Астрономию часто путают с астрологией. Хотя на самом деле у нее гораздо больше общего с метеорологией. Большую часть истории человечества это была одна область знаний. Да и сейчас провести между ними границу не так-то просто.
Как называется наука о небесных явлениях?
23 марта во всем мире отмечают Всемирный день науки о небе. И нет, речь идет не об астрономии. Другая наука о небе — это метеорология, а об ученых, работающих в этой области, обычные люди вспоминают гораздо чаще, чем о тех, кто исследует звезды и планеты.
И чаще всего вспоминают крайне негативно. Ведь что может испортить настроение сильнее, чем дождь, который обещают на завтра? Только ситуация, когда дождь идет, несмотря на то, что метеорологи обещали солнце. Удивительно, что астрологам, тем, кто посвятил себя другой области знаний, с которой часто путают астрономию, таких претензий не выдвигают. Хотя прогнозы метеорологов сбываются все же чаще.
Собственно, метеорология и астрономия окончательно стали отдельными отраслями научного познания относительно недавно — всего лишь несколько веков назад. А до этого их взаимоотношения были гораздо более сложными, ведь современное определение, согласно которому первая занимается явлениями в земной атмосфере, а вторая — тем, что происходит за ее пределами, просто не имело смысла, поскольку ни о составе газовой оболочки нашей планеты, ни о том, что Земля — это лишь одна из планет, люди не имели ни малейшего представления.
Труд Аристотеля «Метеорология», написанный в IV веке до н. э., одинаково подробно описывает звезды и облака, дождь и падение метеоров. Греческое μετεωρο означает «небесное событие», то есть все, что происходит на небе.
Как метеорология стала отдельной наукой?
И действительно, какого-либо четкого разграничения между астрономией и метеорологией очень долго не было. Стоит упомянуть, что еще в начале XVII века некоторые астрономы продолжали утверждать, что комета — это явление, происходящее в верхних слоях атмосферы Земли. И только благодаря Тихо Браге мир узнал, что они движутся, пересекая орбиты планет.
С тех пор и начинается путь метеорологии как отдельной области знаний. Причем все началось с отдельных прикладных исследований. Если быть совсем точным, то анемометр, прибор для определения скорости и силы ветра, был изобретен еще в 1450 году. В 1607-м Галилео Галилей сконструировал первый термометр, который, по сути, еще даже не имел шкалы, но уже реагировал на изменение температуры воздуха. В 1642 году Эванджелиста Торричелли изобрел барометр. Примерно в то же время Иоганн Кеплер исследовал снежинки.
XVIII век подарил ученым три из четырех шкал температуры, используемых сегодня. В 1714 году свой вариант предложил Габриэль Фаренгейт, в 1730 году — Андре Реомюр, а в 1742 году — Андреас Цельсий. В том же веке стало ясно, что атмосфера представляет собой смесь нескольких газов, преимущественно кислорода и азота.
Благодаря всем этим исследованиям стало возможным хотя бы в целом приблизиться к пониманию явления, с которым человечество было знакомо на протяжении всего своего существования, но даже близко не понимало, — погоды.
Погоду можно было предсказать на уровне «зимой будет снег и метели» и «на горизонте черная туча, через полчаса пойдет дождь», но хоть немного точные прогнозы на пару дней вперед на основе физических величин оставались столь же научной идеей, как и определение, будет ли на следующей неделе дождь по тому, можно ли на молодую Луну мысленно повесить ведро.
Даже исследователи конца XVIII века, которые уже понимали, что дождь — это вода, выпадающая из облаков, образовавшихся в результате испарения, а сами облака перемещает ветер, вызванный перепадами давления, не смогли объединить эти знания в целостную картину погоды на нашей планете, способную ответить на вопрос, пойдет ли завтра дождь.
Для этого требовалась развитая сеть наблюдения за погодой и несколько физических моделей, описывающих поведение газов в атмосфере нашей планеты сразу на нескольких уровнях.
Как метеорологи предполагают погоду
Идея о том, что в основе научного прогнозирования погоды должна лежать сеть наблюдательных станций, фиксирующих основные параметры атмосферы, возникла ещё в конце XVII века. Она основана на довольно простом принципе: ничто не возникает из ниоткуда, и все атмосферные массы вместе с облаками, прежде чем вызвать бурю или ливень, ранее находились где-то в другом месте и в другом состоянии.
Однако вплоть до середины XIX века все сети метеорологических станций были крайне малочисленными и, по сути, экспериментальными. Они собирали некоторую информацию, но даже общей картины погоды в Европе не фиксировали. Не говоря уже о воздушных массах, поступавших из Азии, Африки или Арктики.
При этом климатические модели также находились в зачаточном состоянии. Но для самых простых прогнозов этого было достаточно. Просто тщательно собирать данные о температуре и влажности на определенной территории уже оказалось достаточно для того, чтобы выявить некоторые основные закономерности. Полной картины они не дадут, но в определенных случаях будут давать среднесрочные прогнозы лучше, чем народные приметы.
