Метеорологией называется наука об атмосфере - воздушной оболочке Земли. Она относится к геофизическим наукам, поскольку в ней, на основе законов физики, изучаются определенные категории физических процессов, свойственных Земному шару.
Климатология - это наука о климате, т. е. о совокупности атмосферных условий, свойственной тому или иному месту в зависимости от его географической обстановки. Климат является, таким образом, одной из физико-географических характеристик местности. В качестве таковой он влияет на хозяйственную деятельность людей: на специализацию сельского хозяйства, географическое размещение промышленности, воздушный, водный и наземный транспорт. Итак, климатология - по существу географическая наука. Знания из области климатологии необходимы для подготовки географа любой специальности.
Климатология тесно связана с метеорологией. Понимание закономерностей климата возможно на основании тех общих закономерностей, которым подчинены атмосферные процессы. Поэтому при анализе причин возникновения различных типов климата и их распределения по Земному шару климатология исходит из понятий и законов метеорологии.
В этом элементарном курсе метеорология и климатология излагаются не порознь, а по возможности как единое целое. Наша первая задача - выяснить, каковы содержание и методы этих наук и каким было их историческое развитие.
Земная поверхность окружена газовой, воздушной оболочкой - атмосферой, принимающей участие во вращении Земли. На дне атмосферы в основном протекает наша жизнь. Воздух, в отличие от воды, сжимаем. Поэтому, с высотой плотность его убывает, и атмосфера постепенно сходит на нет, без резкой границы. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, три четверти - в нижних 10 км, девять десятых - в нижних 20 км. Но присутствие воздуха - чем выше, тем все более разреженного - обнаруживается до очень больших высот. Полярные сияния указывают на наличие атмосферы на высотах до 1000 км и более. Полеты спутников на высотах в несколько тысяч километров также происходят в атмосфере, хотя и чрезвычайно разреженной. Из наблюдений с помощью ракет можно заключить, что атмосфера простирается, при все убывающей плотности, до высот более 20 тыс. км. Но космические ракеты, а также некоторые спутники с очень растянутой траекторией полета уже неоднократно пронизывали атмосферу и выходили в межпланетное пространство.
Атмосферные процессы вблизи земной поверхности и в нижних 10-20 км атмосферы особенно важны с практической точки зрения и наиболее изучены; именно эти процессы будут излагаться в данном курсе. Но и высшие слои атмосферы, отдаленные от земной поверхности на сотни и тысячи километров, в последнее время изучаются все более интенсивно и успешно, особенно с помощью геофизических ракет и спутников. В этих слоях при поглощении ультрафиолетового и корпускулярного солнечного излучения происходят фотохимические реакции разложения газовых молекул на электрически заряженные атомы. Поэтому указанные слои сильно ионизированы и обладают очень большой электропроводностью. В них наблюдаются такие явления, как полярные сияния и постоянное свечение воздуха, создающее так называемый ночной свет неба; в них происходят также сложные микрофизические процессы, связанные с космическим излучением. Методы изучения всех этих процессов своеобразны; само их исследование мало связано с изучением атмосферы у земной поверхности и в нижних слоях, но тесно связано с изучением земного магнетизма. Поэтому с недавних пор принято выделять учение о физических (и химических) процессах в высших слоях атмосферы в особую научную дисциплину, получившую название аэрономии. Эта наука уже не является частью метеорологии, а стоит, рядом с нею. В нашем курсе вопросы аэрономии затрагиваются лишь в малой степени.
В атмосфере происходят многообразные физические процессы, непрерывно меняющие ее состояние. Состояние атмосферы у земной по-верхности, а также и в более высоких слоях (как правило, в сфере действий воздушного транспорта) называют погодой. Характеристики погоды, та-кие, как температура воздуха, облачность, атмосферные осадки, ветер и пр., носят название метеорологических элементов. Изменения погоды у земной поверхности имеют большое значение для сельского хозяйства и многих других областей хозяйственной деятель-ности человека. Погода в более высоких слоях атмосферы влияет на работу авиации. Нужно при этом заметить, что атмосферные процессы на разных высотах связаны между собой. Поэтому для полноценного изучения погоды у земной поверхности необходимо изучать и более высокие слои атмосферы.
Состояние атмосферы в высших слоях, являющееся предметом аэрономии, не входит в состав понятия погоды.
В любом месте Земли погода в разные годы протекает по-разному. Однако при всех различиях отдельных дней, месяцев и лет в каждой местности можно различать вполне определенный климат.
Вначале уже было сказано, что климатом называют совокупность атмосферных условий, присущую данной местности в зависимости от ее географической обстановки. Под географической обстановкой подразумевается не только положение местности, т. е. широта, долгота и высота над уровнем моря, но и характер земной поверхности, орография, почвенный покров и пр. Атмосферные условия более или менее сильно меняются в годовом ходе - от зимы к лету и от лета к зиме. Совокупность этих условий несколько меняется и от года к году. Но от одного многолетнего периода к другому совокупность атмосферных условий меняется лишь в самых ограниченных пределах, причем эти изменения имеют характер колебаний то в одном, то в другом направлении. Климат, таким образом, обладает устойчивостью. Поэтому климат и является одной из физико-географических характеристик местности, одной из составляющих географического ландшафта. А так как между атмосферными процессами и состоянием земной поверхности (включая и мировой океан) существуют тесные связи, то и климат связан с другими географическими характеристиками, с другими составляющими географического ландшафта.
