В восприятии многих метеорология до сих пор остается на уровне танцев дождя с бубном, а работу ученых представляют примерно так: если камень белый – идет снег, если камень не видно – туман, камня нет – обновление данных. Однако сложная наука прогнозирования погоды – куда более древнее и тонкое искусство, нежели просто предсказание наобум. Благодаря успехам синоптиков сегодня узнать о грядущем ливне можно, просто листая ленту Twitter, а столетия назад пришлось бы как минимум принести богам на алтарь козла, чтобы случайной бурей не залило урожай. Так как же покорялась человеческому уму капризная погода и стоит ли задумываться о покупке жертвенного козла, чтобы увидеть снег этой зимой?
Замерзшие игуаны
Погода начала 2018-го не оставила равнодушными жителей всей Земли. На юге США игуаны впадают в оцепенение от холода, Канада жалуется на рекордные морозы, в Германии из берегов выходят реки и по улицам плавают лебеди, а в Беларуси распускаются цветы. Неспокойная зима действительно не похожа на «прошлые времена». Вспомнить хотя бы ледяной дом Анны Иоанновны: в 1740 году в центре Санкт-Петербурга между Адмиралтейством и Зимним дворцом по приказу российской императрицы был построен дом полностью изо льда. Кровать, табуреты, камин, дрова и даже работающая баня были сделаны из ледяных блоков. Погода задумке способствовала: температура зимой стойко держалась на отметке –30С. Возможно ли повторить этот проект сегодня? Да, но только не в Санкт-Петербурге. Нынешний климат в Европе совсем не похож на тот, что был 200 или даже 50 лет назад. Зимой 1814 года река Темза была намертво скована льдом, сейчас же такая картина скорее повергнет лондонцев в шок. Однако можно ли считать сегодняшние неспокойные зимы и дождливые летние месяцы глобальными аномалиями?
В конце I тысячелетия климат многих европейских стран был довольно теплым. Когда викинги Эрик Рыжий и Лейв Счастливый отправились в путешествие с берегов современной Норвегии, они наткнулись на остров, который с легкой руки окрестили Зеленой Страной – Гренландией. То есть страна, сегодня от края до края закрашенная на карте белым цветом, отличалась в то время вполне мягкой и теплой погодой. Да и жители окружающих государств тоже не мерзли: судя по историческим записям, в Англии до XIV века неплохо выращивали виноград.
В начале того столетия погода в Европе была совсем непредсказуемой, а неурожай был делом привычным. Однако в 1310-х годах западная часть континента пережила настоящую экологическую катастрофу. Четыре хмурых и дождливых лета вместе с необычайно жестокими морозными зимами привели к вымерзанию садов и гибели нескольких урожаев. Аномально высокий уровень осадков поразил почти всю Европу. Снег выпадал даже в северной части Италии. Шотландия и Германия лишились своих виноградников, Англия и Франция потеряли сады.
ХХ век хорошей погодой тоже не баловал: так, во времена Великой депрессии в котел всех бед пролилась еще одна. На прерии США и Канады обрушилась серия катастрофических пыльных бурь из-за сильной засухи и ошибок местных фермеров. Массовое бегство американцев из прерий стало самой крупной краткосрочной миграцией в истории (2,5 млн. человек покинули свои дома и бежали в города). Та же картина практически полностью повторилась через 30 лет и в СССР. Грустная серая слякоть на Рождество и Новый год – тоже далеко не новое изобретение небесной канцелярии. 3 января 1973 года Астрид Линдгрен писала из Стокгольма своей читательнице: «У вас погода такая же паршивая, как тут? Пара кило снежку сейчас совсем бы не помешала». Климатические скачки вообще не редкость для последних десятилетий, начиная с 60-х годов, причем частота их нарастает.
1967 – 1968 – суровая зима в СССР (до –31 градуса в Москве)
1972 – 1977 – суровые зимы в США
1970-е – мягкие зимы в Европе
1972 – засуха в Восточной Европе (после погибших урожаев СССР пришлось потратить около 486 т золота на закупку зерна за границей)
1976 – крайне дождливое лето в Восточной Европе
1968 – 1973 – страшная засуха в Сахеле (в тропической саванне между Сахарой и Суданом погибло более 200 тыс. человек, это одна из самых страшных климатических катастроф)
1976, 1979 – заморозки в Бразилии уничтожают кофейные плантации
1981 – 1982 – одна из самых холодных зим в США и Канаде (погибло 230 человек)
1982 – 1983 – Великая сушь Австралии (погибло 50% урожаев пшеницы, овса и ячменя)
1988 – засуха в Иллинойсе, США (ущерб на 60 млн. долларов).
