1.3. Методи метеорології і кліматології

У метеорології і кліматології широко використовуються спеціальні методи досліджень, спільні для обох наукових дисциплін в одних випадках і різні – в інших. Так, основними методами досліджень у метеорології є метод спостережень, метод експерименту і теоретичні методи. У кліматології найширше застосування отримали методи математичної статистики, певною мірою адаптовані нею для потреб практики та з урахуванням специфіки досліджуваних метеорологічних величин, методи класифікації і районування та ін. Метод карт (або, по-іншому, картографічний метод) найширше використовується у синоптичній метеорології та в кліматології.

Розглянемо детальніше суть цих методів і наведемо деякі приклади їх взаємопроникнення з однієї дисципліни в іншу.

1.3.1. Метод спостереження

На сьогоднішній день більшу частину інформації про процеси в атмосфері, погоду і клімат отримують шляхом спостережень. Результати спостережень у метеорології і кліматології використовуються для встановлення причино-наслідкових зв’язків, які виникають в атмосфері. Їх проведення, як правило, має на меті вивчення клімату і його змін та складання прогнозу погоди.

При ознайомленні з основними видами спостережень в системі атмосферних наук у вічі впадає значна відмінність у проведенні приземних (включно з морськими) метеорологічних та висотних аерологічних спостережень.

Метеорологічні спостереження включають у себе інструментальні вимірювання числових значень метеорологічних величин та їх коливань, а також візуальні оцінки якісних характеристик атмосферних явищ.

Стандартна програма метеорологічних спостережень передбачає реєстрацію таких метеорологічних величин (С.П. Хромов, М.А. Петросянц, 2001):

• температура повітря на висоті 2 м над земною поверхнею;

• атмосферний тиск;

• вологість повітря, насамперед парціальний тиск водяної пари і відносна вологість повітря;

• вітер – горизонтальний рух повітря на висоті 10–12 м над земною поверхнею (вимірюється швидкість і напрямок, звідки дме вітер);

• хмарність – ступінь покриття неба хмарами, типи хмар за міжнародною класифікацією, висота нижньої межі хмар, найближчих до земної поверхні;

• кількість опадів, що випали з хмар, та їх типи (дощ, сніг, град і т.д.);

• наявність та інтенсивність опадів, які утворюються на земній поверхні і на предметах (роса, іній, ожеледь та інше), а також туману і серпанку;

• горизонтальна видимість – відстань, на якій унаслідок помутніння атмосфери перестають розрізнятися обриси предметів;

• тривалість сонячного сяйва;

• температура на поверхні ґрунту і на деяких глибинах у ґрунті;

• стан поверхні ґрунту;

• висота і щільність снігового покриву.

Реєструються також атмосферні явища різної природи: метеорологічні (хуртовини, шквали, смерчі, імла, пилові бурі), електричні (грози, тихі електричні розряди, полярні сяйва) та оптичні (райдуга, кола і вінця навколо дисків світил, міражі та ін.).

Строки метеорологічних спостережень. На наземних метеостанціях в усьому світі проводяться одночасні (синхронні) спостереження кожні 3 години за єдиним – гринвіцьким – часом (часом нульового поясу). Результати спостереження за ці так звані синоптичні строки терміново передаються по телефону, телеграфу, радіо, а останнім часом і по мережі Інтернет в органи служби погоди. Там складаються синоптичні карти, загальні і спеціальні прогнози погоди.

Однак не усі метеорологічні показники так вимірюються. Наприклад, кількість опадів вимірюється 4 рази на добу, висота снігового покриву – 1 раз на добу, щільність снігу – один раз на 5 днів.

Аерологічними спостереженнями називаються спеціальні метеорологічні спостереження за станом атмосфери поза приземним шаром, до висоти близько 40 км. Найважливішу інформацію про стан атмосфери на цих висотах отримують з допомогою радіозондів – приладів, які поєднують у собі датчики тиску, температури і вологості повітря та легкий короткохвильовий передавач, який передає закодовані сигнали про фізичний стан атмосфери. Радіозонд прикріпляється до каучукової кулі, заздалегідь наповненої гелієм або воднем, та випускається у вільний політ. У місці випуску радіозонда одночасно з прийманням і реєстрацією переданих ним сигналів визначаються кутові координати приладу, необхідні для обчислення поточних значень висоти, на якій здійснюється політ, а також напрямку і швидкості горизонтального знесення радіозонда вітром. Координати радіозонда отримують, спостерігаючи за ним в оптичний теодоліт або ж супроводжуючи його з допомогою радіотеодоліта або радіолокатора. Після розшифрування цих сигналів й отримують значення метеорологічних величин на різних висотах під час піднімання радіозонда. В сучасних системах радіозондування увесь процес отримання й опрацювання сигналів, аж до складання спеціальних аерологічних повідомлень, автоматизовано. Радіозонд представляє собою єдину радіотелеметричну систему, за принципом якої здійснюється також передавання даних метеорологічних, геофізичних і космічних ракет, а також штучних супутників.