Атмосферные процессы связаны с влияниями, идущими как сверху, из космоса, так и снизу, от земной поверхности. Источником энергии атмосферных процессов в основном является солнечная радиация (солнечное излучение), приходящая к Земле из мирового пространства. Именно лучистая энергия Солнца превращается в атмосфере и на земной поверхности в теплоту, энергию движения и другие виды энергии. Но солнечные лучи больше нагревают земную поверхность, чем непосредственно воздух, а уже между земной поверхностью и атмосферой происходит оживленный обмен тепла, а также и воды. Строение земной поверхности, ее рельеф имеют значение и для движений воздуха. С влияниями земной поверхности (нагревание, запыление) в определенной степени связаны и оптические свойства атмосферы, и ее электрическое состояние.
Наличие атмосферы является, в свою очередь, важным фактором для разнообразных физических процессов, развертывающихся на земной поверхности - в почве и верхних слоях водоемов (например, ветровая эрозия, морские течения и ветровое волнение, установление и сход снежного покрова и многое другое), а также для жизни на Земле.
В составе солнечной радиации есть наиболее коротковолновая ультрафиолетовая радиация, энергия которой невелика, но которая производит сильнейшее фотохимическое действие на высшие слои атмосферы. Сильно влияет на высшие слои атмосферы и корпускулярная радиация Солнца, т. е. потоки заряженных элементарных частиц, выбрасываемых Солнцем. Ультрафиолетовая и корпускулярная радиация значительно меняется во времени в зависимости от солнечной активности, т. е. от физических процессов, происходящих на Солнце и приводящих, между прочим, к изменению числа солнечных пятен. В связи с этим меняется состояние высших слоев атмосферы, содержание в них озона, их ионизация, электропроводность и пр., что, в свою очередь, сказывается и на состоянии нижних слоев, а стало быть, на погоде и климате. Механизм воздействия верхней атмосферы на нижние слои еще неясен.
Существует три основных цикла атмосферных процессов, определяющих климат. Это так называемые климатообразующие процессы - теплооборот, влагооборот и атмосферная циркуляция.
Теплооборот, создающий тепловой режим атмосферы, состоит в следующем.
Сквозь атмосферу проходит поток солнечной радиации. Атмосфера частично поглощает солнечные лучи, преобразуя их энергию в теплоту; частично рассеивает их, меняя по качеству (спектральному составу); частично они отражаются назад облаками.
Радиация, прошедшая сквозь атмосферу (отчасти и рассеянная атмосферой), падая на земную поверхность, частично от нее отражается, но в большей части поглощается ею и нагревает верхние слои почвы и водоемов. Земная поверхность сама испускает невидимую инфракрасную радиацию, которая в большей части поглощается атмосферой и нагревает ее. Атмосфера, в свою очередь, излучает инфракрасную радиацию, большая часть которой поглощается земной поверхностью. В то же время земная и атмосферная радиация непрерывно уходит за пределы атмосферы вместе с отраженной солнечной радиацией, уравновешивая приток солнечной радиации к Земле.
Кроме обмена тепла путем излучения, между земной поверхностью и атмосферой происходит обмен тепла путем теплопроводности. В передаче тепла внутри атмосферы особенно важную роль играет перемешивание воздуха в вертикальном направлении. Значительная часть тепла, поступающего на земную поверхность, затрачивается еще на испарение воды, переходя в скрытую форму. Потом, при сгущении водяного пара в атмосфере, это тепло, выделяясь, идет на нагревание воздуха.
Температура воздуха, постоянно ощущаемая как тепло или холод, имеет важнейшее значение для жизни на Земле вообще, для жизни и хозяйственной деятельности людей в частности. Температура воздуха меняется в течение суток и в течение года в зависимости от вращения Земли и связанных с ним изменений в притоке солнечной радиации. Но она меняется и нерегулярно, непериодически, в связи с воздушными течениями, направленными из одних мест Земли в другие. Распределение температуры воздуха по Земному шару в основном зависит от общих условий притока солнечной радиации по широтам, от распределения суши и моря, которые по-разному поглощают радиацию и по-разному нагреваются, и, наконец, от воздушных течений, переносящих воздух из одних областей Земли в другие.
Кроме теплооборота, между атмосферой и земной поверхностью происходит постоянный оборот воды, или влагооборот. С поверхности океанов и других водоемов, влажной почвы и растительности в атмосферу испаряется вода, на что затрачивается большое количество тепла из почвы и верхних слоев воды. Водяной пар - вода в газообразном состоянии - является важной составной частью атмосферного воздуха. При существующих в атмосфере условиях водяной пар может испытывать и обратное преобразование: он конденсируется, сгущается, вследствие чего возникают облака и туманы, В процессе конденсации в атмосфере освобождаются большие количества скрытого тепла. Из облаков при определенных условиях выпадают осадки. Возвращаясь на земную поверхность, осадки тем самым уравновешивают испарение в целом для всего Земного шара.
Количество выпадающих осадков и его распределение по сезонам влияют на растительный покров и земледелие. От распределения и колебания количества осадков зависят также условия стока, режим рек, уровень озер и другие гидрологические явления. От большей или меньшей высоты снежного покрова зависят промерзание почвы и режим вечной мерзлоты.
Неравномерное распределение тепла в атмосфере приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, а от распределения давления зависит движение воздуха, или воздушные течения.