Как видно, климат претерпевает какие-то изменения постоянно, и мощные скачки для планеты не в новинку. Многие ученые уверены: Земля в порядке, никаких сверхъестественных природных катаклизмов ждать не приходится, а волнения в народе – во многом результат переизбытка информационного шума и интернет-распрей. Сегодня планета почти полностью покрыта сетью метеостанцией. Узнать погоду проще простого: включить радио, посмотреть газету, зайти на сайт гидрометцентра. И хотя предсказание климата на весь XXI век все еще остается сюжетом футуристического сериала, уже сейчас можно говорить о том, что наука метеорология проделала колоссальный путь.
Синоптики с бубном
Закономерности изменения погоды волновали древних людей еще с момента появления первых ростков на древних грядках. Не зальет ли урожай, не высушит ли его солнце, не выпадет ли аномально ранний снег. Ответственность за управление природой возлагали на богов – Перуна, Юпитера, Зевса, а ответственность за общение с ними – на шаманов, вождей, жрецов. Индийская поэма «Махабхарата» описывает вторжение летнего муссона как разгул бога грозы и грома Индры: «Он покрыл тогда все небо громадами синих облаков. И те облака, сверкающие молниями, непрерывно и сильно грохоча, как бы браня друг друга, стали проливать воду в большом изобилии. И вследствии того, что чудесные облака постоянно изливали неизмеримые массы воды и страшно грохотали, небо словно разверзлось. От множества волн, от потоков воды небесный свод, оглашаемый раскатами грома, превратился точно в пляшущий эфир… И земля кругом наполнилась водой». Практически у всех народов первыми богами были боги солнца и луны, дождя и ветра, моря и молний. Как правило, в давние времена предсказание погоды было больше похоже на гадание, смешанное с местными суевериями, и точность таких прогнозов, мягко говоря, хромала. Первые письменные памятники держали проблески научной мысли в строгом подчинении религии. И только во время зарождения греческой античной науки Пифагор смог ограничить божественную роль в управлении миром, заявив, что «Бог всегда поступает по правилам геометрии».
Понятие метеорологии впервые появилось у Платона, но означало оно дискуссию о небесных явлениях. Древние греки вообще любили поспорить, и такая непостоянная вещь, как погода, была отличной темой для очередного собрания философов. В то время считалось, что все явления, которые происходят в небе, должна изучать одна наука. Так что к метеорологии древние ученые относили дождь, град, кометы, метеоры, полярное сияние, радугу и снег. Разве что звезды в эту компанию не попали, но только потому, что считались неподвижными и неизменными телами. Предтечей науки об атмосфере и природе стал трактат Аристотеля «Метеорологика», несмотря на то, что в нем было полно ошибок, характерных для того времени. Он же заложил и первый камень в фундамент метеорологии – идею о том, что погода тесно связана с направлением ветра.
Первой попыткой причесать и систематизировать наблюдения за климатом были парапегмы, которые появились на площадях греческих городов 2,5 тыс. лет назад. Это были высеченные из камня переставные календари-таблицы, которые, кроме прочего, описывали особенности погоды прошедших лет: когда была сильная гроза, когда плотный туман, как долго лил дождь. Создатели парапегм были уверены, что это может помочь предсказать погоду и в будущем. Правда, чести быть увековеченными в камне удостаивались только из ряда вон выходящие события. Например, записи в александрийской парапегме о дождливом лете, не свойственном климату этих мест, или заметки о туманах и сильных бурях в теплое время года.
Несмотря на то, что античная наука была полна неточностей и погрешностей с точки зрения современного человека, она активно развивалась и двигалась вперед, пока не уткнулась в стену раннего Средневековья: культ знаний вытеснили церковные догмы.
