Изот Литинецкий - Изобретатель - природа

Совсем недавно во французском журнале "Нувель обсервер" было напечатано: "Прогнозы, составляемые Национальным метеорологическим управлением, вполне удовлетворительны на двадцать четыре часа вперед. В этом случае они правильно предсказывают погоду на восьмидесяти пяти процентах территории страны. Попытки же составлять прогнозы на три дня уже оказываются безуспешными, а если брать более продолжительные" сроки, то остается уповать на астрологию".

Заместитель заведующего отделом метеорологии во Французском научно-исследовательском центре профессор Пьер Морель так поясняет (на ниже описываемом опыте) причины, препятствующие созданию надежного долгосрочного прогноза погоды.

"Возьмите ведро, наполните его водой и придайте ему равномерное вращательное движение вокруг собственной оси, - пишет ученый. - Вода и ведро - жидкое и твердое тела - составят одно целое в движении, как и в состоянии покоя. Вода одинакова всюду внутри ведра, а ведро остается ведром во всех точках поверхности. Поэтому всегда можно знать, что происходит в ведре".

Причем же здесь метеорология?

Земля и атмосфера - это то же самое ведро с водой. Но с такими усложнениями, что весь процесс становится в конце концов длинной серией исключений из правил.

Твердое (ведро - это Земля) и газообразное (вода - атмосфера) тела прочно связаны друг с другом. Но вот первая помеха: Земля вращается не только вокруг своей оси, но и вокруг Солнца, являющегося единственным источником энергии. Эта энергия распределяется по земной поверхности неравномерно, вследствие чего на экваторе гораздо теплее, чем на полюсах. Горячий, легкий воздух поднимается из экваториальных областей и движется в направлении полюсов, в то время как плотные массы холодного полярного воздуха устремляются к экватору. Здесь и начинаются осложнения, ибо Земля - неоднородное тело: существуют океаны, горы, пустыни. Движение воздушных масс то замедляется, то ускоряется. Воздушные потоки сталкиваются, изменяют свой характер, охлаждаются либо нагреваются.

Но известно ли, где, когда и как эти воздушные массы, начавшие движение от полюсов и экватора, неожиданно остановятся и начнут свое "сумасшедшее" кружение? "Это похоже на шарики в воронке, - поясняет Морель. - Потрясешь, они проходят сквозь отверстие, а затем вдруг где-то как-то сталкиваются, и движение прекращается. Попробуйте узнать, почему..."

В конце концов итоговый, вполне определенный вид движения атмосферы должен установиться, но стабильным, устойчивым это течение является не более чем устойчив обруч, установленный на сфере. Малейшее возмущение - и колесо покатится, или, как образно выразился известный математик, взмах платка в принципе может привести в движение атмосферу всей планеты.

"...В самом деле, - говорит советский ученый, доктор географических наук В. Самойленко, - ведь если смотреть правде в глаза, то можно поразиться громадному количеству физических и географических факторов, в разных частях планеты оказывающих в той или иной степени влияние на атмосферные процессы. Поэтому в каждый данный момент имеется огромное число вариантов дальнейшего развития атмосферных процессов на Земле в целом. Их приходится учитывать даже при прогнозе погоды на ближайшие сутки. Но чем дальше отодвигается в будущее срок предсказания, тем больше становится число возможных вариантов, и, наконец, их оказывается так много, что состояние атмосферы, которое наступит через 10-15 дней, фактически уже становится не более чем делом-случая, который предсказать невозможно.

Да, прогнозирование погоды на большой срок - дело совсем не простое как из-за разнообразия способов перехода энергии в атмосфере из одних форм в другие, так и из-за влияния множества факторов планетарного характера. Тут, как говорится, ничего не поделаешь, процессы, происходящие в воздушном океане нашей планеты, подчиняются сложнейшим и пока практически неизвестным законам внутреннего развития, в результате чего то или иное воздействие на атмосферу довольно часто приводит к совершенно непредсказуемым изменениям погоды в каждой конкретной местности Земли. Кроме того, на погоду сейчас все в большей степени влияет совершенно новый фактор - глобальная деятельность человека. По глубокому убеждению видного американского ученого профессора Корнеллского университета Карла Сагана, "точные прогнозы погоды, особенно, скажем, на неделю вперед, - вещь пока неслыханная".

Но наука тем и сильна, что не терпит скепсиса, когда речь идет о решении жизненно важных для всего человечества глобальных проблем. По данным Всемирной метеорологической организации, сегодня более чем в 50 странах проводятся научные исследования и оперативная работа по долгосрочному - в пределах месяца или сезона - прогнозированию погоды. Объединяются усилия ученых на всех континентах, объединяются и науки, чтобы разгадать секреты "кухни" погоды, найти новые методы и средства для повышения оправдываемых прогнозов.

За последние 20-25 лет в различных странах мира учеными разработано много довольно сложных математических моделей для расчета будущего состояния погоды. В каждой из них в той или иной степени детализации учитываются все основные физические процессы и явления, протекающие в атмосфере, океане и почве. Для практического использования таких моделей в качестве прогностического инструмента необходимо знать текущее состояние атмосферы, океана и почвы, то есть иметь количественную, подробную информацию об их состоянии. И конечно же, нужно иметь достаточно мощное техническое средство для реализации моделей - быстродействующую электронно-вычислительную машину. Все эти три компонента - модель, информация и ЭВМ, именуемые прогностической системой, определяют качество прогнозов. Но каждый из перечисленных компонентов прогностической системы несовершенен.

Модель невозможно сделать абсолютно адекватной природе. В ней существуют различного рода аппроксимации (приближения) и параметризации, которые вносят в результаты расчетов "шум" и ошибки. "Компьютерные глобальные модели - это пока своего рода искусство, поскольку нам никогда не удается достичь того уровня, на котором происходят физические процессы", - говорит директор Европейского метеорологического центра Леннарт Бенгтссон. Начальная информация также содержит "шум", связанный с неполнотой данных наблюдений, их плотностью и точностью измерений. Таким образом, ошибки, содержащиеся в начальной информации и в самой модели, а также создаваемые ЭВМ за счет округлений при вычислениях, в процессе работы модели (во время прогноза) порождают новые ошибки, "шум". Этот "шум" из-за нелинейности уравнений модели со временем растет и через определенный момент времени (примерно через неделю) оказывается доминирующим над полезной информацией. Такое свойство модели породило отмеченный нами выше так называемый теоретический предел предсказуемости погоды не более чем на 7-10 дней.