На характер движения воздуха относительно земной поверхности важное влияние оказывает тот факт, что движение это происходит на вращающейся Земле. В нижних слоях атмосферы на движение воздуха также влияет трение. Движение воздуха относительно земной поверхности называют ветром, всю систему воздушных течений на Земле - общей циркуляцией атмосферы. Вихревые движения крупного масштаба - циклоны и антициклоны, постоянно возникающие в атмосфере, делают эту систему особенно сложной.
С перемещениями воздуха в процессе общей циркуляции связаны основные изменения погоды: воздушные массы, перемещаясь из одних областей Земли в другие, приносят с собой новые условия температуры, влажности, облачности и пр.
Кроме общей циркуляции атмосферы, существуют местные циркуляции: бризы, горно-долинные ветры и др.; возникают также сильные вихри малого масштаба - смерчи, тромбы.
Ветер вызывает волнение водных поверхностей, многие океанические течения, дрейф льдов; он является важным фактором эрозии и рельефообразования.
Климатообразующие процессы развертываются в различной географической обстановке. Поэтому конкретные особенности этих процессов, а с ними и типы климатов определяются такими географическими факторами климата, как широта, распределение суши и моря, строение поверхности суши (особенно крупномасштабная орография), почва, растительный и снежный покров, морские льды, океанические течения и пр. Распределение климатических условий по Земному шару зависит от распределения этих географических факторов.
Особые, так называемые микроклиматические условия наблюдаются в самом нижнем, приземном слое воздуха, в котором обитают сельскохозяйственные культуры. Здесь на особенности атмосферного режима влияют детали строения и состояния земной поверхности.
Климат испытывает существенные и даже коренные изменения на протяжении геологических эпох. Эти изменения связаны с изменениями в строении земной поверхности и в составе атмосферы, а также с различными причинами астрономического характера. Таковы, например, изменения во вращении Земли вокруг Солнца, изменения плотности материи в межпланетном пространстве и пр., а также, и может быть в особенности, изменения в солнечной активности. Происходят и некоторые колебания климатических условий на протяжении тысячелетий и столетий и еще более коротких промежутков времени. Так, например, в большей части Земного шара, особенно в средних и высоких широтах, в первой половине текущего столетия замечено определенное потепление. Такие колебания климата в настоящее гремя связывают преимущественно (но не только) с изменениями общей циркуляции атмосферы, а эти последние - с колебаниями солнечной активности.
Фактические сведения об атмосфере, погоде и климате получают из наблюдений. Анализ результатов наблюдений служит в метеорологии и климатологии для выяснения причинных связей в изучаемых явлениях.
В общей физике основным методом исследования является эксперимент. 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. Но атмосферные явления крупного масштаба, такие, как общая циркуляция атмосферы или теплооборот на больших пространствах, еще не могут быть существенно изменены вмешательством человека. Даже энергия термоядерных взрывов невелика по сравнению с энергией процессов циркуляции атмосферы, поскольку взрывы при большой их мощности весьма кратковременны. Изменения в физическом состоянии атмосферы, которые создаются термоядерными взрывами, оказываются ограниченными по распространению их влияния и недолговременными (речь идет о физических процессах, а не о заражении атмосферы радиоактивными продуктами распада). Поэтому метеорология, как и другие геофизические науки, должна прибегать к наблюдениям, т. е. к измерениям и качественным оценкам процессов, протекающих в природной обстановке. Непрерывно наблюдая за атмосферными процессами, человек является зрителем и регистратором тех грандиозных опытов, которые ставит сама природа, без его участия.
В ограниченных пределах в метеорологии применяется и эксперимент. К числу метеорологических экспериментов относятся, например, опыты осаждения облаков и рассеяния туманов путем 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.
Применяется и моделирование некоторых атмосферных процессов в лаборатории, т. е. воспроизведение их в малом масштабе и при упрощенных условиях. Так, например, моделируется даже общая циркуляция атмосферы. Возможности такого метода исследования также ограничены.
Результаты наблюдений подвергаются анализу в целях выяснения закономерностей, существующих в атмосферных процессах. Первостепенное значение имеет в метеорологии статистический анализ большого материала наблюдений, особенно применение осреднения, которое отсеивает случайные детали явлений и яснее показывает их существенные особенности.
Особенно велика роль этого метода для климатологии. Климатология берет в качестве исходного материала результаты метеорологических наблюдений; эти результаты сопоставляются, сравниваются во времени и пространстве. Для полного представления о климате недостаточно наблюдений единовременных или в течение коротких промежутков времени. Атмосферные процессы настолько изменчивы и многообразны, что для изучения современного климата во всех его особенностях необходимо наблюдать их в течение длительного, многолетнего периода.
Для получения выводов из очень большого количества наблюдений необходимо подвергать результаты наблюдений статистическому анализу; поэтому климатические характеристики являются статистическими выводами из многолетних рядов наблюдений. Такие характеристики могут представлять собой многолетние средние значения различных метеорологических величин, средние из ежегодных отклонений от этих многолетних средних значений, крайние пределы отдельных значений за многолетний период, повторяемости тех или других величин явлений, средние и крайние сроки наступления определенных явлений и т. д.
С помощью статистического метода корреляции можно также установить наличие большего или меньшего параллелизма или противоположности (или отсутствие их) в изменениях различных метеорологических величин во времени. Тем самым можно выяснить, есть ли связь между этими величинами, и количественно выразить степень этой связи.
