Науки метеорология и климатология

Размещено на http://www.allbest.ru/

25

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна

Геолого-географічний факультет

Кафедра фізичної географії та картографії

«НАУКИ МЕТЕОРОЛОГІЯ ТА КЛІМАТОЛОГІЯ»

Виконала:

студентка групи ГЦ-22

Кузьменко Д.М.

Перевірив:

Кобченко Ю.Ф.

Харків 2011

Содержание

Введение

1. История развития метеорологии как науки

1.1 История науки

1.2 Средние века

1.3 Первые метеорологические приборы

1.4 Первые шаги климатологии

1.5 Первые ряды инструментальных наблюдений и возникновение сетей метеорологических станций

1.6 Возникновение метеорологических институтов

2. Климатическая система, глобальный и локальный климат

3. Комплексная климатология

Заключение

Литература

Введение

На всем протяжении истории человечества развитие науки было одним из элементов этой истории. Уже с той далекой и темной для нас эпохи, когда первые зачатки человеческого познания воплотились в древнейших мифах и в обрядах первобытных религий, мы можем проследить, как вместе с общественными формациями, в тесной связи с ними. Развивались и естественные науки. Они зарождались из повседневной практики земледельцев и пастухов, из опыта ремесленников и мореплавателей. Первыми носителями науки были жрецы, предводители племен и знахари. Лишь античная эпоха увидела людей, имена которых прославили именно занятие наукой и обширность их познаний - имена больших ученых.

1. История развития метеорологии как науки

1.1 Истоки науки

Ученые античного мира создали дошедшие до нас первые научные трактаты, подведшие итоги знаниям, накопленным предыдущими веками. Аристотель, Эвклид, Страбон, Плиний, Птоломей оставили нам столь важные и глубокие исследования, что последующая эпоха смогла прибавить к ним довольно мало, вплоть до эпохи Ренессанса, в период которого начался вновь стремительный подъем науки. Такой ступенчатый подъем, то замедляющийся, то ускоряющийся, привел естественные науки постепенно к их современному развитию, к их теперешнему положению в обществе. Еще на заре своего существования человек пытался разобраться в окружающих явлениях природы, которые часто были ему непонятны и враждебны. Жалкие хижины плохо защищали его от непогоды, посевы его страдали от засухи или от слишком сильных дождей.

Жрецы первобытных религий учили его обожествлять стихии, с натиском которых человек был бессилен бороться. Первыми богами всех народов были боги солнца и луны, грома и молнии, ветров и морей. Озирис у египтян, бог солнца Ойтосур у скифов, Посейдон у греков, громовержец Индра в Индии, подземный кузнец Вулкан у древних римлян являлись олицетворением сил природы, едва лишь познанных человеком. Древние славяне чтили Перуна, творца молнии. Действия и поступки этих богов, как внушали человеку жрецы, зависели только от их капризной воли, и ему было очень трудно защищаться от гнева неблагосклонных божеств. В эпической и философской литературе древности, донесшей до нашего времени некоторые идеи и понятия давно прошедших веков, нередко встречаются сведения о погоде, о разных атмосферных явлениях характеризующие их авторов как внимательных наблюдателей. Вот несколько примеров, относящихся к разным странам и культурам.

О круговороте ветров, настигшем Одиссея у земли феакийцев, повествует Гомер в «Одиссее»:

«По морю так беззащитное судно повсюду носили ветры, то быстро Борею его перебрасывал Нот, то шумящий Эвр, им играя, его предавал произволу Зефира…»,

т.е. северные и западные ветры следовали за восточными и южными.

О радуге, нижняя часть которой кажется погруженной в море, повествует «Илиада»:

«…ветроногая с вестью помчалась Ирида на расстоянии, равном меж Имбром крутым и Самосом, прыгнула в темное море…».

В «Книге пути и добродетели» (около VI в. до н.э.), которую ранее приписывали китайскому философу Лао Цзы, мы читаем: «Крепкий ветер длится в течение всего утра, сильный дождь не продолжается весь день».

Индийская героическая поэма «Махабхарата» в ярких красках описывает вторжение летнего муссона в Индию: «…и когда Кадру так восславила великого владыку, разъезжавшего на светло-желтых конях (Индру, бога грозы и грома), тот 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 следствии 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».

Немного дальше там повествуется о пыльных бурях Индии: «Гаруда (легендарный царь пернатых) …расправил свои крылья и взлетел на небеса.

Могучий, он прилетел к нишадам… Собираясь уничтожить тех нишадов, он тогда поднял огромную тучу пыли, которая достигла до небес». Коран в суре ХХХ утверждает: «…бог посылает ветры, и они гонят тучу: он расширяет ее по небу, сколько хочет, вьет ее в клубы, и ты видишь, как льется дождь из лона ее…».

