Мы познакомились с различными типами погоды и установили, как: они возникают. Теперь нам остается выяснить, почему погода изменяется: ясная погода сменяется ненастьем, за пасмурной погодой следуют прояснения и т. д.
Наиболее важную роль в этих изменениях играют циклоны и антициклоны. Мы уже знаем, что в центральной части антициклона воздух: опускается, нагревается и здесь обычно стоит ясная погода.
В циклоне условия совсем иные. Воздух в циклоне постепенно стекается к его центру, и здесь сходятся самые различные теплые и холодные воздушные течения.
На любой карте погоды (см. карты после стр. 144) можно подметить одну характерную особенность: через центр циклона обязательно-проходит линия фронта, и, наоборот, через центры антициклонов фронты не проходят. Иными словами, антициклон как бы находится в однородной воздушной массе, а циклон состоит из двух или более взаимодействующих друг с другом воздушных масс.
Фронтальные облака и осадки — главные носители ненастья; они связаны с центрами циклонов, и именно поэтому погода в циклоне бывает ненастной.
Циклоны и антициклоны перемещаются, вместе с ними движутся области ясной и ненастной погоды, и это создает те резкие перемены погоды, которые мы наблюдаем.
Расположение фронтов и воздушных масс в циклоне чаще всего бывает таким, какое мы видим на картах (после стр. 144) в циклоне, который движется с Балтийского моря к Москве. Теплая воздушная масса занимает только небольшой сектор на его южной окраине, на востоке ее ограничивает теплый фронт, на северо-западе — холодный, а вся остальная часть циклона занята холодной воздушной массой. От вершины теплого сектора к центру циклона тянется особый сложный вид фронта— фронт окклюзии. Он образуется при слиянии холодного и теплого фронтов и разделяет два холодных воздушных течения: одно движется с юга, а другое — с северо-запада.
Из-за сложности воздушных течений, сложности изменений атмосферы при нагревании и охлаждении воздуха, при испарении и конденсации водяного пара предсказание погоды является одной из самых, трудных проблем науки.
Какими же способами синоптик предсказывает погоду?
Первая задача синоптика заключается в том, чтобы на основании всех имеющихся наблюдений составить ясную картину того, что в настоящее время происходит в атмосфере. Для этого синоптик прежде всего должен обработать самую последнюю по времени синоптическую карту: провести на ней линии фронтов и наметить расположение основных воздушных масс, провести изобары и получить тем самым картину распределения изобарических областей — циклонов и антициклонов.
Научный анализ карты — задача далеко не простая. Атмосфера так изменчива, так многообразна, что никогда не бывает двух одинаковых -синоптических карт. Синоптику при анализе каждой карты по существу приходится проводить небольшое самостоятельное научное исследование.
Особенно сложной задачей является проведение на карте линий фронтов.
Трудность работы синоптика заключается в том, что он должен непрерывно сравнивать синоптическую карту не только с прошлыми картами, но и с другими данными. Из этих данных особенно важны аэрологические карты, отражающие состояние верхних слоев атмосферы и всей ее толщи до высоты 5 километров и более.
На аэрологических картах представлены скорость и направление мощных воздушных течений, захватывающих слои атмосферы в несколько километров толщиной; на этих же картах особая система изолиний указывает те области, где атмосфера в значительной своей толще более тепла и где она более холодна. При анализе приземной синоптической карты синоптик должен все время принимать во внимание данные о верхних слоях и тем самым исправлять положение линий фронтов на приземной синоптической карте.
Когда анализ синоптической карты и всех других материалов закончен, синоптик приступает к выполнению второй задачи — к расчету будущего синоптического положения.
Сравнение текущей синоптической карты с предшествующими картами уже может дать некоторое представление о том, куда и с какой скоростью движутся циклоны, антициклоны и фронты. Например, на карте 12 ноября широкой стрелкой указан путь перемещения циклона за прошедшие 24 часа.
Если этот циклон сохранит направление и скорость своего движения, то к 21 часу следующего дня (13 ноября) его центр должен быть в районе Куйбышева.
Однако такой расчет слишком груб и не всегда применим — циклон постепенно меняет свою структуру; скорость и направление его движения тоже меняются. Вместе с тем даже небольшая ошибка в расчете будущего положения циклона повлечет за собой серьезную ошибку в предсказании погоды.
Здесь большую помощь синоптику оказывают аэрологические карты. Воздушные течения на высоте 3—6 километров над Землей играют решающую роль для движения, усиления и ослабления приземных циклонов и антициклонов. По направлению и скорости верхнего ведущего потока над приземным циклоном или антициклоном синоптик может судить, как и с какой скоростью двигалась изобарическая область в тот момент, к которому относятся синоптическая и аэрологическая карты.
Отсюда уже гораздо легче сделать вывод, как будет двигаться изобарическая область в будущем.
