Дерзкие мысли о климате

Воздушные массы переносят влагу как паром, так и аэрозолями в облаках. Облака представляют собой скопления аэрозолей, то есть мельчайших капель или кристалликов льда. По пути следования облака могут испаряться и вновь возникать под воздействием изменяющейся температуры, давления и прочих условий насыщения атмосферы паром. Эта способность облачной влаги к фазовым превращениям, а значит и к высвобождению или усвоению больших количеств теплоты конденсации или парообразования, и способность самих облаков к перемещению на сотни и тысячи километров придают им свойство хорошего буферного регулятора в теплообмене земной поверхности с космическим пространством всюду, где они появляются.

Известно, что облаками бывает постоянно покрыто около 50 % всей площади внешней сферы Земли. Облака имеют альбедо приблизительно 0,52 против среднего альбедо земной поверхности 0,14. Соответственно среднее альбедо Земли будет 0,33. Поскольку облака отражают больше половины приходящей коротковолновой радиации Солнца, то принято считать, что их появление приводит к охлаждению земной поверхности, что, впрочем, летним днем человек четко ощущает и на себе.

Похоже, что и здесь недооценка фазовых превращений воздушной влаги в обеспечении атмосферы теплом часто мешает нам увидеть явления, которые могут происходить в самих облаках, освещаемых Солнцем, а именно: их собственную способность изотермически усваивать и высвобождать тепловую энергию при фазовых превращениях на пути следования вдоль широты. Досадно, что даже натурные наблюдения и эксперименты, выполненные в сложных условиях полетов на аэростатах и самолетах или при запусках ракет, часто интерпретируются исходя из представления лишь о лучистым теплообмене, в то же время сплошь и рядом игнорируются теплообменные процессы при фазовых превращениях атмосферной влаги. В результате этого при обстоятельных натурных наблюдениях за всеми возможными «задержаниями» энергии лучей в атмосфере делается вывод наподобие такого: «… значения радиационного нагревания воздуха в 2 раза превышает те значения нагревания, которые вызываются поглощением солнечной радиации водяным паром. Избыточное нагревание, вероятно, в основном обусловлено поглощением радиации атмосферной пылью».

Здесь опять недоуменное сетование – тепло в атмосфере куда-то девается, но пар здесь якобы ни при чем. Но именно влага при фазовых превращениях способна поглотить или высвободить наибольшее количество лучистого тепла. До тех пор, пока в атмосфере остается хоть какое-то количество аэрозоля, всякий подвод тепла к ней идет в первую очередь на изотермическое превращение (испарение), при котором температура атмосферы остается постоянной. Не в этом ли кроется причина заблуждений в оценках всяких задержек лучистого тепла в атмосфере?

Особо большие количества тепла атмосфера может поглощать и высвобождать в облаках, где аэрозоля оказывается так много, что она становится видимой. Перед нами научная работа само название которой – «Облако, как тепловая яма», характеризует роль облачности в теплообмене через атмосферу. При расчете радиационного теплообмена выясняется, что облако представляет собой мощный тепловой демпфер, который компенсирует половину, а при многослойной облачности и больше общего радиационного выхолаживания атмосферы. Несмотря на уменьшение количества получаемого тепла и понижение уровня температуры, земная поверхность в этом случае увеличивает теплосодержание за счет сдерживания потерь тепла облачностью. То, что мы воспринимаем телом как похолодание на самом деле оборачивается накоплением тепла в атмосфере и сохранением его земной поверхностью.

При полном отсутствии видимой облачности поступление радиационного тепла на земную поверхность существенно увеличивается, но обратное излучение не встречая среды, в которой оно могло бы трансформироваться может увеличиться на столько, что его пределом становится уже способность самой земной поверхности выдать ту или иную, возможно и последнюю, дозу тепла из собственных накоплений.

Случайно ли, например, что в самых знойных областях солнечной Сахары средняя годовая температура приземного воздуха оказывается на 4–5 °C ниже, чем на тех же широтах дождливой и пасмурной Кубы. Обыденно мы говорим, что мягкий и теплый климат обязан влиянию моря, но если обратим внимание на то, что определяет это влияние, то вынуждены будем заметить и увеличение облачности в теплых странах. На европейской части СССР наибольшая облачность бывает осенью и зимой, в это же время она бывает наименьшей в Восточной Сибири, что соответственно сказывается в большом различии зимних к среднегодовых значений температуры приземного воздуха, а значит и климата, например, между отмеченными уже выше пунктами Таллинн (Эстония) и Усть-Майя (Якутия).