Первые письменные памятники, дошедшие до нас, относились к временам, когда явления природы трактовались как знаки божественной воли. Жрецы древних религий были иногда первыми учеными далекой древности. Благодаря им религия крепко держала в подчинении первые проблески научной мысли. Она заставляла считать, что божество - неограниченный властелин не только над человеком, но и над свей окружающей природой. Мысль о том, что мир управлялся божественным произволом, исключая науку в подлинном смысле слова, так же как и всякую попытку найти и формулировать какие-либо законы природы. Когда греческая античная наука еще только зарождалась, Пифагору (род. 570 г. до н.э.) уже пришлось ограничить власть божества, сказав, что «Бог всегда поступает по правилам геометрии». В области метеорологии первая закономерность, которая была известна, конечно, с незапамятных времен, был годовой цикл погоды. Сказания древних славян не раз упоминали о постоянной борьбе доброго и злого начала, лета и зимы, света и тьмы, Белобога с Чернобогом. Этот мотив нередко встречается и в преданиях других народов. «Работы и дни» Гесиода (VIII в. до н.э.) повествует, как вся жизнь греческого землевладельца связана с движением солнца и светил:

«Лишь на востоке начнут восходить Атлантиды-Плеяды,

Жать поспешай, а начнут заходить - за посев принимайся».

«Месяц очень плохой Ленеон, для скотины тяжелый.

Бойся его и жестоких морозов, которые почву

Твердою кроют корой под дыханием ветра Борея…»

«Вот пятьдесят уже дней наступает после солноворота (летнего),

И наступает конец многотрудному, знойному лету,

Самое здесь-то и время для плавания: ни корабля ты

Не разобьешь, ни людей не поглотит пучина морская…

Море тогда безопасно, а воздух прозрачен и ясен…

Но воротиться обратно старайся как можно скорее,

Не дожидайся вина молодого и ветров осенних

И наступленья зимы и дыханья ужасного Нота.

Яро вздымает он волны…».

Упоминание о годовом цикле погоды сыграло особую роль в создании первых метеорологических записей древности. Уже со времен астронома Метона (около 433 г. до н.э.) в греческих городах выставлялись в общественных местах календари с записями о явлениях погоды, сделанных в предыдущие годы. Эти календари назывались парапегмами. Некоторые из этих парапегм дошли до нас, например в трудах известного александрийского астронома Клавдия Птоломея (род. Примерно в 150 г. до н.э.), римского землевладельца Колумеллы и других писателей древности. В них мы находим большей частью данные о ветрах, осадках, холодах и о некоторых фенологических явлениях. Так, например, в александрийской парапегме много раз отмечено появление южных и западных ветров (что не согласуется с фактом преобладания там северных ветров в наше время). Сильные ветры (бури) наблюдались в Александрии преимущественно в зимнее время, как и теперь. Записи о дождях (примерно 30 случаев в год) и грозах встречаются во все месяцы, что очевидно, не характерно для Александрии с ее безоблачным, сухим летом. Сравнительно частые указания на туман летом подтверждает еще раз, что в парапегмах были отмечены главным образом выдающиеся, исключительные события. В них нельзя видеть ни систематический дневник погоде, ни климатологическую сводку в современном понятии.

Китайская классическая литература содержит некоторые фонологические сведения, которые дают представление о погоде прошлых веков. Так, в «Книге обычаев» Ли Ки имеется целая глава о сельскохозяйственном календаре, восходящая примерно к III в до н.э. В книге Чоу Кунга, написанной по-видимому, незадолго до нашей эры, указано, что цветение персика происходило тогда 5/III по нашему календарю (ныне, например в Шанхае, в среднем 25/III), прилет домашней ласточки наблюдался 21/ІІІ (ныне в Нинг-По в середине марта), а ее отлет 21/ІХ. Помня, что в наше время ласточка в Шанхае остается лишь до августа, мы видим, что эти записи указывают на более теплый климатический период. В китайских летописях мы находим также довольно многочисленные сведения о морозах, снегопадах, наводнениях и засухах. Последние были особенно часты в IV и VI-VII вв. н.э. Средняя дата позднейшего за каждые 10 лет снегопада в эпоху южной династии Сунь (1131-1260 гг.) была 1/IV - приблизительно на 16 дней позднее, чем, например, в десятилетие 1905 - 1914 гг. Первые опыты прогноза погоды по местным признакам были начаты весьма давно. В китайской «Книге песен» (Шицзин), относящейся к периоду Чжоу (1122-247 гг. до н.э.), приводится примета: «если во время восхода солнца на западе видна радуга, то это значит, что вскоре будет дождь». Довольно много подобных признаков мы находим у греческого естествоиспытателя Теофраста из Эреза (380-287 гг. до н.э.), ученика Аристотеля. Теофраст писал, что «…знаки дождя, ветра, бурной и ясной погоды мы описали так, как нам удалось их постичь. Часть их мы наблюдали сами, часть - узнали у других достойных доверия людей». Так, например, надежным признаком дождя, по Теофрасту, является пурпурно-золотистая окраска облаков перед солнечным восходом. Такое же значение имеет темно-красный цвет неба при заходящем солнце, появление полос тумана на горах и т.д. Многие приводимые им приметы основаны на поведении птиц, животных и пр.