Атмосферні процеси поблизу поверхні Землі та в нижніх 10–20 км атмосфери мають особливе практичне значення і найкраще вивчені. Однак у зв’язку з інтенсивними розвитком аеронавтики, космонавтики, супутникового зв’язку все інтенсивніше вивчаються процеси у верхніх шарах атмосфери. Вивчення цих шарів стало можливим після винайдення геофізичних ракет і супутників. Методи вивчення процесів у найвищих шарах атмосфери своєрідні і тісно пов’язані із вивченням земного магнетизму. Основні методи їх дослідження – ракетне і супутникове зондування атмосфери, спостереження за поширенням радіохвиль, спектральний аналіз ³.

Окрім поділу методів спостереження на наземні та аерологічні, існує також їх поділ на прямі і непрямі методи. Непрямі методи, у свою чергу, поділяються на активні і пасивні.

Прямі методи досліджень, які іноді називають контактними (в іноземній літературі вони позначаються "in situ"), ґрунтуються на застосуванні приладів, які безпосередньо поміщаються у точку простору, в якій потрібно провести вимірювання.

Радіозондами різної конструкції проводяться вимірювання температури, вологості і тиску повітря, швидкості і напрямку вітру, вмісту озону, потоків радіації та ін. Розрізняється мережеве або стандартне радіозондування (тільки температурно-вітрове) і спеціальне (озонне, актинометричне та ін.). Середня висота радіозондування становить 30–35 км, максимальна – до 40–45 км. Радіозондування є найширше і регулярно використовуваним методом вивчення нижнього 30-кілометрового шару атмосфери.

У різних країнах створена спеціальна мережа пунктів радіозондування, на кожному з яких підйоми приладів здійснюються щодня у певний час 1–4 рази на добу.

Комплекс досліджень, який проводиться з допомогою стратостатів, ракет і штучних супутників Землі ще ширший. З їх використанням досліджується склад атмосфери, її температура, тиск і густина, характеристики космічних променів, ультрафіолетове, рентгенівське і корпускулярне випромінювання Сонця, земне магнітне поле, параметри іоносфери та інші явища.

Для вимірювання температури, тиску і густини повітря у різних шарах атмосфери прямими методами застосовуються різноманітні типи приладів, які ґрунтуються на різних фізичних принципах.

Швидкість і напрямок вітру визначаються за допомогою оптичного або радіолокаційного дослідження за рухом трасерів, які викидаються з цією метою з ракет (головна частина ракети, що спускається на парашуті; димові хмари, хмари газу, що світиться, та ін.).

Склад атмосфери на висотах, що не перевищують 100 км, досліджують шляхом забирання проб повітря за допомогою спеціальних балонів, які піднімаються на відповідні висоти, та подальшого їх хімічного аналізу в лабораторії. Для вивчення складу атмосфери вище 100 км за допомогою ракет і штучних супутників Землі використовуються спеціальні прилади, які називаються мас-спектрометрами.

Непрямі (або дистанційні) методи дозволяють вивчати явища, які відбуваються в атмосфері на відстані. Вони поділяються на активні і пасивні.

При використанні активних непрямих методів в атмосферу посилаються із Землі або літального апарату різні сигнали: звукові (акустичний метод), світлові (прожекторний і лазерний методи) або радіосигнали (метеорологічна радіолокація). За допомогою спеціальної приймальної апаратури реєструються і вивчаються відбиті різними атмосферними об'єктами сигнали, характер яких й дозволяє робити висновки про стан атмосфери.

Пасивні непрямі методи ґрунтуються на спостереженнях за характером перебігу різних процесів та явищ в атмосфері. До таких явищ відносяться метеори, полярні сяйва, світіння нічного неба, сріблясті хмари, зміни яскравості неба під час присмерків та ін.

За допомогою непрямих методів було отримано перші дані про будову верхніх шарів ще в 1920-х роках, які у подальшому було підтверджено прямими методами.

Таким чином, технічні засоби, які використовуються для дослідження атмосфери, дуже різноманітні і постійно удосконалюються. Сьогодні регулярні спостереження здійснюються як на наземних метеорологічних та аерологічних станціях, так і з допомогою літаків, гелікоптерів, кораблів погоди, дистанційних автоматичних гідрометеорологічних станцій, радіолокаторів, лідарів, ракет, космічних апаратів та інших засобів. Отримані дані про фактичний стан атмосфери використовуються з науковою метою та для забезпечення народного господарства інформацією про поточний стан погоди і для її прогнозу на майбутнє.