В целом малооблачные районы Земли теряют тепла в космос больше, чем получают его, но их тепловое состояние в большинстве случаев стабилизируется теплообменом с более обеспеченными теплом областями. Трудно разрешенной задачей остается оценка количеств тепла, переносимых облаками. С образованием видимой водяной аэрозоли, то есть собственно самого облака, начинается и высвобождение теплоты парообразования, вносящей в весь ход теплообмена земной поверхности с космосом через атмосферу. Если конденсация охватила все количество в объеме воздуха занятого облаком, что вряд ли возможно, то далее облако уже не способно будет выделять теплоту парообразования, но при дальнейшем охлаждении в определенных условиях может еще выделить некоторую менее значительную долю теплоты кристаллизации, если жидкие капли станут замерзать. В развитии этих и иных явлений ещё существуют неясности. Например, мало известно, когда и где начинается формирование облаков, то есть высвобождение теплоты парообразования, с той или иной конкретной акватории. Хорошо известно, что Каспийское море испаряет огромное количество воды, но где этот пар образует облака неизвестно. Во всяком случае, если это и происходит, то так далеко от места испарения, что выделить именно «Каспийское» происхождение облаков пока не удается.

Недостаточно ясна роль в теплообмене сублимации и конденсации атмосферного пара на земной поверхности, в частности в виде изморози или инея на льдах Антарктики и Арктики, на горных ледниках, наконец, в виде росы – почти всюду в более теплых областях. Известны данные наблюдений, что в Гренландии слой инея может составлять в год до 30 мм (10 % осадков), в Арктике – 20 мм (15 %), в центральной Антарктиде – 15…20 мм, что составляет уже около 100 % всех осадков. Последний случай наиболее ярко свидетельствует о том, что даже при полном отсутствии облачности, в атмосфере еще сохраняется некоторое количество водяной аэрозоли. Надеюсь, что читатель понял почему я уделил повышенное внимание явлениям фазовых превращений воды в атмосфере. Потому что за сомнительным современным толкованием сути парникового эффекта эти явления оказались обойденными должным вниманием исследователей, а между тем именно они, более иных явлений несут в себе тайны климата и погоды обжитых стран. Разберемся как следует в этом, утвердимся в более правильном представлении о характере циркуляции атмосферы и тогда приблизится извечная мечта человека о надежном и заблаговременном предсказании (прогнозировании) погоды. Не уверен, что пытаясь направить свою и Вашу мысль по единственно правильному пути, но более уверенно могу сказать, что в этих поисках нельзя останавливаться, ибо чем больше мы испробуем новых и разных путей, тем скорее найдем более правильный.

8.4. Погода и её прогноз

Ещё 250 лет назад Михаил Васильевич Ломоносов писал: «Человеку ничего не оставалось бы требовать от Бога, если бы он научился правильно предсказывать погоду». В этом изречении ясно звучит, и великая важность правильного предсказания погоды и признание огромной трудности решения этой задачи, но не допускается мысли, что эта проблема останется нерешенной. В противном случае о ней проще было бы вовсе не упоминать. Но вот снова просматривая учебник по климатологии тщательно ищу в нем хотя бы упоминание о погоде и её прогнозе. Тут уже видно, что теоретики климатологии хорошо прочувствовали деликатность темы о прогнозе погоды и постарались оградить себя от тех постоянных нападок, которые в изобилии достаются синоптикам-прогнозистам. Если вспомнить, что климат есть не что иное, как многолетний режим погоды, то положение синоптиков можно сравнить с судьбой икринок, отметанных щукой, – климатологией: им предоставлена участь обходиться как они хотят и не попадаться ненароком той же матери – щуке. Но прогноз погоды – это научно обоснованное предположение о предстоящих изменениях погоды, а вся наука о возможности этих изменений замыкается на климатологии и исходит от неё. Поэтому и отгораживание климатологии от синоптической метеорологии по меньшей мере неуместно и несправедливо.