В классической стране правильной смены сезонов - Индии - наблюдение за большими и длительными аномалиями погоды уже давно было использовано для предсказания ее. Мы не знаем точно, к каким векам восходят первые попытки предсказать хороший или плохой летний муссон - основу благосостояния или неурожая в Индии, но они, очевидно, были сделаны очень давно.

Многочисленные записи о погоде и климате мы находим в книге «История Армении» Мовсеса Хоренаци (V в. н.э.). Этот историк повествует о легендарном витязе Гайке (олицетворяющем, очевидно, Армению), который «поселился среди морозов». Он «не захотел смягчить холод оцепенелого своего гордого нрава» и, подчинившись вавилонским царям, жить в их теплой стране. В легенде о Семирамиде, покорившей Армению, говорится, что она решила построить на берегах оз. Ван «…город и дворец в этой стране, где такой умеренный климат…и проводить четвертую часть года - летнее время - в Армении».

В описываемых Хоренаци исторических эпизодах упоминается о влажности воздуха и частых туманах Аджарии, о снегопадах, сильных ветрах и метелях Армянского нагорья и пр. В конце книги при перечислении причин упадка страны к ним автор относит неблагоприятный климат - «…ветры, приносящие летом суховей и болезни, облака, мечущие молнии и град, дожди, несвоевременные и беспощадные, погода суровая, порождающая иней…».

Индийский астроном Вараха-Михира (V в. н.э.) в соей книге «Большое собрание» систематизировал признаки, по которым можно было задолго предсказать обилие ожидаемых муссонных дождей, сгруппировав эти признаки по индусским лунным месяцам. Предвестниками хорошего сезона дождей, согласно Вараха-Михира, являлись: в октябре - ноябре (его деление года на месяцы не совпадало с нашим) красная заря утром и вечером, гало, не очень большое количество снега; в декабре - январе сильный ветер, большой холод, тусклые солнце и луна, плотные облака при восходе и заходе солнца; в январе - феврале сильные сухие шквалы, плотные облака с гладкими основаниями, разорванное гало, медно-красное солнце; в феврале - марте облака, сопровождающиеся ветром и снегом; в марте -апреле молния, гром, ветер и дождь.

К сожалению, проверка этих признаков, имеющих столь почтенную давность, еще не сделана. Вараха-Михира указывал, что если все благоприятные признаки, указанные выше наблюдаются, то число дней с дождем (в переводе на наш календарь) в мае будет 8, в июне 6, в июле 16, в августе 24, в сентябре 20, в октябре 3. Индийский метеоролог Сен сообщает, что интенсивный муссон 1917 г. дал, например, гораздо меньшее число дней с дождем - соответственно 5, 6, 12, 13 и 5 дней.

Наибольших успехов, систематичности и ясности наука древности достигла в античной Греции, прежде всего в Афинах. Благодаря своим колониям, распространившимся, начиная с VI в. до н.э., по Средиземному и Черному морям, от Марселя до современных Феодосии и Сухуми, греки смогли познакомиться с культурой западного мира того времени. Они восприняли многое от своих предшественников - египтян и финикийцев, но сумели из сравнительно отрывочных элементов создать уже науку в современном понимании слова. Греки уделили большое внимание собранному прежде материалу, проявили умение глубоко проникать в существо вещей и находить в них самое важное и простое и способность к абстракции. Естественные науки у них были тесно связаны с философией. В то же время великие философы, например Пифагор и Платон, видели в математике (и особенно в геометрии) ключ к истинному общему познанию.

Метеорологические наблюдения древних народов и их наследников греков привели их к изучению и физических закономерностей природы. Тепло и холод, свет и тьма, их регулярная смена и взаимная зависимость были первыми физическими понятиями древности. В течение веков физика не была отделена от метеорологии.

Первая книга об атмосферных явлениях была написана одним из самых крупных ученых античной Греции Аристотелем (384-322 гг. до н.э.) под названием «Метеорология». Она составляла, как полагал Аристотель, существенную часть общего учения о природе. Он писал в начале книги, что «…остается рассмотреть еще ту часть, которую предшествовавшие авторы называли метеорологией». Отсюда видно, что эта наука получила свое название еще задолго до Аристотеля и что он, вероятно, использовал многие прежние наблюдения, приведя их в систему.

