Астрономію часто плутають з астрологією. Хоча насправді у неї набагато більше спільного з метеорологією. Більшу частину історії людства це була одна галузь знань. Та й зараз провести між ними межу не так просто.
Як називається наука про небесні явища?
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.
І найчастіше згадують вкрай негативно. Адже що може зіпсувати настрій сильніше, ніж дощ, який обіцяють на завтра? Тільки ситуація, коли дощ стається попри те, що метеорологи обіцяли сонце. Дивно, що астрологам, тим, хто присвятив себе іншій галузі знань, з якою часто плутають астрономію, таких претензій не висувають. Хоча прогнози метеорологів збуваються все ж частіше.
Власне, метеорологія та астрономія остаточно стали окремими галузями наукового пізнання відносно нещодавно — лише кілька століть тому. А до того їхні стосунки були значно складнішими через те, що сучасне визначення, що перша займається явищами у земній атмосфері, а друга — тим, що відбувається за її межами, просто не мало сенсу, бо ані про склад газової оболонки нашої планети, ані про те, що Земля — це лише одна з планет, люди не мали жодного уявлення.
Твір Арістотеля «Метеорологіка», написаний у IV столітті до н.е., однаково докладно описує зорі та хмари, дощ та падіння метеорів. Грецьке μετεωρο — це і є «небесна подія», тобто все, що відбувається на небі.
Як метеорологія стала окремою наукою?
І насправді якогось чіткого розділення астрономії та метеорології дуже довго не було. Варто згадати, що ще на початку XVII століття деякі астрономи продовжували стверджувати, що комета — це явище, яке відбувається у верхніх шарах атмосфери Землі. І тільки завдяки Тихо Браге світ дізнався, що вони рухаються, перетинаючи 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 подарувало науковцям три з чотирьох нині використовуваних шкал температури. У 1714-му свій варіант запропонував Габріель Фаренгейт, у 1730-му — Андре Реомюр, а у 1742-му — Андреас Цельсій. У тому ж столітті стало зрозуміло, що атмосфера є сумішшю кількох газів, переважно кисню та азоту.
Завдяки усім цим дослідженням стало можливим хоча б загалом наблизитися до розуміння явища, з яким людство було знайоме протягом усього свого існування, але навіть і близько не розуміло, — погоди.
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 дослідники кінця XVIII століття, які вже розуміли, що дощ — це вода, яка випадає з хмар, утворених унаслідок випаровування, а самі хмари переміщує вітер, спричинений перепадами тиску, не змогли поєднати ці знання в цілісну картину погоди на нашій планеті, здатну відповісти на запитання, чи піде 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.
Як метеорологи передбачають погоду
Ідея про те, що в основі наукового прогнозування погоди має лежати мережа спостережних станцій, які фіксують основні параметри атмосфери, з’явилася ще наприкінці XVII століття. Вона ґрунтується на доволі простому принципі: ніщо не виникає нізвідки, і всі атмосферні маси разом із хмарами, перш ніж спричинити бурю чи зливу, раніше перебували десь в іншому місці й в іншому стані.
Проте аж до середини XIX століття усі мережі метеорологічних станцій були вкрай нечисельними й, фактично, експериментальними. Якусь інформацію вони збирали, проте навіть загальну картину погоди в Європі не фіксували. Що вже казати про повітряні маси, що надходили з Азії, Африки чи Арктики.
При цьому моделі клімату також перебували в зародковому стані. Але для найпростішого передбачення вистачало і цього. Просто ретельно збирати показники температури й вологості на певній території вже виявилося достатньо для того, аби виявити певні найголовніші закономірності. Повної картини вони не дадуть, але у певних випадках даватимуть середньострокові прогнози краще, ніж народні прикмети.
Справедливість цих тверджень була продемонстрована ще 1854 року. Тоді під час Кримської війни несподіваний ураган на Чорному морі розбив 60 англійських та французьких кораблів. Проте, як довів невдовзі директор Паризької обсерваторії Урбан Левер’є (між іншим, той самий астроном, який відкрив Уран), він був не таким вже й несподіваним. Метеорологічні спостереження, здійснені у регіоні ще за кілька днів до того, однозначно вказували на його зародження. Тож часу вивести кораблі з небезпечної зони вистачило б, якби попередження вчасно було передане.
