Сувязь метэаралогіі з іншымі навукамі

Дыферэнцыяцыя дысцыпліны

Вывучаючы прыродныя сувязі, якія забяспечваюць функцыяніраванне кліматычнай сістэмы, метэаралогія і кліматалогія ў сваіх даследаваннях апіраецца на навуковыя вынікі шматлікіх прыродазнаўчых дысцыплін. У метэаралогіі асабліва шырока выкарыстоўваюцца законы фізікі, хіміі і асновы матэматыкі, такіх іх раздзелаў, як вучэнне аб цеплаце і оптыцы, аб электрамагнітных выпраменьваннях, цепла- і масаабмене, аб будове рэчыва, законы тэарэтычнай механікі, геаграфіі і астраноміі.

Паколькі атмасферныя працэсы залежаць ад працэсаў, якія адбываюцца ў літасферы і гідрасферы, то метэаралогія і кліматалогія цесна звязана з такімі навукамі, як геамарфалогія, тэктоніка, геафізіка, фізіка мора, акіяналогія, гідралогія, гляцыялогія і інш.

Развіццё метэаралогіі прывяло да вылучэння і фарміравання шэрагу самастойных навуковых дысцыплін. Выкрышталізаваліся наступныя з іх.

Фізіка атмасферы – вучэнне аб агульных заканамернасцях атмасферных з’яў і працэсаў. Яна даследуе сувязі паміж метэаралагічнымі элементамі і з’явамі пры дапамозе фізічных і матэматычных метадаў, выяўляючы колькасныя фізічныя заканамернасці атмасферы.

Фізіка атмасферы вывучае тэрмадынамічныя працэсы ў атмасферы, хімічны і калоідны склад паветра, працэсы кандэнсацыі і сублімацыі вадзяной пары, утварэнне воблакаў, туманаў і ападкаў, радыяцыйныя, аптычныя, электрычныя, акустычныя з’явы ў атмасферы.

Аэралогія – вучэнне аб метадах даследаванняў свабоднай атмасферы. Сярод гэтых метадаў інтэнсіўнае развіццё атрымалі дыстанцыйныя метады, якія ўяўляюць наземныя і касмічныя вымяральныя сістэмы, што ўжываюцца для назірання за атмасфернымі працэсамі на значнай адлегласці. У аснове развіцця дыстанцыйных метадаў ляжаць навуковыя дасягненні радыёметэаралогіі, прадметам вывучэння якой, з аднаго боку, з’яўляецца ўплыў атмасферы і метэаралагічных умоў на распаўсюджванне электрамагнітных хваляў, а з другога – выкарыстанне электрамагнітных хваляў для даследавання атмасферы і вызначэння яе стану на розных вышынях.

У радыёметэаралогіі выкрышталізавалася дыстанцыйная спектраскапія, якая з’яўляецца асновай ўкаранення звышадчувальных лазерных спектрометраў. Дыстанцыйныя вымяральныя сістэмы ў аўтаматычным рэжыме фіксуюць метэаралагічныя элементы. Гэтыя сістэмы пабудаваны на прынцыпе пераўтварэння вымяраемых велічынь метэаралагічных элементаў у закадзіраваныя электрычныя імпульсы, якія перадаюцца ў эфір пры дапамозе радыёперадатчыка, а потым улоўліваюцца прыёмнымі прыладамі.

Спадарожнікавая метэаралогія ў якасці тэхнічнага дыстанцыйнага сродка даследуе атмасферныя і гідрасферныя працэсы ў глабальным маштабе. Даследаванні праводзяцца пры дапамозе штучных спадарожнікаў, абсталяваных дыстанцыйнымі радыёметрычнымі прыборамі, выведзенымі на палярную, ці геастацыянарную арбіты. Галоўнай задачай спадарожнікавай метэаралогіі з’яўляецца атрыманне інфармацыі аб фізічным стане атмасферы і гідрасферы і выкарыстанне гэтай інфармацыі для аналіза атмасферных працэсаў, прагноза надвор’я і вывучэння клімату.

Атмасферныя працэсы на ўсім працягу паветранай абалонкі ўзаемазвязаныя і працякаюць узгоднена. Вучэнне аб фізічных і хімічных працэсах у высокіх слаях атмасферы, якія ўплываюць на стан ніжняй атмасферы, атрымала назву аэранамія (фізіка верхняй атмасферы). У верхняй атмасферы назіраецца паглынанне ўльтрафіялетавай і карпускулярнай сонечнай радыяцыі, якая выклікае іонізацыю паветра і надае яму ўласцівасці электраправоднасці, што вызначае ўмовы распаўсюджвання радыёхваляў.