Для выражения количественных связей между явлениями в метеорологии употребительны также эмпирические формулы, коэффициенты которых подбираются из опыта, т. е. опять-таки из большого числа сравнительных наблюдений.
Статистика, таким образом, помогает яснее представить факты и лучше обнаружить связи между ними. Но статистика не объясняет фактов и связей. А именно их объяснение открывает наиболее надежный путь к предвидению (прогнозу) дальнейшего развития процессов и к сознательному воздействию на них.
Поскольку в метеорологии рассматриваются физические явления, их объяснение может быть дано только на основании законов физики. Наиболее совершенный путь для этого - физико-математический анализ. В XX столетии достигнуты большие успехи в его применении к задачам метеорологии. На основе общих законов физики составляются дифференциальные уравнения, описывающие атмосферные процессы. Подставляя в эти уравнения исходные данные, полученные из наблюдений, и решая уравнения, можно находить количественные закономерности атмосферных процессов и даже прогнозировать их дальнейшее течение. В одних разделах метеорологии этот метод применяется широко, в других - еще недостаточно.
Основные атмосферные процессы развертываются на больших пространствах, а их следствия, в виде определенных условий погоды и климата, обнаруживаются в таком же крупном масштабе. Поэтому существенное значение в метеорологии и климатологии имеет сопоставление наблюдений на географических картах. Последующий анализ наблюдений относится уже не к наблюдениям в отдельных пунктах, а к пространственным распределениям наблюденных величин.
На карту можно нанести фактические результаты наблюдений, сделанные в разных местах в один и тот же момент. Такая карта называется синоптической; она позволяет видеть, как распределялись условия погоды и, следовательно, каковы были свойства атмосферы и характер атмосферных процессов в этот момент над большой территорией. Составляя синоптические карты для последовательных моментов времени, можно прослеживать развитие атмосферных процессов и делать выводы о будущей погоде.
На карты можно наносить и результаты статистической обработки многолетних наблюдений; тогда мы получим климатологические карты. Можно составить, например, карты многолетнего среднего распределения величин температуры или осадков на определенной территории за тот или иной месяц, карты средних дат установления снежного покрова, карты повторяемости гроз, карты наибольших или наименьших температур, наблюдавшихся в данной местности, и пр. Климатологические карты облегчают дальнейший анализ фактов, относящихся к климату, позволяют делать выводы о пространственном распределении особенностей или типов климата и т. д.
Метеорологические наблюдения - это измерения и качественные оценки метеорологических элементов. К метеорологическим элементам 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. В меньшем числе мест производятся еще наблюдения над солнечным и земным излучением и над атмосферным электричеством.
Метеорологические наблюдения над состоянием атмосферы вне приземного слоя, до высот около 40 км, носят название аэрологических наблюдений. От них отличаются по методике наблюдения над состоянием высших слоев атмосферы, которым можно дать название аэрономических наблюдений.
Наиболее полные и точные наблюдения производятся в метеорологических и аэрологических обсерваториях, имеющихся во всех странах мира. Число таких обсерваторий, однако, невелико. Кроме того, даже самые точные наблюдения в немногочисленных пунктах не могут дать исчерпывающего представления обо всей жизни атмосферы, поскольку атмосферные процессы протекают в разной географической обстановке по-разному. Поэтому, кроме метеорологических обсерваторий, наблюдения над основными метеорологическими элементами ведутся еще на многих тысячах метеорологических станций и многих сотнях аэрологических станций по всему Земному шару.
Для изучения географического распределения метеорологических элементов и сравнения состояния атмосферы (погоды и климата) в различных местах Земли необходимо, чтобы метеорологические станции в каждой стране и во всех странах мира вели наблюдения по возможности однотипными приборами, по единой методике, в определенные часы суток. Иными словами, станции в каждой стране и в мировом масштабе должны составлять единое целое - сеть метеорологических станций, метеорологическую сеть. В каждой стране, в том числе и в России, существует основная государственная сеть метеорологических станций, отвечающая указанному выше требованию - единообразной и согласованной работы. Помимо нее, существуют и метеорологические станции специального назначения, связанные с различными потребностями науки и народного хозяйства (например, станции на курортах, в колхозах, на транспорте и т. п.).
Метеорологические станции общегосударственной сети устанавливаются по возможности равномерно в местах, характерных для данного района. Нужно стремиться к тому, чтобы показания станции были репрезентативными, т. е. характерными не только для ее ближайших окрестностей, но и для возможно большего окружающего района. Метеорологические станции специального назначения размещают исходя из производственных задач.
Важнейшие условия сетевых метеорологических наблюдений, помимо синхронности, - их длительность и непрерывность. Отдельные годы сильно отличаются друг от друга по режиму атмосферных процессов. Этим определяется необходимость при изучении климата иметь многолетние ряды систематических наблюдений. Для изучения изменений климата метеорологические наблюдения должны производиться вообще неограниченно долго. Важно также, чтобы станции как можно дольше не меняли своего местоположения: перенос станции в другое место обрывает многолетний ряд наблюдений или, по крайней мере, нарушает его однородность. Вредно сказывается на однородности рядов наблюдений застройка местности.
Для целей предсказания погоды также необходимо вести метеорологические наблюдения постоянно и непрерывно: каждый день в атмосфере наблюдаются все новые бесконечно разнообразные условия, а при прогнозе (предсказании) погоды на будущее приходится исходить из фактических условий в настоящем и прошлом.