Уже в I – II веках н.э. античная наука начала чахнуть: бесправие рабов, бедность римского пролетариата, нищета провинций, упадок торговли и ремесел, бессилие всего рабовладельческого строя. Стимула для расцвета научной мысли в такой обстановке не было. А потому развитие науки, в том числе метеорологии, остановилось еще до падения Римской империи. Центр цивилизации и культуры перекочевал на восток, в арабские страны. Именно здесь в то время самое большое внимание уделялось математике, химии и астрономии. Однако сведений о прогрессе науки об атмосфере отрывочны и хаотичны. А в Европе Средние века и вовсе задвинули в тень наследие греко-римского мира. Наблюдения за явлениями природы, научные трактаты, работы Аристотеля – все это было забыто и похоронено под тяжестью схоластики. Священное писание взяло в оцепление умы ученых и обычных людей и в течение долгих столетий убеждало в том, что все явления природы – не что иное, как гнев или милость Господа. Научный метод систематического наблюдения и правильного толкования явлений природы был решительно отвергнут и забыт. Зато пышным цветом расцвело новое модное псевдоучение – астрометеорология. Специалисты в этой области уверяли, что предсказать погоду можно по движению планет среди звезд. Астрологи составляли прогнозы на целый год, иногда детализируя их вплоть до ежедневных напутствий. Господство синоптиков-звездочетов продолжалось очень долго, вплоть до начала XVII века.
А в то же самое время куда более полезными оказывались наблюдения обычных крестьян, которые просто хотели спасти свой урожай. Приметы, передававшиеся из поколения в поколение, нередко совмещали провинциальные суеверия с результатами долгого наблюдения и внимательного анализа явлений природы. Прогнозы основывались на возрасте и движении луны, особенностях, связанных с календарными датами или праздниками, поведении животных и птиц, а также на наблюдениях за самими явлениями природы (как часто идет дождь, опускается туман, насколько жарким будет лето при теплой зиме и т. д.).
Второе дыхание метеорология, как прочие науки, получила в эпоху великих открытий и изобретений. Крупнейшей жилой всего мирового организма в это время было мореплавание, а оно нуждалось в развитии оптики, астрономии, навигации, картографии, знании ветров и океанических течений. Первобытный человек, который всю свою жизнь жил на одном месте, считал, что установленный порядок смены климата неизменен и утвержден высшими силами. Путешествия убедили людей в том, что где-то солнце может светить совсем по-другому. Развитие торговли подталкивало к как можно более далеким поездкам и поиску новых морских путей. Открытие новых стран, кругосветные путешествия и доказательство шарообразности Земли – все это стало импульсом к настоящей научной революции в сфере метеорологии. Вмешательство божественной власти в природные явления признали невозможным, а наука вышла из-под гнета церкви. Появилось множество бесценных для метеорологии физических приборов: термометр, барометр, микроскоп, зрительная труба и другие. Все это заложило крепкий фундамент современной науки о погоде.
1 августа 1860 (в некоторых версиях – 1861) года в газете Times был опубликован первый прогноз погоды. Его автором был Роберт Фицрой, офицер Британского флота, а также глава Метеорологического департамента, созданного Торговым советом Английского королевского общества для оценки состояния морских путей. Пару лет спустя он издаст «Книгу о погоде»: «Мы живем в воздушном океане, все изменения погоды зависят от солнечного излучения. Нужно помнить, что состояние воздушного океана скорее говорит о будущей погоде, чем о погоде в настоящий момент». Однако, несмотря на всю пользу работы департамента Фицроя в целом, на его долю доставалось и немало критики. В своих отчетах он кажется рассудительным и спокойным и утверждает, что главные его оппоненты это «заинтересованные в денежной прибыли торговые компании и отдельные лица, которые предпочитают, чтобы рыбаки, не обращая внимания на предостережения, с риском для жизни продолжали заниматься своим опасным делом, лишь бы не платить за простой судна». Однако на деле он воспринимал всю критику довольно близко к сердцу. Через 5 лет после начала выхода первых прогнозов в прессе Роберт Фицрой покончил с собой, перерезав бритвой горло. Причиной тому было серьезное переутомление и стресс. Существует также и версия, что офицер решился на самоубийство из-за собственного неудачного прогноза. Впрочем, она не кажется слишком правдоподобной.
Со смартфоном против урагана
В сентябре 2017 года по социальным сетям разлетелся короткий видеоролик о том, как метеоролог едва не улетел, пытаясь измерить скорость ветра в эпицентре урагана «Ирма». Джастин Дрейк известен в США как охотник за бурями. И в этот раз он снова кинулся в гущу событий с измерительным прибором наперевес. Усилия Джастина не пропали даром: он смог провести замеры и благополучно вернулся в машину.