Метэаралогія найбольш цесна звязана з гідралогіяй – навукай аб фізічных з’явах і працэсах, што працякаюць у гідрасферы. Гэта сувязь паміж атмасферай і гідрасферай ажыццяўляецца бесперапынным абменам энергіяй, рэчывам, рухам і інфармацыяй. З боку акіяна атмасфера атрымлівае цяпло і вадзяную пару, а акіяну перадае кінетычную энергію руху. Фізічныя працэсы ўзаемадзеяння атмасферы і гідрасферы вывучае гідраметэаралогія.

Метэаралогія аэразолі даследуе фізічныя і статыстычныя характарыстыкі аэразольнага кампанента атмасферы, а таксама распаўсюджванне аэразолі прыроднага і антрапагеннага паходжання ў розных пагодна-кліматычных умовах.

Сінаптычная метэаралогія вывучае заканамернасці размеркавання і змяненні надвор’я на вялікіх плошчах (кантынентах, паўшар’ях) з мэтаю яго прадказання. У аснове гэтай дысцыпліны ляжыць сінаптычны метад, які заключаецца ў аналізе атмасферных працэсаў пры дапамозе сінаптычных карт, або карт надвор’я. Сінаптычныя карты ўяўляюць сабою геаграфічную аснову, на якую нанесены дадзеныя метэаралагічных элементаў, атрыманыя на шырокай сетцы метэастанцый агляднай тэрыторыі ў тэрмін назірання.

Сінаптычны метад дапаўняецца вылічальным (гідрадынамічным) метадам прадказання метэаралагічных палей шляхам вырашэння ўраўненняў атмасфернай гідратэрмадынамікі на электронна-вылічальных машынах.

Дынамічная метэаралогія. Паводле вызначэння С.П. Хромава пад ёй разумеецца метэаралагічная дысцыпліна, задачай якой з’яўляецца вывучэнне рухаў атмасферы і звязаных з імі пераўтварэнні энергіі ў атмасферы шляхам рашэння ўраўненняў гідрадынамікі і тэрмадынамікі, выкарыстоўваючы тэорыю турбулентнасці, радыяцыйных працэсаў і інш. Асноўнай задачай дынамічнай метэаралогіі з’яўляецца распрацоўка метадаў лікавага прагноза атмасферных працэсаў.

Эканамічная метэаралогія – новы навуковы напрамак, які вывучае метады выкарыстання метэаралагічнай інфармацыі для ўстойлівага развіцця прыроды, эканомікі і грамадства. Эканамічная метэаралогія даследуе эфектыўнасць выкарыстання метэаралагічнай інфармацыі ў розных галінах гаспадарчай дзейнасці, а таксама эканамічную рызыку праяўлення неспрыяльных з’яў надвор’я. Крыніцай неабходнай інфрмацыі для эканамічнага аналіза пэўнай тэрыторыі з’яўляецца гідраметэаслужба, галоўная задача якой – забеспячэнне прагнозамі надвор’я.

Без метэаралагічнага забеспячэння (прагнозы, інфармацыя) не можа эфектыўна развівацца ні адна галіна народнай гаспадаркі. Для задавальнення патрэбы народна-гаспадарчага комплексу ў межах агульнай метэаралогіі ўзнік шэраг прыкладных дысцыплін, такіх, як аграметэаралогія, авіяцыйная, марская, лясная, ядзерная, ваенная, будаўнічая, медыцынская метэаралогія і інш.

 

1.9. Асноўныя этапы гісторыі метэаралогіі і кліматалогіі

Чалавецтва здаўна цікавілася пытаннямі клімату, таму што з кліматам былі звязаны ўмовы яго існавання. Першыя звесткі аб назіранні і вывучэнні атмасферных з’яў зафіксаваны ў старажытных летапісах Кітая, Індыі, Егіпта, Грэцыі, Рыма і іншых краінах высокаразвітай старажытнай культуры. Многа звестак аб надвор’і знаходзіцца і ў беларускіх летапісах.

З летапісаў вядома, што ў старажытнам Егіпце яшчэ да IV ст. да н.э. меліся дажджамеры. Першая ў свеце кніга аб атмасферных з’явах пад назвай “ Метэаралогіка” была напісана вядомым грэчаскім вучоным Арыстоцелем у IV ст. да н.э. Ужо ў яго працы даволі дакладна апісана ўтварэнне расы, інея і вясёлкі.