А как же обстоит дело с прогнозами погоды? Оказывается, что в наше время в среднем из 100 краткосрочных (с заблаговременностью от нескольких часов до 1…2 суток) и долгосрочных малой заблаговременности (3–10 суток) прогнозов оправдывается около 80. С первого взгляда кажется не так уж и плохо. Но заметим, что возможным низшим пределом может быть оправдываемость 50 прогнозов из 100 предсказанных, поскольку именно такая оправдываемость прямо вытекает из статистически наиболее вероятной повторяемости фактически наблюдающейся погоды, что строго говоря, прогнозом уже не является. Следовательно, если соотношение оправдываемости прогнозов показать в более правильном процентом выражении, то ничего не останется, как заключить, что средняя оправдываемость краткосрочных и долгосрочных малой заблаговременности прогнозов составляет всего лишь около 60 %. Ещё хуже обстоит дело с долгосрочными прогнозами большой заблаговременности (на месяц и более).

Теперь представим такую, ежедневно и реально повторяющуюся ситуацию: 100 миллионов человек в разных областях нашей страны с большим вниманием и надеждой прослушали местные прогнозы погоды для двух дней намеченной полевой работы или хотя бы для предстоящих выходных дней и …40 миллионов из них оказались обманутыми! Сколько останется невыполненной работы, какой ущерб составит эта ошибка синоптиков, сколько проклятий посыплется в их адрес? И это отнюдь не фантазия, а ежедневно повторяющаяся реальность. Как же не посочувствовать синоптикам. Людям, ждущим правды от синоптиков, отнюдь не становится легко от того вынужденного признания ученых, что точный прогноз погоды является одной из труднейших задач современной науки.

В последнее время службы погоды все чаще сетуют на недостаток информации об окружающей погоде, на малое быстродействие электронно-вычислительных машин, обрабатывающих информацию, и реже на несовершенство методов прогнозирования, а корень всех неудач, вероятно, кроется именно в несовершенстве методов. Например, отмечается, что основная причина наиболее крупных ошибок прогнозистов возможно состоит в неточности расчетов барического поля (атмосферных давлений), направления и скорости перемещений циклонов и атмосферных фронтов, хода их развития, явлений, происходящих в высоких слоях атмосферы, и так далее. Все, вероятно, так и есть. Но если такие сетования раздаются неизменно десятки и сотни лет, то определенно есть здесь и элементарное топтание на месте, боязнь заглянуть на проблему с непривычной точки зрения, отойти от сложившихся основополагающих представлений и традиций.

Посмотрим, например, достаточно ли надежны наши суждения об ожидаемых движениях атмосферы по различиям атмосферных давлений, если сами эти различия являются всего лишь следствием динамики и тепловых трансформаций воздуха, но не всегда могут быть их причиной. Это след уже свершившегося явления, а можно ли по следу идущего зверя достаточно уверенно определить куда он пойдет дальше? Конечно можно предположить, что воздух из области большего давления двинется к области с меньшим давлением, но можно ли с той же уверенностью представить, что на пути этого движения прекратятся иные тепловые трансформации воздушных масс, а вместе с тем не возникнут и новые различия барических разностей, существенно отличные от загодя зафиксированных?