Государственные сети метеорологических станций возникли в XIX веке; до этого наблюдения производились в отдельных немногочисленных пунктах. В XX веке густота метеорологических сетей сильно выросла, причем наблюдениями были охвачены и большие области в тропиках, в глубине Азии и Африки, в Арктике и Антарктике, ранее совершенно недоступные. Сейчас на Земном шаре имеются многие тысячи метеорологических станций. Только в Советском Союзе около 4000 станций основного типа, с полной программой наблюдений, и еще несколько тысяч метеорологических постов для наблюдений над осадками и снежным покровом. Наблюдения производятся и на тысячах торговых судов. Для регулярных наблюдений в океанах применяются специальные корабли погоды (метеорологические суда), длительно находящиеся в определенных районах океана.
Но все же густота метеорологической сети еще недостаточна в Арктике, Антарктике, на океанах и в ряде областей всех материков, кроме Европы.
Поскольку метеорологические наблюдения нужны для ежедневного прогноза погоды, большое значение для развития метеорологической сети в наше время имеет радиосвязь, позволяющая срочно передавать результаты наблюдений из отдаленных районов.
В настоящее время существуют и автоматические станции, длительное время работающие без вмешательства человека. Их устанавливают в труднодоступных или неудобных для жизни районах, например на льдах Арктики; наблюдения их автоматически передаются по радио. В близком будущем автоматические и полуавтоматические метеорологические станции должны получить широкое применение.
Сеть аэрологических станций возникла позднее, лишь в XX веке, и густота ее еще невелика в сравнении с сетью обычных метеорологических станций. Общее число станций с наблюдениями над давлением, температурой и влажностью в высоких слоях с помощью радиозондов составляет на Земном шаре около 1000, из них в СССР свыше 200. Значительно больше станций для наблюдений над ветром на высотах. Производятся также многочисленные наблюдения с самолетов.
На наземных метеорологических станциях во всем мире производятся одновременные (синхронные) наблюдения через каждые три часа по единому - гринвичскому - времени (времени нулевого пояса). Результаты наблюдений за эти сроки немедленно передаются по телефону, телеграфу или по радио в органы службы погоды. Там по ним составляются синоптические карты и другие материалы, служащие для предсказания погоды.
В Советском Союзе до 1966 г. наблюдения производились не только по единому времени, но также и по местному среднему солнечному времени каждой станции - в 01, 07, 13 и 19 часов. При большой протяженности нашей страны по широте наблюдения в эти сроки были более удобны для получения сравнимых климатических характеристик.
На метеорологических станциях основного типа регистрируются следующие метеорологические элементы:
Температура воздуха на высоте 2 м над земной поверхностью.
Атмосферное давление.
Влажность воздуха - упругость водяного пара в воздухе и относительная влажность.
Ветер - горизонтальное движение воздуха на высоте 10- 12 м над земной поверхностью. Измеряется его скорость и определяется направление, откуда он дует.
Облачность - степень покрытия неба облаками, типы облаков по международной классификации, высота нижней границыоблаков, ближайших к земной поверхности, скорость и направление движения облаков.
Количество осадков, выпавших из облаков, их типы (дождь, морось, снег и пр.).
Наличие и интенсивность различных осадков, образующихся на земной поверхности и на предметах (росы, инея, гололеда и пр.), а также тумана.
Горизонтальная видимость - расстояние, на котором, вследствие мутности атмосферы, перестают различаться очертания предметов. Продолжительность солнечного сияния.
Температура на поверхности почвы и на нескольких глубинах в почве.
Состояние поверхности почвы.
Высота и плотность снежного покрова.
На некоторых станциях - испарение воды с водных поверхностей или с почвы.
Регистрируются также метели, шквалы, смерчи, мгла, пыльные бури, грозы, тихие электрические разряды, полярные сияния и некоторые оптические явления в атмосфере (радуга, круги и венцы вокруг дисков светил, миражи).
На береговых метеорологических станциях производятся также наблюдения над температурой воды и волнением водной поверхности. Программа наблюдений на судах отличается в деталях от наблюдений на сухопутных станциях. На большом числе дополнительных станций (постов) производятся наблюдения только над осадками и снежным покровом, так как для лучшего выяснения распределения этих элементов нужна более густая сеть наблюдений. В программу работы станций, имеющих определенный производственный профиль, например сельскохозяйственных, транспортных, авиационных, включаются особые дополнительные наблюдения.
Не все метеорологические элементы наблюдаются в каждый срок наблюдений. Например, количество осадков измеряется четыре раза в сутки, высота снежного покрова - один раз в сутки, плотность снега - один раз в пять дней и т. д.
В программы наблюдений обсерваторий и отдельных станций входят еще актинометрические наблюдения над солнечной радиацией, земным излучением, отражательными свойствами (альбедо) поверхности земли и воды; уточненные наблюдения над температурой и влажностью воздуха на разных высотах в приземном слое воздуха (градиентные наблюдения); измерения содержания в воздухе пыли, химических примесей, радиоактивных продуктов и пр.; атмосферно-электрические наблюдения над ионизацией воздуха, т. е. над содержанием в нем электрически заряженных частиц, и над изменениями электрического поля атмосферы.