Правдивость этих утверждений была доказана еще в 1854 году. Тогда, во время Крымской войны, неожиданный ураган на Черном море разбил 60 английских и французских кораблей. Однако, как вскоре доказал директор Парижской обсерватории Урбан Леверье (кстати, тот самый астроном, который открыл Уран), он был не таким уж неожиданным. Метеорологические наблюдения, проведенные в регионе еще за несколько дней до этого, однозначно указывали на его зарождение. Поэтому времени, чтобы вывести корабли из опасной зоны, хватило бы, если бы предупреждение было передано вовремя.
Чтобы доказать свою правоту, Леверье на основе новых данных сделал первый в истории прогноз погоды на следующие несколько дней, который впоследствии подтвердился. И это убедило французского императора Наполеона ІІІ создать метеорологическую службу. Вскоре она появилась и в других странах.
Некоторое время казалось, что проблема заключается лишь в недостаточном количестве данных. В течение XIX–XX веков сеть метеорологических станций по всему миру расширялась. В целом были картографированы все основные воздушные потоки над Землей, и стало ясно, что они представляют собой единый комплекс с океаническими течениями. Погода на нашей планете была действительно комплексным явлением.
Все это было настолько сложным, что описать словами всю картину казалось невозможным. Однако с помощью формул — вполне возможно. В середине ХХ века начала стремительно развиваться вычислительная техника, и казалось: как только будет собрано достаточно данных и построены все графики, абсолютно точные прогнозы погоды сразу станут реальностью.
Теория хаоса
И именно здесь метеорология, развитие которой и без того опиралось на многочисленные достижения других наук, поставила перед учеными новую загадку. На основе обширных массивов данных они создали несколько моделей поведения атмосферы. По сути, это были системы уравнений: подставляя новые параметры, можно было без труда получать прогнозы.
Однако какими бы правильными со статистической точки зрения ни были эти модели, иногда случалось, что погода вела себя так, будто в какой-то момент начинали действовать другие уравнения.
Погода бросала вызов самому языку, на котором говорят все науки, — математике. Там уже разработали теорию, настолько безумную, что в нее, с точки зрения школьной физики и математики, трудно поверить.
Она называется теорией хаоса и утверждает, что существуют такие системы, где закономерности движения составляющих зависят не только от количества точек, параметры которых ты определил, но и от того, насколько точно ты определил эти параметры. И именно такова атмосфера нашей планеты.
Именно поэтому проверенный в других областях метод, заключающийся в том, чтобы взять большой, но ограниченный объем данных и построить на их основе усредненные закономерности, в метеорологии не работает до конца. Это стало неприятной новостью для метеорологов, но они уже привыкли к тому, что объект их исследования гораздо сложнее, чем кажется. Да и математический аппарат для описания хаотических систем вскоре появился. Однако в то же время стало ясно, что сама атмосфера нашей планеты устроена так, что на абсолютно точные и достоверные прогнозы погоды рассчитывать не приходится.
Современные метеорология и астрономия
Хотя две науки о небе, казалось бы, существуют отдельно друг от друга, на самом деле полностью разделиться они так и не смогли. Первое, что приходит на ум в связи с этим, — метеориты. Небесные камни, безусловно, являются астрономическими телами. Однако когда они сталкиваются с нашей планетой, то порождают атмосферное явление, которое и называется метеором. Тем не менее изучают его преимущественно все же астрономы.
Есть и другой пример, гораздо более интересный — полярные сияния. По сути, это просто свечение газа во внешних слоях атмосферы нашей планеты. Чисто метеорологическое явление. Однако энергию для этого дают вспышки на Солнце. А это уже — астрономия. К тому же они порождают магнитные бури, а это уже — геофизика, уже третья наука.
Вообще метеорология никогда не отрывалась от космоса. Ведь на современном этапе её развитие невозможно представить без спутников. Космические аппараты, предназначенные для наблюдения за газовой оболочкой нашей планеты, были среди первых, выведенных на орбиту. Например, сейчас одним из главных операторов аппаратов в США остается NOAA — Национальное управление по исследованию атмосферы и океана, которое, по сути своей, является метеорологической организацией.
Однако и астрономия без метеорологии существовать не может. Даже в нашей Солнечной системе хватает объектов, обладающих собственными атмосферами. Что уж говорить противоречия экзопланет, многие из которых могут оказаться похожими на Землю.
Почти все теории по этому вопросу основаны на данных и моделях, которые метеорологи создавали для прогнозирования поведения атмосферы нашей планеты. Без них астрономы просто не знали бы, что делать. И, скорее всего, в будущем роль метеорологических исследований в этой области будет только расти.
Метеорология — наука не точная. Но именно метеорологи знают подлинную цену точности. Ибо ни в одной другой области знаний возможность точных предсказаний не давалась такой большой ценой. Но именно это делает ее тем источником, к которому обращаются другие ученые, когда сталкиваются с чем-то действительно непонятным.