Точно также и положение атмосферных фронтов является следствием уже сложившихся взаимодействий циклонов и антициклонов с далее плохо предсказываемым их развитием и движением. И вот получается, что мы узнали о зародившемся где-то в стороне новом атмосферном фронте и все внимание сосредоточиваем на него, гадая куда он далее двинется и что принесет с собой. А в это время над нашей головой зарождается незамеченный новый фронт, вскоре нарушающий все наши предположения о развитии погоды. Отсюда очевидно, как важно познать причины зарождения фронтов и научиться наверняка предвидеть их следствия. Короче говоря, вся методология синоптического, прогнозирования давно и настойчиво требует коренного переосмысливания, тем более, что прогноз погоды теперь может и надо думать, должен ориентироваться не на субъективные суждения человека, а на беспристрастное решение электронно-вычислительными устройствами. Все вроде бы просто, но главная задержка опять за самим человеком, за его способностью правильно озадачить ЭВМ. И тут опять слышны сетования наподобие такого: «Применение численных методов прогноза погоды ограничено тем, что для их существования необходимы быстродействующие ЭВМ, способные хранить сотни миллионов слов информации и обрабатывать её со скоростью в несколько сотен миллионов операций в секунду». А достаточно ли обоснована такая ссылка на беспомощность машины, нужно ли такое обилие информации и нужно ли её именно так быстро обрабатывать? Разве не следует из той же элементарной статистики, что для стопроцентной оправдываемости прогноза достаточно точно, задать не более 100 важнейших элементов, определяющих развитие погоды? А вот это уже во много раз меньше, чем якобы требуется от ЭВМ. И не стали ли уже и эти умные машины «козлом отпущения» в бессилии человека именно задать им минимум необходимой достоверной информации? А достоверной информация станет тогда, когда мы четко разберемся в самой сути физических процессов, происходящих в атмосфере; за сиюминутной обстановкой сможем увидеть необходимый ход развития и «приучить» умную машину самостоятельно смоделировать этот необходимый процесс в тесной связи со всеми иными физическими процессами и эволюциями в атмосфере. Здесь и потребуется способность ЭВМ охватывать большой объём информации и быстро анализировать её.

Вообще жаловаться на ЭВМ до той поры пока мы не использовали всех её возможностей по крайней мере предосудительно. Обеспеченная достаточно полной, желательно объективной автоматической информацией об окружающих изменениях пространственной (вширь земной поверхности и вглубь атмосферы) синоптической ситуации ЭВМ способна статистически уловить закономерности взаимосвязей в развитии метеорологических элементов. При достаточно частом повторении этих закономерностей и их повторяющихся следствий они могут быть заложены в память машины и стать основой для выдачи уже объективного прогноза погоды. Исследователю останется лишь объяснить физическую суть этих закономерностей, найти какая информация является более значимой, а какая не существенной и рационализировать состав наблюдений, необходимых для выдачи хорошего прогноза погоды. Вот тот путь, по которому, видимо, должна развиваться синоптическая метеорология.

Специалисты могут мне возразить, что и сейчас уже прогнозы погоды составляются с помощью ЭВМ. Это верно. В памяти умных машин, например, установленных в Гидрометцентре СССР БЭСМ-6, М-222 и «Минск-32». стекается непрерывный поток метеорологической информации о фактическом состоянии погоды, фиксируемой на обширной сети континентальных и морских станций. Обработанная соответствующим образом информация становится исходной для выполнения расчетов на ЭВМ. Она вводится в составленные заведомо уравнения гидротермодинамики, решаемые на ЭВМ, что и дает материал для прогнозов. А не может ли как раз тут быть сбоя? Есть ли полная уверенность, что составленное человеком уравнение гидротермодинамики не несет в себе погрешности, исходящей, например, от ошибочного толкования физики явлений, описываемых уравнений? Не может ли как раз здесь объективная информация в ЭВМ приобрести непреднамеренные ошибки субъективного склада?

Обращая надежду на ЭВМ я подумал: нельзя ли доверить им, пусть пока не для всей страны, а отдельно выделенного региона, собирать всю окружающую объективную информацию о метеоусловиях, предшествующую их фактическому развитию и состоянию в назначенном пункте (пунктах) и закладывать их в память наиболее часто повторяющуюся последовательность метеоусловий во времени и пространстве, тем самым оградив ЭВМ от возможности внесения неточной субъективной предвычисленной информации? Или эта задача слишком проста для сложных машин? Так или иначе, но именно приручение ЭВМ позволит высвободить от рутинной работы тысячи метеонаблюдателей и синоптиков и сделать более беспристрастным и правдивым прогнозирование погоды, сначала краткосрочных, затем все с большей заблаговременностью и на все большую территорию.

Но вот чего нельзя делать, так это ждать, что решение жгучей проблемы хорошего прогноза придет, само собой. Его нужно настойчиво искать. Можно ошибаться, но нельзя бездействовать.

8.5. Обходя монополию бюро погоды

Наступит время, когда объективные прогнозы погоды будут выдавать беспристрастные компьютеры. И будет это довольно скоро. Между тем состояние с качеством прогнозов в наш просвещенный век становится все более нетерпимым. А посмотрим, не является ли постоянные неудачи с прогнозами погоды издержками монопольного права на их выдачу только специалистам Бюро погоды, подчиненным единой службе гидрометеорологии? Исчерпываются ли потенциальные возможности решения проблемы прогнозов всего общества способностью лишь ограниченного числа специалистов – синоптиков? Достаточно ли подтвердили они свое право на монополию конкретным результатом своей работы? Можно ли с прогнозистов спросить за постоянные неудачи в использовании своего долга? Ответы на все эти вопросы очевидны.