Аби довести свою правоту, Левер’є на основі нових даних зробив перший в історії прогноз погоди на наступні кілька днів, який згодом підтвердився. І це переконало французького імператора Наполеона ІІІ створити метеорологічну службу. Невдовзі вона з’явилася і в інших країнах.
Певний час здавалося, що проблема лише в малій кількості даних. Протягом ХІХ–ХХ століть мережа метеорологічних станцій по всьому світу росла. Загалом картографували всі основні повітряні потоки над Землею, і стало зрозуміло, що вони являють собою єдиний комплекс з океанськими течіями. Погода на нашій планеті була справді комплексним явищем.
Усе це було настільки складним, що описати словами всю картину здавалося неможливим. Однак мовою формул — цілком. У середині ХХ століття почала стрімко розвиватися обчислювальна техніка, і здавалося: щойно буде зібрано достатньо даних і побудовано всі графіки, абсолютно точні прогнози погоди одразу стануть реальністю.
Теорія хаосу
І саме тут метеорологія, розвиток якої й без того спирався на численні досягнення інших наук, підкинула вченим нову загадку. На основі великих масивів даних вони створили кілька моделей поведінки атмосфери. По суті, це були системи рівнянь: підставляючи нові параметри, можна було без зусиль отримувати прогнози.
Проте наскільки б правильними зі статистичного погляду не були ці моделі, почасти траплялися випадки, коли погода поводилась так, ніби в якийсь момент починали самі собою працювати інші рівняння.
Погода кидала виклик самій мові, якою говорять усі науки, — математиці. Там вже розробили теорію, настільки божевільну, що в неї, з погляду шкільної фізики та математики, важко повірити.
Зветься вона теорією хаосу і стверджує, що існують такі системи, в яких закономірності руху складових залежать не тільки від кількості точок, параметри яких ти визначив, а й від того, наскільки точно ти ці параметри визначив. І саме такою є атмосфера нашої планети.
Саме тому перевірений в інших галузях спосіб узяти велику, але обмежену кількість даних і побудувати на їхній основі усереднені закономірності, в метеорології до кінця не діє. Це було неприємною новиною для метеорологів, але вони вже звикли, що об’єкт їхнього дослідження значно складніший, ніж здається. Та й математичний апарат для опису хаотичних систем невдовзі з’явився. Однак водночас стало зрозуміло, що сама атмосфера нашої планети влаштована так, що на абсолютно точні й правдиві прогнози погоди розраховувати не доводиться.
Сучасні метеорологія й астрономія
Хоча дві науки про небо ніби як і існують окремо одна від одної, насправді повністю розділитися вони так і не змогли. Найперше, що спадає на думку щодо цього — метеори. Небесні камені, безумовно, є астрономічними тілами. Проте коли вони стикаються з нашою планетою, то породжують атмосферне явище, яке і називається метеором. Проте вивчають його переважно все ж астрономи.
Є й інший приклад, значно цікавіший — полярні сяйва. По суті, вони є просто світінням газу в зовнішніх шарах атмосфери нашої планети. Чисто метеорологічне явище. Проте енергію для цього дають спалахи на Сонці. А це вже — астрономія. До того ж вони породжують магнітні бурі, а це вже — геофізика, вже третя наука.
Взагалі метеорологія ніколи далеко не відривалася від космосу. Адже на її сучасному етапі неможливо уявити без супутників. Космічні апарати, призначені для спостереження за газовою оболонкою нашої планети, були серед перших, які були виведені на орбіту. Наприклад, зараз одним із головних операторів апаратів в США лишається NOAA — Національне управління з дослідження атмосфери та океану, яке, по суті своїй, є метеорологічною організацією.
Проте й астрономія без метеорології існувати не може. Навіть у нашій Сонячній системі вистачає об’єктів, що мають власні атмосфери. Що вже говорити про тисячі екзопланет, чимало з яких можуть виявитися схожими на Землю.
Майже всі теорії щодо цього побудовані на основі тих даних і моделей, які метеорологи будували, щоб передбачити поведінку атмосфери нашої власної планети. Без них астрономи просто не знали б що робити. І, скоріш за все, у майбутньому роль метеорологічних досліджень у цій галузі буде тільки зростати.
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.