Хотя храбрость американского метеоролога и достойна баллады (или хотя бы поста в соцсетях), основную работу по постановке диагноза планете сегодня выполняют сверхмощные компьютеры и спутники. После обмена первичными метеоданными в глобальном масштабе суперкомпьютеры просчитывают прогноз для всего земного шара. Однако процесс это непростой. К примеру, чтобы точно спрогнозировать погоду для Беларуси на 3 дня вперед, нужно привлечь данные со всего Северного полушария. И обновлять расчеты лучше всего 2, а то и 4 раза в сутки. Стоимость такого детализированного прогноза получается заоблачной. Поэтому ведущие прогностические центры находятся в наиболее крупных развитых странах: Великобритании, Германии, США, Канаде.
Составление любого метеопрогноза начинается с нанесения на карту данных о погоде в разных местах. Но климат планеты зависит от огромного числа переменных: холодные и теплые морские течения, температура океанских вод, воздушные потоки, области высокого и низкого давления, запыленность воздуха, круговорот химических веществ. Все это непрерывно формирует и меняет погоду. То, что человек не сможет учесть и систематизировать такой объем факторов исключительно своей головой, поняли еще в 20-е годы математики Фридман и Ричардсон. Они пришли к выводу, что проанализировать все метеорологические данные можно, только если привлечь колоссальные вычислительные мощности. Ричардсон представлял будущее метеорологии в виде огромного амфитеатра, в котором трудятся 64 тыс. вычислителей (специалистов со счетами и логарифмическими таблицами), которые распределены по каждому региону и передают собранную информацию администраторам рангом выше.
«Представьте большой зал, похожий на зрительный зал театра, однако ложи бенуара и амфитеатр идут точно по кругу и занимают то место, где обычно расположена сцена. Стены этого зала расписаны таким образом, чтобы представлять поверхность земли. Потолок представляет Северный полюс, Великобритания на галерке, тропики в бельэтаже, Австралия в районе нижнего гардероба, а Антарктика на полу. <…> На полу стоит громадная колонна, по вышине в половину всего зала, на ее вершине расположена кафедра. На этой кафедре восседает человек, который руководит всем театром, он окружен многочисленными помощниками и посланниками. Главная его обязанность состоит в том, чтобы поддержать скорость расчетов постоянной. Он очень похож на дирижера, однако вместо музыкантов он руководит многочисленными вычислительными машинами».
Когда все данные собраны воедино, их шифруют и передают на радиостанцию. В целом англичанин нащупал верный принцип – именно так будет строиться работа с компьютерами много лет спустя. Однако был один неловкий момент: даже толпе из 64 тыс. обученных синоптиков со счетами понадобилось бы больше тысячи лет, чтобы сделать один глобальный прогноз для всей планеты на следующий день. Впервые осуществить этот план смогла только в 1950 году команда американских метеорологов на сверхмощной ЭВМ. По заказу ВМФ США был создан Электронный числовой интегратор и вычислитель (Electronic Numerical Integrator and Computer – ENIAC), который и смог выполнить первый математический прогноз погоды.
Сегодня лидером прогнозирования стал Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (European Centre for medium-range weather forecasts – ECMWF). В центре действия – сверхмощный вычислительный центр, состоящий из двух кластеров, т. е. групп компьютеров, по 68 серверов. На каждый кластер приходится по 16,5 терафлопса мощности. Для сравнения: самый мощный домашний персональный компьютер не превышает 200 гигафлопсов. Однако и этого недостаточно для идеальной картины прогноза. Можно ли построить систему, которая учтет все переменные и сможет выдавать максимально точные и оперативные картины изменения климата? Безусловно. Постоянная научно-исследовательская работа, совмещенная с практикой, новыми технологическими открытиями и крупными финансовыми вложениями позволит постоянно совершенствовать модели и с каждым десятилетием делать прогнозы все более точными и своевременными.
В Северной Каролине аллигаторы сейчас вмерзают в лед для адаптации к непривычному холоду, жители Нью-Йорка в панике скупают продукты, а полиция Луизианы выписывает ордер на арест королевы Эльзы из «Холодного сердца». Возможно, спустя десятки лет наука прогнозирования погоды усовершенствуется настолько, что мы сможем перевезти крокодилов заранее в зоопарк потеплее, а жителей пустыни, в которой грядет засуха, загодя снабдим цистернами с водой. Конечно, никакие старания синоптиков не прикроют Канаду от урагана и не повернут цунами у берегов Японии вспять. Зато каждый точный прогноз дает людям шанс уберечься от капризов непостоянной природы.