История часто обнаруживала и по сей день обнаруживает несостоятельность отдачи полного монопольного права на мысль в любой отрасли знаний какому-либо узкому кругу специалистов, в том числе и больших ученых. Они, как и все люди, могут ошибаться и заблуждаться. И наоборот, в большом сообществе людей всегда вероятнее могут обнаружиться таланты, способные решить назревшую проблему более прозорливо и успешно, если бы не существовало монополии на это право. Даже сами синоптики-прогнозисты, а их тысячи и многие из них обладают большим опытом и незаурядной наблюдательностью, далеко не всегда вольны дать тот прогноз, который им представляется более лучшим и обоснованным лишь потому, что он не согласуется с руководствами и наставлениями, спущенными еще более узким кругом специалистов «сверху». За нарушение «Руководства по краткосрочному прогнозу погоды» можно «схлопотать» наказание, а массовый обман ложным прогнозом всюду легко и просто списывается ссылкой на «великую сложность одной из труднейших задач современной науки».

Хороший прогноз погоды нужен всем. А когда думают об одном и том же очень многие, то всегда находятся люди, которые, разуверившись в правдивости официальных сообщений, начинают самостоятельно строить свои версии по интересующему всех вопросу. С прогнозом погоды это бывает едва ли не чаще всего. Наблюдательный человек может заметить много местных признаков, предвосхищающих то или иное развитие погоды, всю массу которых не может охватить никакое самое полное руководство, написанное где-то в «центре». Поэтому самобытных пророков, особенно в сельской местности, всегда бывает больше, чем специалистов. И что удивительно, многие из них ошибаются реже, чем обученные. Поэтому не случайно, прослушав официальный прогноз, многие идут к какому-нибудь дяде Ване за уточнением сведений, услышанных по радио, а то и вообще не слушают их.

Я бы очень перегрузил эту главу, если бы взялся описывать народные приметы, позволяющие предсказывать погоду. Да многие из них, наверное, известны большинству читателей. Вспомним весьма популярную примету – «если Солнце закатывается в облака, завтра быть дождю» и мы поймем, что очень частое совпадение этого предсказания объясняется отмеченным выше преобладанием западного переноса воздуха. Уже из этого и многих других примеров предсказаний погоды – состояние неба, поведение животных, самочувствие пожилых людей, характер распространения дыма, образование росы и иных примет изменения погоды следует, что народные предсказания погоды в подавляющем большинстве отнюдь не полагаются на мистику, а пусть и без достаточно полного объяснения, но в основном базируются на вполне реальных физических предпосылках, чем и заслуживают определенного доверия.

