#история науки #экология #научпоп #климат

Солнечно, временами дождь: как люди учились предсказывать погоду

1 ноября 12:00

353

11 минут на чтение

Предсказание погоды — загадка такой же величины, что и предсказание судьбы. Однако если будущее человека пока скрыто от нас, то прогнозировать погоду мы более-менее научились — хотя бы на следующий день. Или на несколько часов вперёд. С некоторой вероятностью и оговорками.

Но почему прогноз погоды остаётся сложной задачей даже сейчас, в эпоху технологической революции? Насколько глубоко уходит корнями в историю наука метеорология и что было до неё? Какие инструменты помогают предсказывать дожди и зной, снега и ураганы, засуху и метели, и какие проблемы учёным не удаётся решить до сих пор?

Читайте также

Климатическая фантастика: все способы угробить планету

Борис Невский

10.08.2025

5981

Cli-fi — это вам не sci-fi!

Вергилий, «Георгики»

(пер. С. Шервинского)

Впрочем, не верю я в то, чтобы им был свыше дарован Некий особенный дар заранее предвидеть событья.

В тумане догадок

Когда природа метеоров была неизвестна, их появление ставили в один ряд с выпадением осадков

ESO / C. Malin

В каждый исторический период люди сталкивались (и сталкиваются до сих пор!) с целым рядом ограничений, из-за которых пробелы в научном познании заполняет магическое мышление. Не понимая, что такое климат, как формируются облака и насколько способны влиять на погоду далёкие светила, люди просто наблюдали за окружающим миром и пытались найти в нём закономерности. Именно такие закономерности и легли в основу примет.

К некоторым приметам люди прислушиваются до сих пор. Например, многие знают, что в Крещение обязательно жди морозов, и даже видят подтверждение этому, хотя исследования показывают, что сбывается такая примета крайне редко. Мало кто не слышал о том, что перед дождём ласточки летают близко к земле, а лягушки вместо громкого хора выдают тихое, глухое кваканье. Особым предсказательным смыслом наделяют цвет закатных облаков, поведение кошек, наличие пузырей на лужах во время ливня. Какие-то закономерности даже оказываются отчасти верными, но раньше хватало и смутной догадки, чтобы ощутить уверенность в завтрашнем дне.

Особой важностью приметы обладали ещё и потому, что от сроков сева разных культур зависела судьба урожая, а значит, и множества людей, которых он будет кормить. Такие наблюдения передавались из поколения в поколение. Сейчас они имеют не только фольклорную, но и некоторую научную ценность, поскольку позволяют обоснованно предположить, какие климатические условия царили на разных территориях столетия назад. Да, климат с годами незаметно меняется, и приметы, которые раньше, возможно, помогали людям выживать, потеряли свою силу.

Диснеевское слегка «зефирное» воплощение Зевса всё же сохранило черты Громовержца и Повелителя молний

«Геркулес» (1997), Walt Disney Pictures

Конечно, многим людям примет было недостаточно. Чтобы лучше понимать происходящие события, необходимо уложить их в структуру, разглядеть в частностях общую картину. Кто управляет погодой? Кто насылает дожди и зной и что можно с этим сделать?

Не имея представления о реальных механизмах, управляющих погодой, люди наделяли такой властью сверхъестественные сущности. Почти все цивилизации в разных уголках земного шара выделяли в своих пантеонах места для божеств погоды и разных стихийных бедствий, характерных для своей территории. Наверняка многие слышали о боге по имени Сет: египтяне верили, что именно он создаёт песчаные бури. Разумеется, все знают античного Зевса, который в гневе бросается молниями; с ним обычно соотносят римского Юпитера.

На территориях некоторых славянских народов ответственность за грозы и дожди возлагали на знаменитого Перуна. Помимо богов, на стихии могли влиять и более мелкие духи. Чтобы такие сущности не чинили бед или, наоборот, смилостивились и наслали дождь на иссохшие земли, специально обученные шаманы и жрецы исполняли сложные ритуалы. В древности именно эти люди играли роль синоптиков, именно от них простой народ получал указания о том, когда что сажать и чего ждать от погоды в ближайшее время.

Шельфовые облака — верные предвестники бури

Will y theweatherguy473737

Особую известность получили римские авгуры, которые давали официальные предсказания, в том числе погоды, опираясь на приметы или результаты гаданий. Никакими магическими способностями авгуры, понятно, не обладали, но могли быть достаточно наблюдательными, чтобы просто оформить свои догадки красивыми ритуалами. Всё лучше, чем ничего, правда?