Первая книга «Метеорология» трактовала о явлениях, происходящих, по мнению автора, в верхних слоях атмосферы (кометах, падающих звездах и пр.), а также о гидрометеорах. Верхние слои, как полагал Аристотель, являлись сухими и горячими, в отличие от влажных нижних слоев.

Вторая книга была посвящена морю, снова ветрам, землетрясениям, молнии и грому.

Третья - описывала бури и вихри, а также световые явления в атмосфере. Четвертая книга была посвящена «Теории четырех стихий». Содержание «Метеорологии» показывает, что греки времен Аристотеля были знакомы со многими важнейшими метеорологическими явлениями. Они были столь наблюдательны, что имели ясное представление даже о северных сияниях. Аристотель знал, что град образуется чаще весной, чем летом, и чаще осенью, чем зимой, что, например, в Аравии и Эфиопии дожди выпадают летом, а не зимой (как в Греции), что «молния кажется опережающей гром, потому что зрение опережает слух», что цвета радуги всегда одни и те же что и во внешней, более слабой радуге, они расположены в обратном порядке, что роса образуется при слабом ветре и т.д.

Великий ученый не чуждался и экспериментального метода. Так, он делал попытку доказать, что воздух имеет вес. Он нашел, что надутый пузырь тяжелее пустого; это, казалось, дало ему требуемое доказательство (принцип Архимеде был ему неизвестен), но факт, что не надутый пузырь тонет в воде, а надутый плавает, снова увлек Аристотеля от истины и привел его к странному, на современный взгляд, понятию об абсолютной легкости воздуха.

Аристотель пытался понять процессы, происходящие в атмосфере. Так, например, он писал, что «… жидкость, окружающая землю, испаряется лучами солнца и теплом, которое приходит сверху, и поднимается вверх… Когда тепло, которое ее подняло, ослабевает, …охлаждающийся пар сгущается и снова становится водою». Он полагал, что вода замерзает в облаках «…потому, что из этой области выпадает три вида тел, образованных охлаждением, - дождь, снег и град». Аналогично он отметил, что град более част летом в жарких местностях, потому что «тепло там отталкивает облака дальше от земли». Можно сказать без колебания, что первым камнем фундамента науки о погоде была старая идея о тесной связи погоды с направлением ветра. Об этой связи Аристотель писал: «Апарктий, Траский и Аргест, рассеивая плотные облака, приносят ясную погоду, по крайней мере когда они не слишком плотны. Их действие иное, если они не столь сильны, сколь холодны, ибо они вызывают сгущение (паров) раньше, чем они рассеют другие облака. Аргест и Эвр (востоко-юго-восточные) - сухие ветры, последний сух лишь вначале и влажен в конце. Мез (северо-северо-восточный) и более всех Апарктий приносят снег, ибо они самые холодные. Апарктий приносит град, так же как Траский и Аргест, Нот (южный), Зефир (западный) и Эвр горячи. Кайкий (востоко-северо-восточный) покрывает небо мощными облаками, при Липсе (западо-юго-западным) облака не так мощны…».

Аристотель пытался дать объяснение этим свойствам ветров; «…бывает больше ветров, приходящих из северных стран, чем ветров, приходящих с полуденных. Гораздо больше дождя и снега приносится от этих последних, ибо они под солнцем и расположены под его путем». Идея о ветрах как о правителях погоды приняла художественную форму в так называемой «Башне ветров», сооруженной в Афинах Андроником Киррестом во II в. до н.э. На скульптурной фризе восьмиугольной башни изображены соответствующие ветры в виде мифологических фигур с атрибутами, характеризующими приносимую этими ветрами погоду. На башне железный флюгер с жезлом указывал откуда дует ветер.

В эпоху последовавшую за веком Аристотеля, завоевания его воспитанника Александра Македонского открыли для греков целый новый мир на востоке - до границ Индии и берегов Сырдарьи, где была построена Александрия Дальняя. В своих походах греки познакомились с восточными морями (Персидским заливом и Аравийским морем) и с их муссонами, которые впервые описал полководец Александра. Преемники Александра основали в Египте, в Александрии, второй центр эллинистической науки, где была создана своеобразная академия того времени - александрийский «Мусейон» (музей). Здесь зародились современная география и составление географических карт. Глава Мусейона Эратосфен из Кирены (275-194 гг. до н.э.) первый определил размеры земного шара, причем настолько правильно, что его измерения были уточнены лишь в конце XVIII в. Здесь же Ктезибий (около 250 г. до н.э.) и Герон Александрийский (около 120-100 гг. до н.э.) впервые изучили упругую силу воздуха и использовали ее для многих мелких механизмов - воздушных насосов и пр. Наблюдали они также тепловое расширение воздуха и водяного пара.

