Інша наука про небесні явища: чому метеорологія тісно пов'язана з астрономією?

Астрономія часто відрізняється від астрології в уявленні людей. Насправді ж вона має більше спільного з метеорологією. Протягом більшої частини історії людства ці дві дисципліни вважалися єдиним полем знань. І до сьогодні провести чітку межу між ними досить складно.

23 березня у всьому світі відзначають Всесвітній день науки про небо. І ні, йдеться не про астрономію. Інша наука про небо -- це метеорологія, а вчених, які працюють у цій галузі, пересічні громадяни згадують значно частіше, ніж тих, хто досліджує зорі й планети.

Зазвичай про це говорять вкрай негативно. Адже що може більше зіпсувати настрій, ніж прогнозований дощ на завтра? Лише ситуація, коли замість обіцяного сонця раптово починає йти дощ. Дивно, але до астрологів, які займаються зовсім іншою сферою знань, часто плутаючи її з астрономією, ніхто не висуває подібних звинувачень. Хоча прогнози синоптиків все ж здійснюються частіше.

Фактично, розмежування між метеорологією та астрономією як окремими науковими дисциплінами відбулося відносно недавно, всього кілька століть тому. Раніше їх зв'язок був набагато більш складним, оскільки сучасні уявлення про те, що метеорологія вивчає явища в атмосфері Землі, а астрономія — події поза її межами, не мали під собою ґрунту. Люди того часу не мали уявлення ані про склад газового оточення нашої планети, ані про те, що Земля є лише однією з багатьох планет.

Твір Арістотеля під назвою "Метеорологіка", створений у IV столітті до нашої ери, детально аналізує як зорі, так і хмари, а також явища, пов’язані з дощем і падінням метеорів. Грецьке слово μετεωρο перекладається як "небесна подія", охоплюючи всі явища, що відбуваються у небесному просторі.

Довгий час між астрономією та метеорологією не існувало чіткого розмежування. На початку XVII століття деякі астрономи все ще наполягали на тому, що комети є атмосферними явищами, які відбуваються в верхніх шарах Землі. Лише завдяки відкриттям Тихо Браге людство отримало знання про те, що комети рухаються, проходячи через орбіти планет.

Відтоді й починається шлях метеорології як окремої галузі знань. Причому почалося все з окремих прикладних досліджень. Якщо вже бути зовсім точним, то анемоментр, прилад для визначення швидкості та сили вітру, був винайдений ще 1450 року. У 1607-му Галілео Галілей (який зазвичай згадується як астроном) сконструював перший термометр, який, по суті, ще навіть не мав шкали, але вже реагував на зміну температури повітря. У 1642-му Еванжеліста Торрічеллі винайшов барометр. Приблизно в той же час Йоган Кеплер досліджував сніжинки.

XVIII століття стало знаковим для науки, адже в цей період були розроблені три з чотирьох сучасних температурних шкал. У 1714 році Габріель Фаренгейт представив свою версію, за ним у 1730 році йшов Андре Реомюр, а в 1742 році свою шкалу впровадив Андреас Цельсій. Крім того, цього ж століття відбулося усвідомлення того, що атмосфера складається з кількох газів, серед яких домінують кисень та азот.

Завдяки проведеним дослідженням вдалося хоча б частково осягнути природу явища, яке супроводжувало людство протягом усієї його історії, але залишалося загадкою, -- погоду.

Погоду можна було передбачити на рівні "зимою буде сніг та хуртовини" та "на обрії чорна хмара, за пів години буде дощ", але хоч трохи точні прогнози на пару днів наперед на основі фізичних величин лишалися настільки ж науковою ідеєю, як і визначення, чи буде на наступному тижні дощ за тим, чи можна на Місяць-молодик подумки повісити цеберко.

Навіть вчені XVIII століття, які вже усвідомлювали, що дощ є водою, що випадає з хмар, які, у свою чергу, виникають через випаровування, а вітер, що їх переносить, викликаний коливаннями тиску, не змогли з'єднати ці знання в єдину модель погоди на Землі, здатну дати відповідь на питання, чи буде завтра дощ.

Для цього була потрібна розвинута мережа спостереження за погодою та кілька фізичних моделей, які описують поведінку газів в атмосфері нашої планети одразу на кількох рівнях.

Ідея, що наукове прогнозування погоди повинно базуватися на мережі спостережних станцій, які реєструють ключові атмосферні параметри, виникла ще в кінці XVII століття. Ця концепція спирається на простий, але ефективний принцип: нічого не виникає без причини, і всі атмосферні маси, разом із хмарами, які можуть викликати бурі або зливи, раніше перебували в інших місцях і в інших умовах.

Однак до середини XIX століття всі мережі метеорологічних станцій були надзвичайно обмеженими і, по суті, носили експериментальний характер. Хоча вони збирали певну інформацію, загальна картина погодних умов в Європі залишалася незадокументованою. І вже й не варто згадувати про повітряні маси, що поступали з Азії, Африки чи Арктики.

