1.3.2. Метод експерименту

У фізиці і хімії основним методом дослідження є експеримент. Експериментуючи, дослідник втручається у природний перебіг фізичних і хімічних процесів, змінює умови, в яких вони відбуваються. Однак можливості впливу людини на крупномасштабні атмосферні процеси та явища (загальна циркуляція повітря, міжширотний теплообмін та ін.) дуже обмежені. Навіть енергія термоядерних вибухів є невеликою порівняно з енергією процесів циркуляції повітря, оскільки при вибухах інтенсивне виділення енергії є локальним і дуже короткочасним, тоді як атмосферні процеси відбуваються повсюдно і тривають безперервно. Тим не менше, метод експерименту використовується і в метеорології. Експериментальні дослідження можуть проводитися як в лабораторних, так і в природних умовах.

Досліди в лабораторних умовах дозволяють детально вивчити взаємозв'язки між окремими чинниками, які впливають на перебіг атмосферних процесів. Наприклад, у спеціальних камерах можна імітувати процеси хмароутворення при температурах і тискові, характерних для певних висот. Також досліджуються електричні, акустичні та інші явища.

Експериментальні дослідження в натурних умовах з активних впливів на атмосферні процеси здійснюються з метою розроблення практичних методів осаджування хмар і розсіювання туманів, стимулювання або запобігання опадів, боротьби із градом тощо. Такі досліди мають практичне значення й водночас дають змогу глибше зрозуміти явища природи. Насадження лісосмуг, створення водосховищ, меліорація і т. п. вносять деякі зміни у стан нижнього шару повітря. У певному сенсі такі заходи також є засобом кліматичного експерименту.

1.3.3. Теоретичні методи

Найважливіші досягнення сучасної метеорології і кліматології ґрунтуються на використанні точних фізичних і хімічних законів. Так, дослідження фізичних властивостей атмосфери опирається на закони, які встановлюють залежність між об’ємом, густиною і температурою газу, на законах зміни атмосферного тиску з висотою. На підставі цих законів обчислюється густина повітря, пояснюються причини виникнення рухів повітря у вертикальному і горизонтальному напрямках та ін. Вивчення сонячної енергії ґрунтується на законах поглинання, відбивання і розсіювання променистої енергії, на законах освітленості і випромінювання, вченні про спектральний аналіз, законах термоелектрики та ін. При вивченні теплового режиму ґрунту широко використовуються закони передавання тепла в глибину однорідного шару, вчення про теплоємність, теплопровідність і температуропровідність ґрунту. При вивченні водного режиму ґрунту та атмосфери вельми важливими є закони випаровування і конденсації, а також уявлення про процеси на молекулярному рівні. У даному посібнику відповідні теоретичні положення будуть викладатися в обмеженому обсязі, достатньому для освоєння студентами непрофільних спеціальностей основ метеорології і кліматології.

Доскональне вивчення атмосферних процесів і явищ та виконання точних кількісних обчислень неможливі без створення їх фізико-математичної теорії, яка б ґрунтувалася на загальних законах фізики й відповідних математичних моделях.

Математичне моделювання атмосфери є найефективнішим методом відтворення її структури і динаміки. Математичні моделі, що представляють собою систему формул і рівнянь, дозволяють отримувати вичерпну інформацію про об’єкти дослідження. Однак такі системи зазвичай настільки складні, що для їх розв’язування доводиться залучати апарат обчислювальної математики та швидкодіючі обчислювальні машини. У даний час складання прогнозів погоди, незалежно від їх завчасності, неможливо уявити без використання моделювання. Цей метод усе ширше використовується й для моделювання взаємодії атмосфери з океаном та розв’язування проблем теорії клімату.

Щоб побудувати теоретичну модель погодних процесів або клімату, відповідну дійсності, необхідно правильно скласти фізично обґрунтовані системи рівнянь термо- і гідродинаміки, а також енергетики атмосферних процесів, які враховують різноманітність переходу одних форм енергії в інші. Теоретичне вивчення процесів радіаційного теплообміну і фазових перетворень атмосферної вологи ще далеке від завершення. Тому необхідно користуватися даними фізичних експериментів. Однак між теоретичними й експериментальними даними є невідповідності, природу яких ще не цілком з’ясовано. Для подальшого удосконалення математичних моделей вельми необхідна певного обсягу інформація про процеси, які відбуваються в атмосфері. Її отримують і, мабуть, ще довго отримуватимуть шляхом аналізу даних спостережень статистичними і синоптичними методами. Відомо, що використовувані у математичних моделях складних процесів рівняння підлягають вимушеним спрощенням. У зв'язку з цим математичні моделі погоди і клімату неточно відтворюють процеси, які розвиваються в реальній атмосфері. Тому робити висновки щодо правильності розрахункових схем можна тільки шляхом зіставлення з полями метеорологічних величин, побудованими за допомогою статистичного опрацювання даних спостережень звичайної мережі або отриманих із супутників.