Аднак прынята лічыць, што метэаралогія як навука ўзнікла ў ХVІІ ст. і пачала развівацца з моманту вынаходніцтва асноўных метэаралагічных прыбораў – тэрмометра (Галілей, 1597 г.), ртутнага барометра (Тарычэлі, 1643 г.) і барометра-анероіда (Лейбніц, 1700 г.), дажджамера, флюгера і іншых, якія далі магчымасць праводзіць рэгулярныя інструментальныя назіранні за тэмпературай, ціскам, ападкамі, ветрам.

У 1657 г., дзякуючы вынаходніцтву прыбораў, былі праведзены першыя інструментальныя метэаралагічныя назіранні ў Італіі. У гэты ж час паявіліся пачатковыя тэарэтычныя меркаванні аб атмасферных працэсах. Так, Э. Галлей абаснаваў прычыны праяўлення мусоннай цыркуляцыі, а Э. Гадлей даў дастаткова правільныя тлумачэнні пасатнай цыркуляцыі (ячэйка Гадлея).

У другой палове ХVІІІ стагоддзя было арганізавана прыватнае Мангеймскае метэаралагічнае таварыства, якое стварыла ў Еўропе на дабрачыннай аснове сетку з 39 метэаралагічных станцый. Усе метэаралагічныя станцыі аснашчаліся аднатыпнымі прыборамі, а назіранні праводзіліся па адзінай методыцы, што стымулявала далейшае развіццё метэаралагічных даследаванняў.

У пачатку ХІХ стагоддзя Г.В. Брандэс у Германіі нанёс на геаграфічную карту назіранні Мангеймскай сеткі станцый. Такім чынам, была створана першая сінаптычная карта, якая дазволіла выяўляць носьбіты надвор’я – вобласці высокага і нізкага ціску, якія рухаліся пераважна з захаду на ўсход. Сінаптычны метад аналізу атмасферных працэсаў хутка набыў прызнанне ў многіх краінах Еўропы. На яго аснове пачала стварацца служба надвор’я і развівацца сінаптычная метэаралогія.

Важным стымулам у развіцці метэаралогіі ў ХІХ стагоддзі з’явілася адкрыццё шэрагу фізічных законаў (газавых, выпраменьвання, тэрмадынамікі, гідрастатыкі і гідрадынамікі). Гэтыя законы былі з поспехам выкарыстаны для тлумачэння шматлікіх атмасферных з’яў. На аснове гэтых законаў узніклі і пачалі развівацца такія самастойныя галіны метэаралогіі, як фізіка атмасферы і дынамічная метэаралогія. Дадатковы імпульс для развіцця атрымала сінаптычная метэаралогія.

Буйнейшы нямецкі прыродазнаўца А. Гумбальдт (1769 – 1859) вывучаў кліматалогію і фізічную геаграфію. Яму належыць заслуга ў даследаванні размеркавання клімату ў залежнасці ад геаграфічнай шыраты месца і вышыні над узроўнем мора. А. Гумбальдт распрацаваў метад адлюстравання на картах сярэдніх тэмператур пры дапамозе ізатэрм. Ён пабудаваў першую карту гадавых ізатэрм для ўсяго Зямнога шара. Стварэнне такой карты спрыяла ўвядзенню картаграфічнага метада ў кліматалогію, што дапамагала выяўляць асноўныя заканамернасці ў размеркаванні метэаралагічных элементаў на Зямлі.

У другой палове ХІХ ст. метэаралогія развівалася на аснове выкарыстання законаў гідрамеханікі і тэрмадынамікі. Вялікі ўклад ў развіццё дынамічнай метэаралогіі ўнеслі Карыоліс і Пуассон (Францыя), В. Феррэль (ЗША), Г. Гельмгольц (Германія), Г. Мон і К. Гульдберг (Нарвегія). Даследаванні клімату ў залежнасці ад геаграфічных фактараў яго фарміравання праведзены А.І. Ваейкавым (Расія), Ю. Ганнам (Аўстрыя), В. Кёппенам (Германія) і інш.

У ХХ стагоддзі метэаралогія развівалася ў рэчышчы дасягненняў у фізіцы, хіміі, матэматыцы і вылічальнай тэхніцы. У гэты час атрыманы новыя веды ў развіцці дынамічнай і сінаптычнай метэаралогіі. Гэтыя поспехі звязаны з працамі В. Бьёркнеса (Нарвегія), М. Маргулеса (Аўстрыя), К. Росбі (Швецыя). Пачалі ўкараняцца вылічальныя метады прагнозу (К. Росбі, Швецыя), Ж. Черні, Н. Філіпс, Дж. Смагарынскі (ЗША), а таксама распрацоўвацца методыка доўгатэрміновых прагнозаў надвор’я.