Но верхние течения дают возможность судить и о том, как будут изменяться изобарические области. Там, где верхние течения сближаются, где наблюдается их «сходимость», как в русле суживающейся реки, — там внизу, у земли, чаще всего следует ждать роста давления, и наоборот, под расходящимися верхними течениями обычно происходит падение давления. Это дает возможность уже непосредственно рассчитать не только движение, но и будущие изменения изобарических областей.
Когда синоптик закончит расчет будущей синоптической карты, он может на основании этого расчета предсказать изменения погоды в различных районах.
Например, если расчет по карте 12 ноября показывает, что циклон из района Москвы через сутки должен сместиться в район Куйбышева (приблизительно на 900—1000 километров), то из этого можно сделать вывод о предстоящих изменениях погоды в Москве. К району Москвы в течение предстоящих суток будет приближаться антициклон, центр которого 12 ноября располагался над Атлантическим океаном, к западу от Норвегии. К 21 часу 13 ноября Москва будет находиться приблизительно в той части изобарической области, которая на карте располагается над входом в Финский залив.
Следовательно, в Москве ветер должен измениться и перейти с западного направления на северное. Зона сплошного снегопада должна отойти от Москвы вместе с циклоном, и обложный снег в Москве должен прекратиться.
В северном потоке холодной воздушной массы, в который попадет Москва, наблюдается резко меняющаяся облачность: одни станции (например, Ленинград) отмечают совершенно безоблачное небо, на других небо частично закрыто облаками, а на некоторых станциях (Смоленск) наблюдается снегопад. Поэтому в Москве следует ожидать резко меняющуюся облачность с прояснениями, временами выпадение снега.
В холодной воздушной массе температура на различных станциях колеблется от минус 1 до минус 9 градусов (Кемь). Можно заметить, что ближе к морю и вообще на запад мороз в этой массе ослабевает. Если бы к Москве была просто перенесена та температура, которая на карте отмечается над Финским заливом и средней частью Балтийского моря, то-в Москве можно было бы ожидать понижения температуры приблизительно до минус 3 градусов. Но здесь следует учесть, что холодный воздух, пришедший 12 ноября с севера в район Балтийского моря, испытал на себе согревающее влияние моря. Тот воздух, который 13 ноября придет с севера к Москве, не испытает этого влияния и будет несколько холоднее. Поэтому можно сделать вывод, что температура в Москве понизится более резко, до минус 4—6 градусов.
Такова в общих чертах та схема, по которой синоптик составляет предсказание погоды. Этим методом можно рассчитывать погоду не более чем на 2—3 дня вперед, пока все циклоны, антициклоны и воздушные массы еще не прекратили свое существование и не изменили полностью своих свойств. Поэтому такое предсказание погоды называется краткосрочным.
Все мы могли заметить, что предсказания погоды, которые мы слышим по радио, в некоторых случаях не оправдываются или бывают не совсем точными. Отчего это происходит? Может быть, синоптик плохо работает? Или, может быть, он применяет неправильные методы при расчете будущей погоды?
Ошибки в предсказаниях погоды случаются главным образом потому, что расчеты будущей погоды по синоптическим картам в настоящее время не могут быть совершенно точными.
Оказалось, что предсказывать погоду гораздо труднее, чем, например, предсказать будущее положение небесных светил, солнечное или лунное затмение.
Астрономы на основании очень сложных математических расчетов задолго и с любой точностью скажут вам, когда будет затмение Солнца или Луны или каково будет положение других планет.
Совсем иными методами предсказывает погоду синоптик. Он анализирует карту, определяет положение циклонов, воздушных масс и фронтов, устанавливает их прежнюю скорость перемещения и на основе своих соображений об их свойствах решает, как будет изменяться в дальнейшем направление их движения: будет ли это движение замедляться или ускоряться.
При таком методе, даже зная причины явлений и располагая данными о погоде, мы не можем предсказать ее совершенно точно, а должны ограничиваться лишь примерной оценкой будущей погоды.
Но возможно ли будет когда-нибудь так же математически точно предсказывать погоду, как астроном предсказывает затмение? Долгое время на этот вопрос отвечали отрицательно.
Задача считалась неразрешимой до 1941 года, до тех пор, пока советский ученый, лауреат Сталинской премии И. А. Кибель не дал своего оригинального решения этой задачи. Он предложил не принимать во внимание второстепенные особенности в состоянии атмосферы и учитывать только самые главные, самые крупные воздушные течения. Тогда, используя величины температуры и давления, взятые с синоптической карты, можно вычислить распределение температуры и давления на будущей синоптической карте. Применить практический метод Кибеля оказалось сравнительно просто, несмотря на всю его сложную математическую теорию. Но все же и этот способ вычисления будущей погоды, к сожалению, пока еще не гарантирует от ошибок. На пути создания математически точного метода предсказания погоды остается преодолеть еще много трудностей, но теперь уже есть уверенность, что эта задача может быть практически разрешена.