Павел Астапенко - Вопросы о погоде

Таким образом, можно сделать вывод, что предсказуемость погоды в принципе ограничена: во-первых, заблаговременностью составления и продолжительностью действия прогнозов, во-вторых, полнотой и точностью информации об исходном состоянии погоды и, в-третьих, размерами пространства, для которого составляется прогноз, то есть масштабами процессов, какие определяют изменения погоды в интересующем нас пространстве. Во всех трех случаях можно определить предсказуемость с помощью ЭВМ: задавая последовательно сроки действия прогноза, полноту исходной информации и масштабов процессов, можно получить искомые показатели предсказуемости. Очевидно, это будут какие-то осредненные показатели с пределами возможных отклонений для процессов различной интенсивности и характера.

В 70-х годах экономический эффект работы оперативных подразделений Государственного комитета по гидрометеорологии и контролю природной среды по предупреждению только стихийных бедствий оценивался суммой, в четыре раза превышающей все расходы, связанные с содержанием всех учреждений Комитета. Таким образом, каждый рубль расходов на бюджет Госкомгидромета окупается по крайней мере четырьмя рублями. А к сегодняшнему дню эффективность гидрометеорологического обеспечения различных отраслей народного хозяйства возросла еще больше.

Крупномасштабные вихри в атмосфере, какими являются циклоны и антициклоны, могут иметь самую различную высоту распространения от земной поверхности: от 1 до 100 км. В зависимости от вертикального развития их принято делить на приземные (до 1 км), низкие (от 1 до 3 км), средние (от 3 до 5 км) и высокие (развитые выше 5 км, то есть прослеживающиеся в верхней тропосфере).

Циклоны и антициклоны, прослеживающиеся выше тропопаузы, то есть в стратосфере, называют стратосферными, в отличие от образований под тропопаузой, имеющих общее название тропосферных. Последних в природе большинство.

Но бывают атмосферные вихри, развитые от поверхности земли до очень больших высот, их циркуляция сохраняется не только в нижней, но и в верхней стратосфере. Таковыми часто бывают зимние полярные циклоны, иногда значительно выше тропопаузы простираются и мощные антициклоны.

Летом, во время полярного дня, над высокими широтами в стратосфере обычно формируются обширные антициклоны, не прослеживающиеся в нижней тропосфере. Такого типа атмосферные вихри называют высотными. Высотными бывают и циклоны. Высотные циклоны и антициклоны могут формироваться даже за пределами стратосферы – в мезосфере. Высотные циклоны и антициклоны не следует путать с высокими – развитыми и у поверхности земли, и на высотах.

Современная теория климата Земли рассматривает климатическую систему нашей планеты состоящей из цепи сложных звеньев – атмосферы, океана, льдов, суши, биосферы. В этой системе множество переплетающихся прямых и обратных связей, она, как говорят, имеет большое число степеней свободы и при данных внешних условиях может иметь множество состояний с равной вероятностью их возникновения. Это значит, что современный климат – не единственно возможный на Земле. Он в далеком прошлом был иной и может стать иным и в будущем, и для этого необязательно изменение внешних условий. Однако следует помнить важное практическое обстоятельство: изменения климата не происходят мгновенно, они требуют для своего утверждения многих тысячелетий…

При этом гипотеза неединственности земного климата не снимает проблемы возможного антропогенного изменения климата, сохраняя полностью ее актуальность и чрезвычайную практическую важность.

Советская национальная программа исследований климата Земли, утвержденная в 1978 году, в числе пяти основных направлений предусматривает обоснование климатического мониторинга, то есть системы непрерывного сбора, анализа и оценки данных, определяющих состояние климата и его изменений во времени и в пространстве. Эта программа является составной частью Международного климатического мониторинга, который осуществляется ВМО в рамках Всемирной климатической программы. Одной из задач мониторинга является оценка возможности антропогенных изменений климата в связи с тепловым и химическим загрязнением атмосферного воздуха, с влиянием различных факторов на химический состав атмосферного воздуха, на распределение компонентов радиационного баланса системы Земля – атмосфера. Климатический мониторинг должен способствовать решению проблемы прогноза климата, то есть определения возможных глобальных изменений климата в будущем, как короткопериодных, вызывающих экстремальные климатические явления, так и длительных, в масштабах многих столетий.