Аэралагічныя даследванні дазволілі зрабіць шэраг адкрыццяў, якія пашырылі ўяўленні аб будове атмасферы і яе газавым складзе. Так, у 1902 г. А. Тэйсеран де Бор (Францыя) адкрыў існаванне трапапаузы і стратасферы. Трохі пазней гэта адкрыццё падцвердзіў Р. Асман (Германія).

У другой палове ХХ стагоддзя шырокае ўжыванне для аэралагічных даследванняў знайшлі метэаралагічныя радыёлакатары. Пачалося актыўнае выкарыстанне ў кліматалогіі мадэлей агульнай цыркуляцыі атмасферы, а таксама сумешчаных мадэлей агульнай цыркуляцыі атмасферы і акіяна.

Пры дапамозе мадэлей агульнай цыркуляцыі праводзіцца разлік кліматычных сцэнарыяў, якія адрозніваюцца ад сучаснага клімату, але могуць узнікнуць у будучыні пры розных спалучэннях знешніх прыродных і антрапагенных фактараў. Мадэліраванне палеакліматаў дапамагае вывучаць кліматычныя ўмовы, якія ўжо існавалі на Зямлі ў геалагічным мінулым, што ў сваю чаргу дае магчымасць зразумець працэсы сучаснага клімату і яго змяненні ў будучыні з улікам уздзеяння прыродных і антрапагенных фактараў.

Запуск у красавіку 1960 г. першага метэаралагічнага спадарожніка заклаў аснову для развіцця спадарожнікавай метэаралогіі і кліматалогіі. З гэтага моманту пачаліся рэгулярныя вымярэнні радыяцыйнага балансу Зямлі і яго складаючых, а таксама з’явілася магчымасць сачыць за вялікай колькасцю элементаў і велічынь, якія характарызуюць не толькі клімат сам па сабе, але і разнастайныя ўласцівасці атмасферы, акіяна, сушы, снегавога і ледзянога покрыва, а таксама паследства дзейнасці чалавека ў іх сістэмным узаемадзеянні.

1.9.1. Даследаванні метэаралогіі і кліматалогіі ў Расіі і СССР

Рэгулярныя метэаралагічныя назіранні ў Расіі пачаліся па ўказанню Пятра І ў сувязі з адкрыццём у Пецярбургу ў 1725 г. Акадэміі навук. Каштоўны ўклад у развіццё метэаралогіі ўнёс геніяльны рускі вучоны М.В. Ламаносаў (1711 – 1765), які ў сваіх працах выказаў важныя меркаванні аб прычынах вертыкальнага і гарызантальнага руху паветра, аб узнікненні атмасфернай электрычнасці, аб будове атмасферы і тэмпературных змяненнях з вышынёй. М.В. Ламаносаў лічыў адной з галоўных задач метэаралогіі — прадказанне надвор’я.

М.В. Ламаносаў таксама з’яўляецца вынаходнікам шэрагу метэаралагічных прыбораў – анемометра для вымярэння хуткасці ветру, марскога барометра і інш. Акрамя таго, М.В. Ламаносаў выказаў думку аб магчымасці стварэння самапісных прыбораў для рэгістрацыі атмасферных з’яў, аб неабходнасці арганізацыі пастаянна дзеючай сеткі метэаралагічных станцый на агульнай метадычнай аснове.

Важныя вынікі метэаралагічных даследваняў ў Расіі звязаны з дзейнасцю Галоўнай фізічнай (зараз геафізічнай) абсерваторы і (1849) і Рускага геаграфічнага таварыства (1845). Асабліва сваю актыўную дзейнасць праявіла фізічная абсерваторыя пад кіраўніцтвам Г.І. Вільда. Да гэтай пары захаваліся прыборы, якія ён сам сканструяваў: флюгер Вільда, выпаральнік і інш. Г.І. Вільд арганізаваў дакладную работу ўсёй метэаралагічнай сеткі станцый, былі распрацаваны метадычныя ўказанні, праводзіўся крытычны аналіз назіранняў. Сумесна з Г.І. Вільдам працаваў М.А. Рыкачоў, які ўзначальваў першы ў Расіі аддзел прадказання надвор’я.