В эту эпоху не прекращались и наблюдения за ветрами в различных местах бассейна Средиземного моря. Плиний Старший (23-79 гг. н.э.) упоминал о двадцати греческих ученых, собравших наблюдение за ветрами.

Описания свойств различных ветров Плиний в известной мере заимствовал у Аристотеля (рис. 2). однако он уже ясно представлял себе, что эти свойства зависят от широты. «Есть два ветра, - писал он, - которые изменяют свою природу, попадая и иные страны. В Африке Аустер (южный ветер) приносит теплую погоду. Аквилон - облачную» (в Италии их свойства как раз обратны).

Уже в первом или во втором столетии нашей эры наметился огромный упадок античной науки. Причины его были общественного порядка. Рабовладельческий строй, сосредоточивший всю власть над огромной империей в руках небольшой горстки аристократов, шел по пути распада и растущего бессилия. Бесправие рабов, бедность римского пролетариата, нищета угнетенных провинций, упадок торговли и производства вели к упадку ремесел. Стимула для прогресса науки почти не было, и ее развитие, можно сказать прекратилось. Это произошло еще задолго до того, как сама римская империя погибла под ударами нашествий готов и вандалов.

В последовавшие затем века центр цивилизации и культуры переместился далеко на восток, в арабские страны, Индию, Хорезм и Иран. Особенно велики были успехи математики. В Индии они были связаны с именами Вараха-Михира, Ариабхата (V в.н.э.) и Брамагупты (VII в.н.э.). В мусульманском мире прославились ал-Хорезми (IX в.), ал-Бируни (973-1048 гг.), Омар Хаям (1048-1122 гг.), Туси (1201-1274 гг.). Большое внимание уделялось также химии и астрономии. Арабы в далеких плаваниях проникли на восток до Зондских островов, на север до Балтийского моря и Среднего Поволжья, на юг до Мадагаскара. Везде они собирали географические сведения о климатах и ветрах.

К сожалению, вклад, который сделали страны Востока в первом тысячелетии нашей эры в развитие науки об атмосфере еще очень мало изучен. Мы имеем о нем только весьма отрывочные несистематизированные сведения. Это тем более достойно сожаления, что, несомненно, многочисленные факты из этой области науки уже были известны и ученые Востока делали попытки их объяснить и привести в систему.

1.2 Средние века

Когда сумерки средневековья сменили яркий день расцвета античной цивилизации, в Европе надолго были забыты науки греко-римского мира. Забыты были многочисленные сделанные тогда наблюдения за явлениями природы, приметы о погоде, изречение народной мудрости и научные трактаты греческих и римских ученых. В эпоху раннего средневековья были забыты и творения Аристотеля. Они остались жить на Востоке в переводах на арабский и армянский языки и лишь значительно позднее через посредство арабов вернулись в Европу. Самым печальным для судеб цивилизации оказалось то, что был отвергнут научный метод, основанный на наблюдении явлений природы и на попытках их правильного истолкования.

Науку ранних веков сменила схоластика средних веков, скованная авторитетом буквы священного писания. Мистическая философия Библии крепко владела умами ученых и целых народов в течение столетий. Церковь заставляла верить, что все явления природы - лишь проявление воли божества, пользующегося ими для того, чтобы выразить свой гнев или свое благоволение.

Пышным цветом расцвело в средние века особое «учение», ныне уже основательно забытое, - астрометеорология. Это был раздел астрологии, очень популярной тогда. Астрологией называлось фантастическое учение о «предсказании» событий в жизни человека и природных явлений по движению планет среди звезд. Раздел этой «науки», называвшийся «натуральной астрологией», или астрометеорологией, занимался специально предсказанием погоды наряду с другими явлениями природы. Астрометеорология пользовалась большим вниманием арабов.

Переводчик с арабского языка Иоанн Севильский (VII в.) был в то же самое время автором обширного сводного астрологического трактата (изданного позднее, в 1518 г., в Нюрнберге), в котором шестая глава говорит о «предрасположении воздуха», а восьмая - непосредственно о предсказании погоды. Иоанну Севильскому приписывают также рукопись «Предсказание различных погод (собственно бурь)». За Иоанном последовал длинный ряд астрометеорологов - Леопольд Австрийский, Гвидо Бонатти, Фирмин де Боваль и др. Уже в XIV в. астрологи стали составлять на основании движения светил предсказания на целый год, содержащие иногда очень короткие, иногда детализированные по месяцам прогнозы погоды. В «Практике» Ганса Энгеля был впервые дан прогноз характера погоды на каждый день (1488 г.).