Моделирование атмосферных процессов – сравнительно новое и перспективное направление метеорологических исследований, основанное на применении математических моделей атмосферы и климата Земли. Модель атмосферы, правдоподобно воспроизводящая ее среднее состояние, позволяет рассматривать и возможные изменения этого состояния в результате тех или иных изменений отдельных факторов, влияющих на развитие атмосферных процессов и состояние земного климата. Модели атмосферных процессов могут быть различной сложности. Одна из первых и простейших математических моделей была предложена в 1956 году американским ученым Н. Филлипсом. Она относительно близко к действительности воспроизводила ряд основных особенностей реальной атмосферы. В настоящее время известно несколько значительно более сложных и лучше отражающих реальные условия моделей, разработанных как советскими, так и зарубежными учеными. Среди них можно упомянуть трехмерную, или многоуровневую, модель, используемую в практике предвычисления погоды и в теоретических исследованиях изменений климата.

Аэрономия – наука о верхней атмосфере, о ее строении и происходящих в ней микропроцессах. Она занимается изучением распределения с высотой плотности и температуры, а также давления газов на высотах 100 км и более. Кроме того, аэрономия изучает концентрацию заряженных частиц – ионов, образующих ионосферу (как обычно называют радиофизики верхнюю атмосферу, известную в метеорологии под названием гетеросферы). При изучении микропроцессов в верхней атмосфере аэрономия уделяет основное внимание ионизации и диссоциации частиц атмосферного газа, химическим превращениям одних частиц в другие. Таким образом, аэрономия – родственная метеорологии научная дисциплина, но занимается она несколько иными проблемами. Если метеорологов в верхней атмосфере интересуют прежде всего крупномасштабные процессы – формирование воздушных течений, возникновение волновых возмущений, колебания состояния основных физических характеристик главным образом нижних слоев атмосферы (тропосферы и стратосферы), то для аэрономии интерес представляют более высокие слои, начиная с мезосферы, а в еще большей степени – термосфера и экзосфера.

Состояние атмосферы на больших высотах подвержено очень значительным колебаниям в зависимости от времени суток, солнечной активности, сезона и широты места. Практически приходится говорить не столько об устойчивости, сколько о неустойчивости верхней атмосферы: так, на высоте 300 км плотность воздуха ото дня к ночи может изменяться в три-четыре раза, а на высоте 600 км – даже в 10 раз! На высотах более 150 км, в термосфере, температура воздуха днем может достигать 1500-2000 К, а ночью она может быть в два раза ниже, «всего» 700- 1000 К.

Турбопаузой называют область перехода от гомосферы к гетеросфере, то есть из слоя активной турбулентной диффузии и неизменного состава воздуха в слой молекулярной диффузии, в котором с высотой относительное содержание легких газов увеличивается, а тяжелых – уменьшается, и, таким образом исчезает однородность состава воздуха. Высота турбопаузы – около 100 км, она может колебаться от 95 до 110 км.

Это суточная сумма тепла, получаемая на земной поверхности с учетом угла наклона ее к солнечным лучам и в условиях отсутствия воздуха, то есть атмосферы. Поскольку любая точка земной поверхности за сутки описывает полную окружность, то величина суточной инсоляции не зависит от долготы места, а только от широты. На экваторе она от сезона к сезону изменяется сравнительно мало – от 3729 до 3311 Дж/сут, а на полосах – очень сильно: от 4502 Дж/сут в момент летнего солнцестояния до 0 в период полярной ночи.