У складзе Рускага геаграфічнага таварыства быў аддзел метэаралогіі, якім кіраваў вядомы кліматолаг і географ А.І. Ваейкаў (1842 – 1916). Ён вывучаў кліматычнае значэнне снегавога покрыва, а таксама атмасферную цыркуляцыю, і першы паказаў існаванне мусоннай цыркуляцыі ва ўмераных шыротах Усходняй Азіі. Выкананыя фундаментальныя даследванні А.І. Ваейкаў выклаў у сваёй выдатнай навуковай працы “Кліматы Зямнога шара, у асаблівасці Расіі” (1884), якая мае пазнавальнае значэнне і ў нашы дні. Асаблівую ўвагу А.І. Ваейкаў удзеляў фізічным заканамернасцям фарміравання клімату. Ён указаў на неабходнасць вывучэння цеплавога балансу атмасферы і сістэмы зямная паверхня – атмасфера, а таксама мікраклімату, улік якога неабходны ў сельскай гаспадарцы. Акрамя таго, А.І. Ваейкаў устанавіў сувязь паміж Азорскім і Азіяцкім антыцыклонамі ў зімовы перыяд і назваў яе вялікай воссю мацерыка Еўразія. Ў яго гонар гэту вось назвалі воссю Ваейкава.

У ХХ стагоддзі метэаралогія развівалася ў рэчышчы дасягненняў навукі. Павялічылася сетка метэастанцый, палепшылася іх тэхнічнае аснашчэнне. У 1930 г. савецкі кліматолаг П.А. Малчанаў стварыў радыёзонд для вывучэння высокіх слаёў атмасферы. Гэтае вынаходніцтва заклала асновы аэралогіі ў СССР, што істотна павысіла дакладнасць прагнозаў надвор’я. У гэты час развівалася таксама дынамічная метэаралогія (Хромаў, Драздоў, Алісаў і інш.). Дзякуючы развіваццю выдавецкай дзейнасці, былі выдадзены кліматычныя даведнікі, атласы і манаграфіі, надрукавана серыя прац “Клімат СССР”.

Значных поспехаў дасягнула сельскагаспадарчая кліматалогія (Селянінаў, Каласкоў, Сапожнікава, Гольцберг, Шульгін, Кайгарадаў, Шкляр). Упершыню былі даследаваны ўсе кампаненты цеплавога балансу Зямлі (Будыка). Інтэнсіўна вывучаліся вільгацезварот (Пагасян, Будыка, Драздоў), цыркуляцыя атмасферы, узаемадзеянне атмасферы і акіяну (Шулейкін), цэнтры дзеяння атмасферы (Блінова), істотна ўдасканалены метады кліматычнай апрацоўкі дадзеных (Рубінштэйн, Драздоў).

Дзякуючы работам С.П. Хромава, Х.П. Пагасяна, Г.Я. Вангенгейма, А.А. Гірса, А.Л. Каца і Н.А. Багрова хутка шагнула наперад сінаптычная метэаралогія. Развіццё фізікі і матэматыкі, а таксама вылічальнай тэхнікі прывяло да ўзнікнення колькасных метадаў прагнозу надвор’я (Марчук, Абухаў, Юдзін і інш.). Пачалі распрацоўвацца доўгатэрміновыя прагнозы, а таксама метады актыўных уздзеянняў на воблакі і ападкі.

Магутным тэхнічным сродкам вывучэння атмасферы ў СССР з’явіліся штучныя спадарожнікі Зямлі, што дазволіла вымяраць патокі сонечнай радыяцыі ў сістэме Зямля – атмасфера. Выкарыстанне спадарожнікавай інфармацыі забяспечыла больш дакладнае распазнаванне сінаптычных аб’ектаў – цыклонаў і антыцыклонаў, тыпаў паветраных мас і франтоў (Кандрацьеў, 1984, Герман, 1985).

У савецкі перыяд атрымалі развіццё радыёлакацыйныя метады даследвання атмасферы. Выкананы фундаментальныя работы па вывучэнню ўзаемадзеяння сістэмы атмасфера – суша – акіян.

Праблема барацьбы з забруджваннем геаграфічнай абалонкі патрабавала дадатковай інфармацыі аб уласцівасцях і паводзінах атмасферы пад уздзеяннем прыродных і антрапагенных фактараў. На цяперашні час інтэнсіўна развіваецца такі напрамак даследванняў у метэаралогіі, як уздзеянне антрапагенных фактараў на сучасны клімат, а таксама вывучаецца ўплыў змяненняў клімату на розныя галіны народнагаспадарчага комплексу, уключаючы пытанні адаптацыі гаспадаркі да новых антрапагенізаваных кліматычных умоў (Будыка. 1980, 1984, Барысенкаў, 1982, 1983, Берлянд, 1985, Логінаў, 1992, 2002).