Господство астрологии, в том числе в области предсказания погоды, продолжалось очень долго, до начала XVII в. Во все времена «крестьянин зорко всматривался во все явления окружающей его природы, чтобы по ним судить о том, что сулит ему ближайшее или даже более или менее отдаленное будущее» и «соответственно ему направлять так или иначе свою сельскохозяйственную деятельность».приметы передававшиеся из поколения в поколение, заключали наряду с отзвуками суеверий нередко результаты долгого и внимательного наблюдения за природой.

Приметы иной раз весьма древние, зафиксированные в различных произведениях античной и средневековой литературы, можно разделить на несколько групп:

1) основывающиеся на небесных явлениях, в том числе на возрасте и движении луны,

2) связанные с определенными календарными датами,

3)относящиеся к поведению животных и птиц и пр. и

4) основанные на самих явлениях погоды.

Первая группа идет из глубокой древности. Весьма многочисленными всегда были приметы, связанные с луной. Народное мнение всегда упорно приписывало луне весенние заморозки. Здесь причина, очевидно, смешивалась со следствием - безоблачная ночь весной всегда опасна в смысле понижения температуры.

Вторая групп примет связана с календарем, или (по церковной традиции) с днями определенных святых. Календарные приметы иногда охватывают длительный срок. Но ценность всех календарных примет, в особенности относящихся к длинным периодам, невелика.

Третья группа примет основана на поведении животных, птиц и пр. Она очень стара. В своих «Постоянных эфемеридах погоды» (1554 г.) А. Мизо приводит 46 признаков наступления плохой погоды, из которых 42 основаны на поведении животных, птиц и насекомых. Многие подобные приметы известны и в наше время (например, о ласточках, летающих перед дождем низко над землей), но об их правильности или ошибочности судить нелегко из-за отсутствия необходимых систематических наблюдений.

Несравненно большее значение имеют приметы четвертой группы, исходящие из наблюдений самих явлений погоды. Несмотря на свою многовековую давность, они весьма интересны и для нас; некоторые из них хорошо укладываются в схемы современной метеорологии. Все приметы, возникшие из внимательного наблюдения за природой, имеют определенное значение для науки.

Наиболее ценный и интересный материал, относящийся к средним векам, дошел до нас в виде летописей, которые составлялись либо официальными историками, либо частными лицами. Наряду с историческими событиями летописец отмечал из года в год бури, наводнения, снегопады.

Встречаются также упоминания о полярных сияниях. Больше всего внимание летописца привлекали такие необыкновенные явления, как, например, снегопад 26 апреля 1498 г., после которого снег толщиной «в полголени» пролежал семь дней. Напомним, что в средней полосе России в мае бывает примерно один день с небольшим снегопадом, но снег, конечно, лишь в редчайших случаях образует толстый слой. Сравнительно часто в летописях отмечались засухи (например, в 1024, 1060, 1092, 1124, 1161, 1193-1194, 1298, 1325 гг. и особенно великая засуха 1365 г., когда произошел большой пожар в Москве).

Не только в летописях, но и в других памятниках русской литературы прошлых веков мы находим записи, говорящие о внимательном наблюдении явлений природы. В Китае многочисленные хроники и анналы донесли до нашего времени весьма подробные и систематические сообщения о наводнениях, засухах, сильных холодах и пр., бывших в Китае на протяжении почти полутора тысяч лет.

Так или иначе, следует всегда помнить, что летописцы отмечали, прежде всего, наиболее выдающиеся явления природы. Сравнивать их следует, конечно, не с общим современным «уровнем» погоды, а с теми исключительными явлениями, которые наблюдаются в наше время.

1.3 Первые метеорологические приборы

Эпоха великих открытий и изобретений, отметившая начало нового периода истории человечества, произвела революцию и в естественных науках. Открытие новых стран принесло сведения об огромном количестве физических фактов, неизвестных ранее, начиная с опытного доказательства шарообразности земли и понятия о разнообразии ее климатов. Мореплавание этой эпохи нуждалось в большом развитии астрономии, оптики, знаний правил навигации, свойств магнитной стрелки, знания ветров и морских течений всех океанов. В то время как развитие торгового капитализма служило импульсом ко все более далеким путешествиям и поиском новых морских путей, переход от старого ремесленного производства к мануфактуре требовал создания новой техники.

Этот период был назван веком Ренессанса, но его достижения вышли далеко за рамки возрождения античных наук - он ознаменовался настоящей научной революцией. В XVII в. были заложены основы нового математического метода анализа бесконечно малых, открыты многие основные законы механики и физики, изобретены зрительная труба, микроскоп, барометр, термометр и другие физические приборы. Используя их, быстро начала развиваться экспериментальная наука. Возвещая ее возникновение, Леонардо да Винчи, один из самых блестящих представителей новой эпохи, сказал, что «…мне кажется, что те науки пусты и полны ошибок, которые не кончаются в очевидном опыте, т.е. если их начало или середина, или конец не проходят через одно из пяти чувств». Вмешательство Бога в явления природы было признано невозможным и несуществующим. Наука вышла из-под гнета церкви. Вместе с церковными авторитетами был предан забвению и Аристотель - с середины XVII в. Его творения почти не переиздавались и не упоминались естествоиспытателями.