Наблюдения на метеорологических станциях в основном имеют характер измерений и ведутся с помощью специальных измерительных приборов; лишь немногие метеорологические элементы количественно оцениваются без приборов (степень облачности, дальность видимости и некоторые другие). Качественные оценки, например определение характера облаков и осадков, производятся без приборов.
Для сетевых приборов необходима однотипность, облегчающая работу сети и обеспечивающая сравнимость наблюдений.
Метеорологические приборы устанавливаются на площадке станции под открытым небом. Только приборы для измерения атмосферного давления (барометры) устанавливаются в закрытом помещении станции, так как разница между давлением воздуха под открытым небом и внутри помещения ничтожно мала (практически отсутствует). Приборы для определения температуры и влажности воздуха защищают от действия солнечной радиации, от осадков и порывов ветра, и для этого их помещают в будках особой конструкции. Отсчеты по приборам делаются наблюдателем в установленные сроки наблюдений. На станциях устанавливаются также самопишущие приборы, дающие непрерывную автоматическую регистрацию важнейших метеорологических элементов (особенно температуры и влажности воздуха, атмосферного давления и ветра). Самопишущие приборы нередко конструируют так, что их приемные части, помещенные на площадке или на крыше здания, имеют электрическую передачу к пишущим частям, установленным внутри здания.
Принципы ряда метеорологических приборов были предложены еще в XVII-XIX веках. В настоящее время в метеорологическом приборостроении наблюдается быстрый прогресс. Создаются новые конструкции приборов с использованием возможностей современной техники: термо- и фотоэлементов, полупроводников, радиосвязи и радиолокации, различных химических реакций и т. п. Особенно нужно отметить применение в последние годы в метеорологических целях радиолокации. На экране радиолокатора (радара) можно обнаружить скопления облаков, области осадков, грозы и даже большие атмосферные вихри (тропические циклоны) в значительном отдалении от наблюдателя и прослеживать их эволюцию и перемещение.
Как упоминалось выше, достигнуты большие успехи в конструировании автоматических станций, передающих свои наблюдения в течение более или менее длительного времени без вмешательства человека.
Наиболее простым видом аэрологических наблюдений является ветровое зондирование, т. е. наблюдения над ветром в свободной атмосфере с помощью шаров-пилотов. Так называются небольшие резиновые шары, наполняемые водородом и выпускаемые в свободный полет. Наблюдая в теодолиты за полетом шара-пилота, можно установить скорость и направление ветра на тех высотах, на которых летит шар. В настоящее время при аэрологических наблюдениях над ветром все шире применяются методы радиообнаружения, т. е. радиопеленгация радиозондов и радиолокация (радиоветровое зондирование), обеспечивающие получение сведений о ветре при наличии облачного покрова. Наблюдения над ветром, помимо их научной роли, имеют непосредственное значение для обслуживания действий авиации. Такое, же значение имеет и описываемое ниже температурное зондирование.
Температурным зондированием называются регулярные (обычно два раза в сутки) выпуски в высокие слои атмосферы шаров-зондов с резиновыми оболочками достаточно большого размера, к которым прикреплены автоматические приборы для регистрации температуры, давления и влажности воздуха. До тридцатых годов эти приборы - метеорографы - давали только запись наблюдаемых величин на ленте самописца. На той или иной высоте шар, раздуваясь, лопался, а прибор спускался на землю на втором, дополнительном шаре или на парашюте. Однако возвращение прибора в место выпуска зависело при этом от случая, и не могло быть речи о срочном использовании наблюдений. С 1930 г. распространился метод радиозондирования (впервые примененный в СССР). Прикрепленный к шару прибор - радиозонд, находясь еще в полете, посылает радиосигналы, по которым можно определить значения метеорологических элементов в высоких слоях. Метод радиозондирования создал переворот в методах аэрологических наблюдений и во всей современной метеорологии. Радиозондовые наблюдения можно без всякого промедления использовать для службы погоды, что особенно повышает их ценность. Благодаря радиозондированию несравнимо возросли наши знания о слоях атмосферы до высоты 30-40 км. Однако точность показаний современных радиозондов еще недостаточно велика.
Радиозондирование вытеснило другие методы температурного зондирования - подъем метеорографов на змеях, привязных аэростатах, самолетах и пр. Самолет остается, однако важным средством для специальных сложных наблюдений, требующих участия наблюдателя, например для изучения физического строения облаков, для актинометрических и атмосферно-электрических наблюдений. Для тех же целей применяются аэростаты, а изредка стратостаты с герметически закрытыми гондолами. Последний рекорд высоты подъема на стратостате в США близок к 35 км.
В последние годы начали практиковать выпуски шаров без людей не только с радиозондами, но и с более сложными автоматическими приборами для разного рода наблюдений. Такие шары большого диаметра с оболочкой из полиэтилена (трансокеанские зонды) достигают со значительным грузом приборов высот порядка 30-40 км. Они могут лететь на определенной заданной высоте (точнее, на заданной изобарической поверхности, т. е. в слое с одним и тем же атмосферным давлением), находясь при этом в воздухе много дней подряд и передавая радиосигналы. Определение траекторий полета таких шаров имеет значение для изучения переноса воздуха в высоких слоях атмосферы, особенно над океанами и в низких широтах, где сеть аэрологических станций недостаточна.
Для исследования еще более высоких слоев атмосферы производят выпуски метеорологических и геофизических ракет с приборами, показания которых передаются по радио. Потолок подъема ракет в настоящее время стал уже неограниченным.