Одним из первых уложить знания о стихии в форму, подобную научной, попытался Аристотель. В своём трактате «Метеорологика» (IV век до н. э.) он выделял типы осадков и объяснял причины их образования, опираясь на свою теорию о четырёх элементах. Именно он первым предположил, что осадки вызываются холодом. Другое дело, что объектами анализа для Аристотеля были не только погодные, но и другие небесные явления, например метеоры и полярное сияние.

Однако наиболее долго — с глубокой древности до относительно недавнего времени — в околонаучной среде господствовали теории о влиянии небесных светил на погоду и климат. Этот способ предсказания погоды сейчас называют астрометеорологией. На протяжении веков метеорология развивалась за счёт астрономии.

Астрономические данные играли огромную роль в прогнозировании погоды вплоть до XIX века, хотя пользовались ими в основном по астрологическим принципам: анализировали гороскопы и смену лунных фаз. Известна публикация 1814 года под названием «Астрономический телескоп», где таким методом автор давал прогноз погоды на 1946 год, от которого его отделяло более 130 лет.

«Астрономический телескоп»

В этом году господствует планета Меркурий. Весна в начале студёная, снежная, немного потом суха, тепла, ветрена, к концу приятна. Лето хотя сначала мокрое, но потом прекрасное и тёплое… Осень до половины октября студёная, далее хорошая и благоприятная погода, с солнечным сиянием, к концу пасмурная и дождями кончится. Зима не холодна, вихри и ветры частые, непогоды, холодный воздух.

Понятно, что столь расплывчатые прогнозы имели все шансы оправдаться. Но стоит ли винить людей за веру в астрологические прогнозы погоды, если сама по себе астрология жива и здравствует даже в наш просвещённый век? И сейчас отдельным блогерам можно заказать расклад на картах или рунах с вопросом о том, какая будет погода.

Луна действительно влияет на приливы и отливы, но не «отвечает» за них полностью

NASA

Справедливости ради надо отметить, что светила всё же способны влиять на процессы, происходящие на Земле, только не совсем так, как думали астрометеорологи. Всем известно, что Луна провоцирует приливы, но факторы, действующие в самой атмосфере, по силе превосходят влияние спутника в десятки раз. Самое же явное и мощное воздействие на погоду оказывает, конечно, Солнце. Из-за неравномерного нагрева земной поверхности в атмосфере возникают зоны повышенного и пониженного давления, всем известные циклоны и антициклоны.

Читайте также

История небесной механики: как изучали движение планет

Антон Первушин

03.05.2025

2419

И всё-таки они вертятся!

Ветер перемен

У термоскопа Галилея даже не было шкалы, которая могла бы отражать конкретную температуру

Chatsam

Всё начало меняться в XVI–XVII веках, когда арсенал учёных пополнился инструментами для получения объективных погодных данных.

Изобретателем термометра считается Галилео Галилей, хотя придумал он скорее предтечу этого прибора — термоскоп. Это стеклянная трубка, которая на одном конце имеет припаянный к ней шарик, а вторым концом, открытым, должна быть опущена в сосуд с водой. Вначале шарик нагревали, чтобы воздух внутри трубки расширился, и опускали трубку в воду. Когда воздух остывал и сжимался, вода поднималась по трубке вверх на некоторую высоту. Эта высота в дальнейшем служила ориентиром. Потом, если температура вокруг повышалась, воздух в трубке опять расширялся и толкал воду вниз, а если становилось холоднее, то воздух сжимался, и уровень воды поднимался. Как видите, такой прибор позволял судить только об изменении температуры, а абсолютных численных значений не давал, да и шкалы у него не было.

Изобретение пришлось несколько раз дорабатывать, пока оно не приобрело современный вид. В нынешних термометрах не используется газ или воздух, но принцип работы у них примерно такой же, как у изобретения Галилея. В колбу закачано какое-то вещество: ртуть, спирт или простая вода, — а воздух, наоборот, выкачан полностью. При повышении температуры вещество расширяется и его уровень повышается, а при понижении — сжимается. Экспериментальным путём учёные выяснили, что спиртовые градусники точнее отражают низкие температуры, а водные — высокие. Ртутные же сочетают достоинства первых и вторых, к тому же у них не так часто трескается колба. Вот почему они, наиболее точные и прочные, используются в медицине, а для измерения температуры воздуха обычно достаточно спиртового.

Флюгер — один из наиболее древних приборов, используемых в метеорологии до сих пор

Alex Zelenko [CC BY-SA 4.0]

Сейчас существуют также механические термометры и электронные. В механических роль вещества в колбе обычно играет металлическая спираль. Когда температура повышается или понижается, спираль меняет форму, и связанная с ней стрелка указывает на определённое значение на круговой шкале. В электронных термометрах используются разные принципы: например, зависимость сопротивления от температуры. Другие работают на термопарах и опираются на то, что при изменении температуры между этими двумя проводниками возникает электродвижущая сила.

Вскоре после термометра был изобретён барометр, позволяющий измерить давление атмосферного воздуха. Основных принципов его действия можно выделить два: механический и жидкостный. Механический барометр работает от гофрированной коробки с тонкими стенками, которая сжимается или расширяется в зависимости от давления и влияет на пружину. Пружина деформируется и двигает стрелку на нужное значение. Жидкостный барометр работает примерно как термоскоп Галилея, только у него верхний конец трубки просто запаян, а нижний опущен в сосуд с жидкостью (обычно ртутью). Именно такие барометры показывают наиболее точные данные, а потому используются на метеостанциях. И кстати, именно такая конструкция дала название единице измерения атмосферного давления: миллиметры ртутного столба.

Гигрометр для измерения влажности был создан ненамного позже, но принципов работы у этого прибора сейчас очень много. Самый интересный и, пожалуй, простой принцип гигрометрии опирается на свойство человеческого волоса менять длину при изменении влажности. Такой гигрометр так и называется — волосной.

Где-то внутри этого гигрометра натянут простой обезжиренный светлый человеческий волос

Schekinov Alexey Victorovich

Все эти изобретения появились в результате революции в разных научных сферах. Они позволяли фиксировать отдельные показатели погоды, но не отвечали на вопрос о том, какой погода будет завтра. Чтобы совершить скачок от примет и гаданий к прогнозированию с помощью современных приборов, потребовалось время.

14 ноября 1854 года. Крымская война, Балаклавское сражение. У берегов полуострова случился шторм, и коалиция Британской, Французской и Османской империй понесла катастрофические потери: пострадало более 70 судов, причём половина из них просто пошла ко дну. Фактически морская битва была проиграна, так как потери, ударившие по флотам союзников и кораблям с припасами, оказались невосполнимы.

Причины шторма выяснил Урбен Леверье — человек, который ранее совершил одно из ключевых открытий XIX века: математически предсказал местоположение планеты Нептун на небесном своде. Объединив и систематизировав метеорологические данные за период с 12 по 16 ноября, собранные со всей Европы, Леверье сделал вывод: шторм в Чёрном море вызвало метеорологическое возмущение, зафиксированное ранее во Франции. Соответственно, потерь можно было бы избежать, если бы флот с помощью телеграфа предупредили о надвигающейся опасности.

Анемометры измеряют скорость ветра

Stefan Kühn

В том же 1854 году Торговый совет Английского королевского общества учредил метеорологический департамент для анализа состояния морских путей. Возглавил этот департамент контр-адмирал Роберт Фицрой, служивший ранее капитаном на корабле «Бигль» и командиром экспедиции, в которой участвовал Чарльз Дарвин. К работе в своей новой должности он подошёл ответственно: обязал капитанов флота фиксировать информацию о погоде (замерять температуру, давление, силу и направление ветра и прочее), с помощью помощников тщательно её собирал и систематизировал. Он разработал стратегии для предсказания погоды (спорные, к слову) и около 1860 года начал выпускать прогнозы, которые публиковала Times. Как и Леверье, для оперативной передачи ежедневных сводок он использовал недавно изобретённый телеграф.

Фицрой, несомненно, сделал многое для того, чтобы данные о погоде вовремя собирались и систематизировались, а вот для адекватного анализа и прогнозирования у него не хватало инструментов. Причём инструментов не физических, а математических. Метеорология совершила гигантский скачок вперёд, когда к делу подключились математики.

Первая работа, где было предложено использовать математические методы для прогнозирования погоды, опубликовал американский учёный Кливленд Эббе в 1901 году, хотя исследования о метеорологии у него выходили и в течение предыдущих 30 лет. Однако более заметной и весомой стала статья норвежского учёного Вильгельма Бьёркнеса. Именно он создал основу для математического моделирования метеорологических процессов. Он разделил задачу на два шага: сбор данных о текущем состоянии погоды и прогнозирование погоды на заданный интервал времени.

Вильгельм Бьёркнес доказал теорему о циркуляции скорости жидкости, с помощью которой объяснил возникновение морских течений и ветров

NOAA

Льюис Фрай Ричардсон фактически заложил фундамент современной метеорологии

NOAA

Бьёркнес выделил семь показателей, которые служили переменными в его интегральных уравнениях: уже знакомые нам температура, давление, влажность, а ещё плотность и скорость воздушных потоков, разделённая на три компонента.

На прочность эти уравнения проверил другой учёный, математик Льюис Фрай Ричардсон, в книге Weather Prediction by Numerical Process («Численный метод для предсказания погоды», 1922). На основании данных о текущих погодных условиях он выполнил расчёты для прогноза на шесть часов вперёд, однако для давления получил абсурдный результат. Эта ошибка, ответственность за которую возложили на математика, оттолкнула многих исследователей от разработки темы.

На самом же деле, когда спустя годы энтузиасты проверили расчёты Ричардсона, выяснилось, что его алгоритм решения уравнений был верен: ошибка закралась в исходные данные. Наконец в метеорологии произошла своя революция.

По прогнозам синоптиков

Возможно, вы задавались вопросом о том, почему наука о прогнозе погоды называется метеорологией, а на телевидении после новостей прогнозы даются от лица каких-то синоптиков.

Метеорология — огромный раздел науки о Земле, который изучает все процессы, происходящие в атмосфере планеты, разрабатывает и развивает описывающие их модели. Синоптика — это раздел метеорологии, где специалисты, пользуясь этими моделями и другими методами, создают прогнозы погоды на отрезок времени.

Не последнее место в работе синоптика занимают синоптические карты. Их стали создавать с момента начала численных наблюдений за погодой. Значения показателей наносили на карту, объединяли в зоны и строили предположения о том, куда будут двигаться атмосферные фронты — линии раздела между воздушными потоками с разными характеристиками. Примерно такие карты и показывают в сводке прогноза погоды на телевидении по всему миру.

Гроза вычислений

«Гарвардскими вычислителями» называли группу женщин, которые в докомпьютерную эру обрабатывали астрономические данные в обсерватории Гарвардского колледжа

Harvard College Observatory

Ричардсон понимал, что до настоящего прогнозирования погоды ещё далеко. На метеорологические условия в одной точке влияют условия в огромном множестве других точек. К началу XX века уже функционировала Международная метеорологическая организация: около 30 лет её страны-участницы обменивались данными со своих метеостанций. Они разработали специальные шифры, с помощью которых передавали информацию друг другу, — но не чтобы скрыть её, а чтобы унифицировать её вид. Таким образом метеоролог на одном конце земного шара может принять и без перевода обработать данные с другого конца света.

Представьте себе объём данных, количество уравнений, которые необходимо решить для каждого из показателей. Компьютеров нет, все расчёты производили вручную. Ричардсон представлял себе огромный театральный зал сферической формы, который имитирует карту земного шара.

На потолке и полу — Северный и Южный полюс, а между ними раскинулись континенты и страны…

Отред. пер. mbureau

Над расчётом погоды на каждой точкой земли трудятся мириады расчётчиков, однако каждый решает только одно уравнение или даже его часть. <…> Многочисленные индикаторы непрерывно отражают результаты вычислений таким образом, чтобы соседние расчётчики могли использовать их. Так последовательно выполняется полный расчёт от севера к югу.

На вершине громадной, до половины зала высотой, колонны расположена кафедра, и на ней восседает человек, который руководит театром. <…> Главная его обязанность — поддерживать скорость расчётов постоянной. Он очень похож на дирижёра, однако вместо музыкантов руководит огромным числом расчётчиков. И вместо палочки у него в руках лучевой указатель: розовым он светит на то, что надо посчитать прямо сейчас, а голубым — на то, что следует посчитать сразу после.

Так математик описал «фабрику расчётов» в своей книге. Для её функционирования требовались десятки тысяч вычислителей — реальных людей, которые бы сообща выполняли тысячи триллионов операций в секунду.

Знаменитый ENIAC весил 30 тонн и мог выполнять 5000 операций сложения в секунду

U.S. Army

Конечно, создать такую фабрику было бы немыслимо. К счастью, на помощь пришёл, пожалуй, самый известный математик XX века — Джон фон Нейман. Вместе с метеорологом Джулом Чарни и многими другими специалистами, вовлечёнными в программу Electronic Computer Project Принстонского университета, он создал вычислительную машину, которая в 1950 году выполнила первый математический прогноз погоды. Машина называлась ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer).

Гигантским скачком вперёд стало появление в 1956 году циркуляционной модели. Её автор Норман Филлипс, взяв за основу ту же модель Ричардсона, предложил разделить всю поверхность земли на условные прямоугольники, где высота зависела бы от показателей давления. Это позволяло изучать циркуляцию всей земной атмосферы в полном масштабе. С тех пор эти модели развиваются, усложняются, совершенствуют разрешение.

Более того, появились модели, учитывающие не только атмосферные, но и биологические, геофизические и химические факторы. Теперь в расчёт принимают влияние океанических процессов, вулканическую активность, песчаные бури, жизнедеятельность флоры и фауны. Это помогает предсказывать не только погоду, но и климатические изменения, и природные катаклизмы.

It’s raining, man

Метеорологические данные необходимо собирать не только с земли, но и с воды и воздуха. В морях и океанах для этого работают метеорологические буи

Sala de Medios Intendencia de Montevideo [CC BY 4.0]

Итак, модели построены, расчёты налажены, разнообразные факторы учтены… Почему же прогноз до сих пор иногда показывает лёгкие облачка там, где в реальности вовсю хлещет дождь?

Во-первых, задача прогнозирования погоды очень, очень далека от полноценного решения. Метеорологи стараются учитывать все возможные факторы, но их настолько много, что некоторые либо не до конца изучены, либо просто пока избегают внимания учёных.

Во-вторых, чтобы сделать прогнозы точнее, необходимо плотно засеять поверхность земли метеостанциями, которые будут передавать данные беспрерывно. Сейчас в некоторых районах метеостанции разделяют сотни километров, а эталонный способ сбора информации по-прежнему ручной: наблюдатель раз в три часа фиксирует её и отправляет дальше. Да, метеорологические спутники помогают узнать кое-что о погоде в регионах, где метеостанций мало, но их данные неполны и кишат погрешностями.

Для сбора данных в воздух запускают специальные радиозонды

NOAA Photo Library, wea01108

В-третьих, люди склонны ругать даже оправдавшийся прогноз. Скажем, в отношении температуры современные международные стандарты предписывают давать прогноз с интервалом в 2 °C и в 5 °C (для города и для области соответственно). В то же время допустимая погрешность — 2 °C. Допустим, прогноз обещал в области 0 — +5 °C; считается, что прогноз оправдался, если в реальности температура была от –2 до +7 °C.

По статистике прогноз на первый день из семи оправдывается в 96–98 % случаев, на три дня — в 90 %. Дальше вероятность успешности прогноза падает, а к десятому дню достигает всего лишь 50 %.

Сейчас повысить точность расчётов помогает машинное обучение. Алгоритмы разрабатывают свой прогноз на основании множества чужих, либо сравнивают данные прогнозов с реальными и ищут систему в ошибках моделей, чтобы потом скорректировать их. Алгоритм «Яндекса» Meteum, ко всему прочему, полагается ещё и на обратную связь от пользователей, так что, если за окном льёт дождь, а приложение об этом ни сном ни духом, не стоит ругать метеорологов. Лучше просто нажать на кнопочку обратной связи и помочь алгоритму стать ещё чуть-чуть лучше.

Сейчас практически у каждого государства есть метеорологическая служба, и все они собирают и отправляют данные со своих метеостанций во Всемирную метеорологическую организацию. А эта организация в ответ раскрывает данные, полученные от её членов.

Метеорологией нельзя заниматься только на своей территории, отсекая весь остальной мир. Атмосферные процессы настолько глобальны и хаотичны, что требуют максимального объёма информации и полного доступа к ней. В этом деле один в поле — точно не воин.

Читайте также

Климат будущего и климатическое оружие

Антон Первушин

11.12.2016

59313

Как победить глобальное потепление, как управлять погодой, и возможны ли климатические войны.

Читайте также

Ледниковые периоды Земли — прошлые и будущие

Игорь Край

20.06.2020

91892

Наступающий ледник — холод, завывание вьюги, белые языки глетчера, который сминают под собой леса и крушат скалы, — популярная тема в фантастике. Но что мы знаем о ледниковых периодах?

Если вы нашли опечатку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Марина Беляева,Екатерина Никитина

Журналистка, киноведка, автор сценариев для анимации, фрилансер-домохозяйка. Защитила работу по диснеевским полнометражным мультфильмам. Использую феминитивы.

#история науки #экология #научпоп #климат