Меня всегда удивляла способность пожилых жителей сельской местности в Якутии довольно удачно предсказывать многолетние, на 10 лет вперед и более, изменения общего увлажнения. Более уверенно предсказываются события на год и полгода вперед. Однажды зимой намораживая ледяную плотину в пересохшей речке, чтобы весной задержать ею сток талой воды и таким путем обводнить луга. Подходит старичок-якут и спокойно говорит: «зря стараетесь». – «Почему?» – спрашиваем его. «Потому, что воды не будет». И стока наступившей весной действительно не было, плотина к июлю растаяла, не поймав воды. В беседах с местными жителями я убедился, что такие предсказания отнюдь не беспочвенны. Многие жители ведут регулярные записи состояния погоды. В них не все по-научному, но есть год, месяц, дата и запись, например об осадках: «шибко много», «так себе». Грубо, но можно уточнить по данным ближайшей метеостанции. Записи отражают статистику многолетних периодов изменений состояний погоды, а это уже база для прогноза. Вот и весь секрет сверхдолгосрочного прогноза погоды и никакой мистики. В течение года этот прогноз уточняется дополнительными наблюдениями: как опала хвоя лиственницы, сколько выпало света, какие держатся морозы и так далее. Ныне не остаются без внимания любителей более строгие методы наблюдений, например, температуры воздуха, давления, величины осадков, направление и сила ветра и, наконец, официальные сводки погоды и даже схемы-карты обзорной синоптической обстановки, публикуемые в газетах «Сельская жизнь» и «Известия». Последней возможностью не преминул воспользоваться и я, незаметно утвердившись в «должности» домашнего пророка погоды. Мой метод прогнозирования очень примитивен, но достаточно надежен. Часто летая из Якутска в Москву и обратно, то есть вдоль примерно одинаковых широт, по разности длительностей полетов туда и обратно установил, что скорость общего смещения всей атмосферы с запада на восток здесь составляет 20…30 км/ч или в среднем 25 км/ч. С этой массой атмосферы идет к нам с запада и вся погода. Путем анализа пространственного распределения осадков и изменения температуры воздуха удалось приближенно установить, что на своем пути над континентом северной полосы Евразии, особенно на подходе к Якутии и над ее западными территориями, атмосфера обезвоживается примерно на 7…8 мм на каждые 100 км и остывает зимой на 1° на 100 км, а летом, в июле-августе, даже нагревается примерно на 0,3° на каждые 100 км пройденного ею пути. Вот и вся основа домашнего прогноза. Его заблаговременность достигает 10 дней, но по мере приближения, взятых во внимание западных воздушных масс к Якутску, прогноз на ближайшие 2…3 дня уточняется с помощью сводки местного Бюро погоды. Из карт-схем синоптической обстановки, публикуемых в центральной печати, и радиосводок меня интересуют только температура воздуха и осадки и реже интересует поле давлений и положение атмосферных фронтов. Мои оценки исходят из того, что важнейшие синоптические явления обусловливаются тепловыми процессами и степенью увлажнения атмосферы, в то время как изменения давлений и положения фронтов являются лишь зависимыми от них явлениями, затухающими по мере обезвоживания атмосферы и уже мало влияющими на изменение важнейших элементов синоптической обстановки. Последнее является характерной особенностью территорий Западной и Центральной Якутии, а поэтому свой метод прогноза я не склонен рекомендовать иначе, как для проверки в иных регионах.

Существенное отклонение в оправдываемость подобного прогноза могут вносить редкие вторжения воздушных масс со стороны ближайшего Тихого океана. Чаще отклонения вносит застоявшийся зимой или летом известный и весьма обширный сибирский антициклон. Однако поскольку это явление здесь оказывается довольно регулярным, то и его не сложно учитывать в данном случае по схематической карте синоптической обстановки. Подобные прогнозы составляются далеко не регулярно, а лишь по мере личной надобности и без записей, почему невозможно строго судить об их оправдываемости.

Вполне определенно можно предположить, что свою домашнюю систему взглядов на формирование погоды имеют многие любители. Наверняка у многих из них прогнозирование ведется более регулярно, обоснованно более полно и оправдываемость прогнозов оказывается наиболее эффективной. Однако беда всех любителей синоптиков состоит в их разрозненности, безвестности, невозможности сравнить качество их прогнозов с официальными и другими домашними прогнозами, чтобы выявить целесообразность предпочтения одного другим. Мы так уверовали в науку, особенно в ее мозговые центры, что уже и мысли не допускаем, что в гуще народной могут найтись самобытные таланты, способные решать прикладные задачи науки более простым и лучшим способом. Возможность этого неоднократно обнаруживалась в сельском хозяйстве, в медицине, в технике и прочих отраслях, являющихся областью интересов широчайших масс народа. К такой области относится и метеорология, а значит, исключив монопольное право ученых-синоптиков на выдачу прогноза погоды и предоставив эту возможность в порядке состязательности любому, кто обнаруживает дар и желание предсказывать погоду любыми способами, кроме сверхъестественных, мы сможем, вероятно, сдвинуть с застоя и жгучую проблему надежного прогноза. Это тем более целесообразно сделать, что критерий качества любого прогноза вполне очевиден – это сам факт лучшей или полной оправдаваемости прогноза. Неудачник здесь, будь то Бюро погоды или любой иной ее предсказатель, обнаружится скоро. А случится ли что, если однажды в местной газете мы обнаружим, например, такой неопределенный прогноз погоды, поскольку и так известно об их большой неопределенности?