В той час моделі клімату були ще на початковому етапі розвитку. Проте для здійснення найелементарніших прогнозів цього було більш ніж достатньо. Просто акуратно збираючи дані про температуру та вологість на визначеній території, можна було виявити ключові закономірності. Хоча вони не надають повного уявлення про ситуацію, в деяких випадках їх результати можуть бути більш точними для середньострокових прогнозів, ніж традиційні народні прикмети.

Справедливість цих висловлювань була підтверджена ще в 1854 році. Під час Кримської війни на Чорному морі раптово розігрався ураган, який потопив 60 кораблів англійського та французького флоту. Однак, як невдовзі з'ясував директор Паризької обсерваторії Урбан Левер'є (той самий астроном, який відкрив Уран), це явище не було таким уже й несподіваним. Метеорологічні спостереження, проведені в цьому регіоні всього за кілька днів до катастрофи, чітко свідчили про можливість його виникнення. Отже, часу для евакуації суден з небезпечної зони було б цілком достатньо, якби сигнал про небезпеку був надісланий вчасно.

Щоб підтвердити свою теорію, Левер'є використав нові дані для складання першого в історії прогнозу погоди на найближчі кілька днів, який згодом справдився. Це переконало імператора Франції Наполеона ІІІ в необхідності створення метеорологічної служби. Незабаром подібні служби були засновані і в інших країнах.

Деякий час здавалося, що основною перешкодою є лише недостатня кількість даних. Упродовж ХІХ та ХХ століть мережа метеорологічних станцій по всьому світу значно розширилася. В результаті було змодельовано всі основні повітряні течії, що існують над Землею, і виявилось, що вони формують єдиний комплекс разом з океанськими течіями. Погода на нашій планеті виявилася справді складним і багатогранним явищем.

Усе це було настільки заплутаним, що передати всю картину словами видавалося практично неможливим. Проте за допомогою формул це стало цілком можливим. У середині ХХ століття обчислювальні технології почали стрімко прогресувати, і здавалося, що варто лише зібрати достатню кількість даних та створити всі необхідні графіки, як абсолютно точні прогнози погоди стануть реальністю.

У цьому контексті метеорологія, яка вже давно використовує напрацювання інших наукових дисциплін, представила дослідникам новий виклик. Використовуючи великі обсяги даних, вчені розробили кілька моделей атмосферної поведінки. Насправді, це були набори рівнянь, що дозволяли легко отримувати прогнози шляхом підставляння нових параметрів.

Однак, незважаючи на те, наскільки статистично обґрунтованими виявлялися ці моделі, іноді спостерігалися ситуації, коли погода діяла так, наче в певний момент почали діяти зовсім інші рівняння.

Погода ставила під сумнів саму суть мов, якими спілкуються всі науки – математики. Вже існує така теорія, що вона виглядає настільки абсурдною, що її важко сприйняти з позицій шкільної фізики та математики.

Ця концепція відома як теорія хаосу, яка стверджує, що в певних системах закономірності руху їхніх складових залежать не лише від кількості заданих параметрів, а й від точності їх визначення. Саме такою є атмосфера Землі.

Саме тому метод, що успішно зарекомендував себе в інших сферах, а саме взяття великої, але обмеженої кількості даних для формування узагальнених закономірностей, не працює в метеорології до кінця. Це стало неприємним відкриттям для метеорологів, але вони вже звикли до того, що їхній об'єкт дослідження є набагато складнішим, ніж може здаватися. Незабаром з'явився і математичний апарат для опису хаотичних систем. Проте, в той же час стало очевидним, що атмосфера нашої планети влаштована так, що на абсолютно точні та достовірні прогнози погоди покладатися не можна.

Є ще один приклад, який викликає набагато більше зацікавлення — полярні сяйва. Насправді, це світіння газів у верхніх шарах атмосфери Землі. Це явище можна віднести до категорії метеорологічних явищ. Проте енергію для його виникнення постачають сонячні спалахи. А це вже стосується астрономії. Крім того, полярні сяйва також викликають магнітні бурі, що відносить нас до області геофізики — вже третій науковий напрям.

Метеорологія завжди була тісно пов'язана з космосом. На сучасному етапі існування цієї науки важко уявити її без використання супутникових технологій. Космічні апарати, які здійснюють спостереження за атмосферою Землі, стали одними з перших, що вийшли на орбіту. Наприклад, в США важливу роль у цій сфері відіграє NOAA — Національне управління з дослідження атмосфери та океану, яке фактично є метеорологічною інституцією.

Однак астрономія не може існувати без метеорології. У нашій Сонячній системі є багато об'єктів, які мають власні атмосферні оболонки. Не варто забувати й про тисячі екзопланет, серед яких є чимало тих, що можуть нагадувати Землю.

Практично всі концепції, які стосуються цього питання, базуються на інформації та моделях, створених метеорологами для прогнозування атмосферних умов на нашій планеті. Без цих знань астрономи не мали б чіткого уявлення про подальші дії. Вірогідно, що в майбутньому значення метеорологічних досліджень у цій сфері лише збільшиться.

Метеорологія -- наука не точна. Але саме метеорологи знають справжню ціну точності. Бо в жодній іншій галузі знань можливість точних передбачень не давалася такою великою ціною. Але саме це робить її тим джерелом, до якого звертаються інші науковці, коли стикаються з чимось справді незрозумілим.