В XVII в. наука как бы начала создаваться заново. То, что новая наука должна была завоевать право на существование, вызывало у ученых того времени огромный энтузиазм. Так, Леонардо да Винчи был не только великим художником, механиком и инженером, он был конструктором ряда физических приборов, одним из основателей атмосферной оптики, и то, что он написал о дальности видимости окрашенных объектов сохраняет свой интерес до сих пор. Паскаль - философ, провозгласивший, что мысль человека позволит ему покорить могучие силы природы, выдающийся математик и создатель гидростатики - первый доказал экспериментально убывание атмосферного давления с высотой. Декарт и Локк, Ньютон и Лейбниц - великие умы XVII в., прославившиеся своими философскими и математическими исследованиями - внесли большие вклады в физику, в частности, в науку об атмосфере, которая тогда почти не отделялась от физики.

Во главе этого переворота стояла Италия, где жил и творил Галилей и его ученики Торричелли, Маджиотти и Нарди, Вивиани и Кастелли. Другие страны тоже внесли большой вклад в метеорологию того времени; достаточно вспомнить Ф. Бэкона, Э. Мариотта, Р. Бойля, Хр. Гюйгенса, О. Герике - целый ряд выдающихся мыслителей.

Глашатаем нового научного метода был Ф. Бэкон (1561-1626 гг.) - «родоначальник английского материализма и всей опытной науки нашего времени», по выражению Карла Маркса. Бэкон отверг домыслы схоластической «науки», которая, как он справедливо говорил, пренебрегала естествознанием, чуждалась опыта, была скована суеверием и преклонялась перед авторитетами и догматами веры, неустанно говорившей о непознаваемости Бога и его творений. Бэкон провозгласил, что науку поведет вперед союз опыта и рассудка, очищающего опыт и извлекающего из него законы природы, истолкованные последней.

В «Новом Органоне» Бэкона мы находи описание термометра, что дало некоторым даже повод считать Бэкона изобретателем этого прибора. Перу Бэкона принадлежали и соображения об общей системе ветров земного шара, но они не нашли отзыва в творениях авторов XVII-XVIII вв., писавших на ту же тему. Собственные опытные работы Бэкона по сравнению с его философскими исследованиями имеют, тем не менее, второстепенное значение.

Для экспериментальной науки первой половины XVII в., в том числе и для метеорологии, более всего сделал Галилей. То, что он дал метеорологии, прежде казалось второстепенным по сравнению, например, с вкладом Торричелли в эту науку. Теперь мы знаем, однако, что кроме высказанного им впервые представления о весе и давлении воздуха, Галилею принадлежит идея первых метеорологических приборов - термометра, барометра, дождемера. Создание их заложило фундамент всей современной метеорологии.

Рис. 1. ? Типы ртутных барометров:

а - чашечный, б - сифонный, в - сифонно-чашечный

Рис. 2. ? Станционный чашечный барометр:

К - кольцо, на котором подвешивается барометр

Метеорологическая будка

Назначение. Будка служит для предохранения метеорологических приборов (термометров, гигрометра) от дождя, ветра и солнечных лучей.

Материалы:

- деревянные бруски 50 x 50 мм длиной до 2,5 м, 6 шт.;

- фанерные пластины шириной 50-80 мм, длиной до 450 мм, 50 шт.;

- петли для форточек, 2 шт.;

- доски не толще 20 мм для изготовления дна и крыши будки;

- белая краска, масляная или эмалевая;

- материал для лесенки.

Рис. 3. ? Метеорологическая будка

Изготовление. Из брусков сбивается корпус. Угловые бруски должны образовывать высокие ноги будки. В брусках делаются неглубокие пропилы под углом 45°, в них вставляются фанерные пластины так, чтобы они образовали боковые стенки и через противоположные стенки будки не были видны просветы. Рама передней стенки (дверки) делается из реек и навешивается на петлях. Задняя стенка будки и дверка монтируются из фанерных пластин так же, как боковые стенки. Из досок сбиваются дно и крыша. Крыша должна свешиваться с каждой стороны будки не менее чем на 50 мм, она устанавливается наклонно. Будка красится в белый цвет.

Установка. Будка устанавливается так, чтобы ее дно было на высоте 2 м от поверхности земли. Возле нее из любого материала сооружается постоянная лесенка такой высоты, чтобы лицо наблюдателя, стоящего на ней, было на высоте середины будки.