В 1957-1958 гг. в СССР, а затем в США удалось запустить, первые спутники Земли с автоматическими приборами в высшие слои атмосферы. Теперь уже большое количество таких спутников вращается вокруг Земли, причем орбиты некоторых из них достигают высот в десятки тысяч километров. С 1960 г. регулярно запускаются так называемые метеорологические спутники, предназначенные для исследования нижележащих слоев атмосферы. Они фотографируют и передают телевизионным путем распределение облачности по Земному шару, а также измеряют поступающую от земной поверхности радиацию.
Кроме того, важным методом исследования высших слоев являются наблюдения над распространением радиоволн.
Во всех странах существуют специальные государственные организации, так называемые метеорологические службы, в состав которых входят сети станций и научные метеорологические учреждения. Задачей метеорологической службы является научное исследование атмосферы и практическое обслуживание народного хозяйства информацией о погоде и климате и прогнозами погоды. В Советском Союзе в состав Гидрометеорологической службы СССР вместе с метеорологическими входят и гидрологические станции и учреждения. Руководство этой службой осуществляется Главным управлением гидрометеорологической службы при Совете Министров СССР и подведомственными ему республиканскими и областными управлениями. Кроме многотысячной сети станций, она включает ряд научных институтов, центральных и периферийных, ряд областных гидрометеорологических обсерваторий и многочисленные органы службы погоды по всей стране (бюро прогнозов, авиаметеорологические станции и др.).
Несколько крупных центральных институтов Гидрометеорологической службы работают в области метеорологии и климатологии. Это Главная геофизическая обсерватория имени А. И. Воейкова в Ленинграде, основанная в 1849 г., Гидрометцентр СССР в Москве (вначале называвшийся Центральным бюро погоды СССР, а затем, до 1966 г., Центральным институтом прогнозов), основанный в 1930 г., Центральная аэрологическая обсерватория под Москвой, основанная в 1943 г., Институт аэроклиматологии в Москве, основанный в 1943 г. Метеорологические и климатологические исследования ведутся и в некоторых других центральных институтах Гидрометеорологической службы (Институт гидрометеорологического приборостроения, Арктический и Антарктический институт, Институт прикладной геофизики, Государственный океанографический институт), в нескольких гидрометеорологических институтах на периферии (в Киеве, Тбилиси, Алма-Ате, Владивостоке, Ташкенте), в местных гидрометеорологических обсерваториях, а также в университетах и других высших учебных заведениях, в учреждениях Академии наук СССР (например, в Институте физики атмосферы и в Институте географии в Москве) и академий наук союзных республик, воздушного и морского флота, железнодорожного транспорта и др.
Атмосферные процессы не знают государственных границ, и метеорологические наблюдения и исследования ведутся во всех странах. Поэтому существует настоятельная необходимость в единообразии методики наблюдений и их обработки, в обмене информацией, в унификации форм оперативного обслуживания метеорологической информацией и прогнозами, а стало быть, в согласовании работы метеорологических служб всего мира. Это является задачей Всемирной метеорологической организации (ВМО).
Международное сотрудничество в области метеорологии началось во второй половине XIX века. В 1873 г. состоялся первый международный метеорологический конгресс, заложивший основы Международной метеорологической организации с регулярно созывавшимися конференциями директоров метеорологических служб, с Международным метеорологическим комитетом, работавшим в перерывах между конференциями, и с рядом международных комиссий по разным вопросам метеорологии. Особенных успехов Международная метеорологическая организация достигла за период между двумя мировыми войнами. После второй мировой войны она была восстановлена на новой основе, как Всемирная метеорологическая организация при Организации Объединенных Наций. Каждые 5 лет собираются всемирные конгрессы ВМО, избирающие Исполнительный комитет и президента организации; регулярно работает ряд технических комиссий и рабочих групп. Секретариат ВМО находится в Женеве. Гидрометеорологическая служба СССР входит в эту организацию.
Важнейшей современной задачей ВМО является организация Всемирной службы погоды, т. е. тесного сотрудничества всех стран мира в постановке метеорологических наблюдений в планетарном масштабе, в распространении информации, в разработке и распространении прогнозов погоды по единой согласованной схеме. Эту Всемирную службу погоды должны возглавлять три мировых метеорологических центра - в Москве, Вашингтоне и Мельбурне - и 25 региональных центров. Гидрометеорологический центр СССР является одним из трех мировых центров.
Еще в древности в Китае, Индии, странах Средиземноморья делались попытки регулярных метеорологических наблюдений и существовали зачаточные научные представления об атмосферных процессах и о климате. Наблюдения над наиболее выдающимися атмосферными явлениями велись и регистрировались и в средние века.
Современная научная метеорология, однако, ведет начало с XVII века, когда были заложены основы физики, частью которой на первых порах являлась метеорология. Тогда же были изобретены (Галилеем и его учениками) первые метеорологические приборы и появилась возможность инструментальных наблюдений.
Они и начались во второй половине XVII века и в первой половине XVIII века в немногих пунктах Европы, а также в морских плаваниях. В это же время возникли на их основе первые метеорологические теории. К середине XVIII столетия Ломоносов уже считал метеорологию самостоятельной наукой со своими задачами и методами; он сам создал первую теорию атмосферного электричества, разрабатывал метеорологические приборы, высказал ряд важных соображений о климате и о возможности научного предсказания погоды.
