше может содержаться в нем водяных паров для полного насыщения. Так, например, при 30 градусах мороза в каждом кубометре воздуха может находиться уже не более 0,5 грамма водяного пара.
Охлаждение воздуха в атмосфере достигается преимущественно восходящими токами. При подъеме воздуха вверх он попадает в слои с меньшим атмосферным давлением и расширяется. При этом, как всякий газ он охлаждается.
Высота, на которой поднимающийся воздух охлаждается до такой степени, что становится полностью насыщенным, называется уровнем конденсации. Этот уровень зависит от количества водяного пара, содержащегося в воздухе, и начальной температуры поднимающегося воздуха. Чем больше влаги в поднимающемся воздухе и чем ниже его температура, тем меньше высота, на которой начнется конденсация. В сухом и теплом воздухе уровень конденсации лежит довольно высоко.
Каковы же причины, вызывающие подъем воздуха? Их несколько. Одна из них — неравномерное нагревание земной поверхности. Находящаяся над более нагретым участком земной поверхности масса воздуха нагревается сильнее, чем окружающий воздух, и начинает всплывать вверх. Другая причина — это завихрения, возникающие в нижних слоях атмосферы при ветре. Наконец, воздух может подниматься вверх при натекании его на большие препятствия, например, на горные хребты, а также при встрече двух различно нагретых воздушных масс: теплый воздух поднимается вверх по очень пологому клину холодного воздуха или же, наоборот, вытесняется вверх вторгающимся под него клином холодного воздуха.
Поделиться книгой: