Прогноз погоды: календарь праздников, затонувший корабль и математика

В России 8 февраля отмечают день наук, в том числе метеорологии. Сегодня она прогнозирует изменение погоды на срок от нескольких минут до полугода с точностью до 95 %. Как в древности предсказывали температуру воздуха и осадки и с помощью чего это делают в настоящее время, рассказываем в еженедельной рубрике «Имени языка Эйнштейна».

Луна и звезды
Еще древние исследователи предсказывали погоду на основе астрономических и климатических событий. В 650 году до нашей эры вавилоняне с помощью ореола, светового круга вокруг солнца, определяли температуру воздуха. Китайские астрономы в 300 году до нашей эры создали календарь, состоящий из 24 праздников, каждый из которых был связан с разным типом погоды. Например, 21-22 июня отмечают летнее солнцестояние, 22-24 сентября — осеннее равноденствие.  

Во II веке нашей эры Птолемей для прогноза на один или три месяца исследовал смену лунных фаз. Суточные изменения погоды он связывал с появлением ярких звезд на восходе и цветом заката.

Приборы и карты
В IX веке арабские ученые Аль-Баттани и Аль-Кинди усовершенствовали методики Птолемея, и к XIII веку европейские университеты включили их в учебную программу по астрономии.

Метеорология как наука появилась в XVII веке, когда изобрели первые измерительные приборы: термометр и барометр. Ученые со всего мира записывали атмосферное давление и отправляли данные коллегам в другие страны. С помощью таких сообщений астроном Урбен Леверье в 1855 году обнаружил, что циклоны (области низкого давления) и антициклоны (области высокого давления) передвигаются по определенным законам. Это открытие позволило ему создать погодную карту, по которой можно было предсказать шторм в любой точке Земли. 

В 1854 году английский Комитет по торговле учредил Метеорологический департамент. Его возглавил офицер флота Роберт Фицрой. В 1859 году сильный шторм потопил корабль Royal Charter и унес жизни 450 человек. После этой катастрофы Фицрой разработал первые синоптические карты — на них фиксировали наблюдения метеорологических станций в определенные моменты времени. На их основе с 1861 года начали публиковать ежедневные прогнозы погоды в газете “Times”.

В 1904 году норвежский метеоролог Вильгельм Бьеркнес выделил семь основных переменных, описывающих состояние атмосферы: давление, температуру, плотность, влажность и три компонента скорости воздушного потока (движение воздуха по координатным осям x, y, z). Из них он составил систему уравнений, решив которую можно было предсказать погоду. Сегодня ее используют для глобального прогноза. От локального и регионального он отличается охватам территории и степенью детальности исследования.  

Математика и компьютер
В XIX и XX веках количество метеорологических станций увеличилось, благодаря чему синоптики стали получать больше данных из разных точек мира. Изобретение радиозонда в 1920-х годах позволило отслеживать состояние атмосферы на больших высотах. Шар, наполненный водородом или гелием, поднимал небольшие ящики с синоптическими приборами и радиопередатчиками. Во время полета они передавали на наземную станцию данные о температуре, влажности и давлении. Полученную информацию использовали для составления карт погоды. Сегодня по всему миру каждые 12 часов одновременно запускается около 800 радиозондов. 

В 1922 году английский метеоролог Льюис Ричардсон предложил прогнозировать погоду с помощью математических методов. Вычисления были слишком сложные и его попытка произвести их вручную привела к неудаче: он допустил ошибку из-за неправильных начальных условий. Позднее пересчет показал, что его алгоритм был верен.

Воплотить идею Ричардсона смогли только в 1950 году. Ученые Джон фон Нейман и Джул Чарни в рамках проекта Electronic Computer Project сконструировали машину для прогноза погоды с помощью математических расчетов. По полученным данным она решала уравнения и предсказывала состояние атмосферы. 

Спутники и радары
Сегодня для предсказания погоды применяют различные инструменты: спутниковые снимки и радары показывают, где выпадают осадки, метеозонд регистрирует давление, температуру, скорость и направление ветра. Для ежечасного исследования используют метеорологический радар, который определяет местоположение осадков, рассчитывает движение и оценивает их тип: дождь, снег, град и т.д. Все эти данные загружают в компьютер и формируют несколько моделей, на основе которых и составляют прогноз погоды.

Обложка: wikimedia.org
Иллюстрации: wikipedia.org, wikimedia.org,
Синоптическая карта Фицроя из «Книги погоды» (“The Weather Book”) — практического руководства для метеорологов, Лондон, 1863