Во второй половине XVIII века была организована по частной инициативе международная сеть метеорологических станций в Европе (свыше 30 станций), функционировавшая 12 лет. Ее наблюдения были опубликованы и стимулировали дальнейшее развитие метеорологических исследований.
В начале XIX столетия возникают первые государственные сети станций и трудами А. Гумбольдта и Г. В. Дове в Германии закладываются основы климатологии. Около 1820 г. Г. В. Брандес в Германии составлял первые синоптические карты, а после изобретения телеграфа, с пятидесятых годов, по инициативе знаменитого астронома У. Леверье во Франции и адмирала Р. Фицроя в Англии синоптический метод исследования атмосферных процессов быстро вошел в общее употребление. На его основе возникли служба погоды и новая отрасль метеорологической науки - синоптическая метеорология.
К середине XIX века относится и организация первых метеорологических, институтов, в том числе Главной физической (ныне геофизической) обсерватории в Петербурге (1849 г.). Ее директору с 1868 по 1895 г. Г. И. Вильду принадлежит историческая заслуга организации образцовой метеорологической сети в России и ряд капитальных исследований климатических условий страны. Его помощник и позднее директор обсерватории М. А. Рыкачев был организатором службы погоды в России (в начале семидесятых годов).
Во второй половине XIX столетия были заложены основы динамической метеорологии, т. е. применения законов гидромеханики и термодинамики к исследованиям атмосферных процессов. Большой вклад в эту отрасль метеорологии был сделан в то время В. Феррелем в США, Г. Гельмгольцем и рядом других ученых в Германии. В это же время исследование климата в тесной связи с общей географической обстановкой было сильно продвинуто трудами великого русского географа и климатолога А. И. Воейкова, а также Ю. Ханна в Австрии, В. Кеппена в Германии и др. К концу столетия усилилось изучение радиационных и электрических процессов в атмосфере. Развитие метеорологии в XX столетии шло все нарастающими темпами. В дальнейшем в очень краткой характеристике этого развития будут названы имена только тех наиболее выдающихся ученых, деятельность и жизнь которых уже закончилась.
Успехи динамической метеорологии были связаны в нашем веке в первую очередь с трудами В. Бьеркнеса и его учеников в Норвегии, М. Маргулеса в Австрии, В. Нэпир-Шоу в Англии, А. А. Фридмана в СССР, К. Г. Россби в Швеции и США и их многочисленных учеников. Синоптическая метеорология также быстро шагнула вперед, особенно благодаря работам Г. Фиккера в Австрии, Б. П. Мультановского в СССР, В. Бьеркнеса и его последователей во многих странах мира, в том числе в СССР (А. И. Аскназий и др.). В настоящее время ясно выражена тенденция к взаимному сближению динамической и синоптической метеорологии. Выдвинута новая проблема численного (гидродинамического) прогноза погоды. Большие успехи достигнуты с начала XX века в области аэрологических исследований. Во многих странах выдвинулись выдающиеся организаторы и исследователи в этом новом направлении, в частности А. Тейсеран де Бор во Франции и Р. Ассман в Германии, открывшие существование стратосферы. Позднее стало знаменитым имя изобретателя первого радиозонда (1930 г.) - П. А. Молчанова.
На основе достижений во всех указанных областях метеорологии в настоящее время быстро растут фактические знания и теоретические представления об общей циркуляции атмосферы - механизме великого круговорота воздуха на Земле. Велик был в XX веке и прогресс в актинометрии - учении о радиации в атмосфере. Из многих имен выдающихся ученых, работавших в этой области, отметим здесь энергичных деятелей актинометрии в России и СССР - О. Д. Хвольсона, В. А. Михельсона, С. И. Савинова и Н. Н. Калитина, а также А. Онгстрема в Швеции, С. Ланглея и Г. Аббота в США и Ф. Линке в Германии.
В настоящее время сильно продвинулась вперед физика облаков и осадков. Уже решается практически проблема искусственного осаждения облаков и рассеяния туманов. В СССР инициатором работ в этом направлении был В. Н. Оболенский. Выдающиеся успехи достигнуты в исследовании ионосферы и еще более высоких внешних слоев атмосферы. Особенно быстрый прогресс в этом отношении связан с применением ракет и спутников. Новые, углубленные подходы к климатологическим исследованиям были намечены в нашем веке в Норвегии, СССР, США, Германии и других странах (динамическая, или синоптическая, климатология, изучение теплового баланса Земли). Детально исследованы климаты различных областей Земли, сильно продвинулось изучение климата Арктики и Антарктики, развивается учение о микроклимате. В СССР особенно выдвинулись своими климатологическими трудами А. А. Каминский и Л. С. Берг. В развитии сельскохозяйственной метеорологии и климатологии большую роль сыграли в начале XX века работы П. И. Броунова, позднее - ряда советских метеорологов. Интенсивно развиваются и другие отрасли прикладной климатологии, в особенности биоклиматология и индустриальная климатология.
В настоящее время объем метеорологических исследований и публикаций бурно растет; быстро развивается и международное научное сотрудничество в области метеорологии.
Роль советской науки в этой работе велика и все время возрастает. В научных институтах и высших учебных заведениях нашей страны выполняется много капитальных исследований по всем разделам метеорологии и климатологии; объем советской метеорологической литературы очень велик (в настоящее время не менее 35% всей мировой метеорологической литературы), и русский язык стал вторым (после английского) мировым языком метеорологии.