Эклиметр. Назначение. Измерение вертикальных углов, в том числе высоты небесных светил.

Материалы:

- металлический транспортир;

- нитка с грузиком.

Изготовление. Края основания транспортира изгибаются под прямым углом, на отогнутых частях пробиваются небольшие визирные отверстия на одинаковом расстоянии от горизонтального диаметра транспортира. Изменяется оцифровка шкалы транспортира: 0° ставится там, где обычно стоит 90°, а на местах 0° и 180° пишется 90°. Конец нити закрепляется в центре транспортира, другой конец нити с грузиком свободно свешивается.

Работа с прибором. Сквозь два визирных отверстия наводим прибор на нужный объект (небесное светило или предмет на Земле) и читаем вертикальный угол по нити. Нельзя смотреть на Солнце даже сквозь маленькие отверстия; чтобы определить высоту Солнца, нужно найти такое положение, чтобы солнечный луч проходил через оба визирных отверстия.

Гигрометр. Назначение. Определение относительной влажности воздуха без помощи таблиц.

Рис 4. ? Гигрометр

Материалы:

- дощечка 200 x 160 мм;

- рейки 20 x 20 мм длиной до 400 мм, 3-4 шт.;

- 5-7 светлых человеческих волос длиной 300-350 мм;

- гирька или иной грузик весом 5-7 г;

- легкая металлическая стрелка длиной 200-250 мм;

- проволока, мелкие гвозди.

Волосы нужны женские, они тоньше. Прежде чем срезать 5-7 волосков, нужно тщательно вымыть голову шампунем для жирных волос (даже если волосы нежирные). На стрелке должен быть противовес, чтобы стрелка, будучи посажена на горизонтальную ось, была в безразличном равновесии.

Изготовление. Дощечка служит основанием прибора. На ней монтируется П-образная рамка высотой 250-300, шириной 150-200 мм. На высоте около 50 мм от основания горизонтально крепится перекладина. На ней посередине устанавливается ось стрелки, это может быть гвоздик. Стрелка должна быть надета на него втулкой. Втулка должна вращаться на оси свободно. Внешняя поверхность втулки не должна быть скользкой (на нее можно надеть короткий отрезок тонкой резиновой трубки. К середине верхней перекладины рамки крепятся волосы, к другому концу пучка волос подвешивается грузик. Волосы должны касаться боковой поверхности втулки, нужно сделать ими один полный оборот. Из картона или любого другого материала выкраивается дугообразная шкала и прикрепляется к рамке.

Нулевое деление шкалы (полная сухость воздуха) можно с известной долей условности нанести там, где остановится стрелка прибора, на 3-4 минуты положенного в духовку. Максимальную влажность (100%) отметьте по показанию стрелки прибора, помещенного в закрытое полиэтиленовой пленкой ведро, на дно которого налит кипяток. Промежуток между 0% и 100% разделите на 10 равных частей и подпишите десятки процентов. Хорошо, если удастся проконтролировать показания гигрометра, сверив его с психрометром на метеостанции.

Установка. Прибор удобно держать в метеорологической будке; если хотите знать влажность воздуха в помещении, поставьте его в комнате.

Экваториальные солнечные часы

Назначение. Определение истинного солнечного времени.

Рис 5. ? Экваториальные солнечные часы

Материалы:

- квадратная доска со стороной от 200 до 400 мм;

- деревянная или металлическая палочка, можно взять гвоздь 120 мм;

- циркуль;

- транспортир;

- масляные краски двух цветов.

Изготовление. Доска - основание часов окрашивается одним цветом. По основанию краской другого цвета вычерчивается циферблат - круг, разделенный на 24 части (по 15°). Сверху пишется 0, внизу 12, слева 18, справа 6. В центре часов укрепляется гномон - деревянный или металлический штырь; нужно, чтобы он был строго перпендикулярен циферблату.

Установка. Часы ставятся на любой высоте в месте как можно более открытом, не защищенном от солнечных лучей строениями, деревьями. Основание часов (низ циферблата) располагается в направлении восток-запад. Верхняя часть циферблата поднимается так, чтобы угол между плоскостью циферблата и горизонтальной плоскостью составил 90° минус угол, соответствующий географической широте места.

Работа с прибором. Время читается по циферблату по тени, отбрасываемой гномоном. Часы будут работать с конца марта по 20-23 сентября. Часы показывают истинное солнечное время, не забывайте, что оно отличается от того, по которому мы живем, в некоторых местах довольно значительно. Если хотите, чтобы часы работали и зимой, сделайте так, чтобы гномон прошел насквозь дощечки-основания, он будет служить опорой в ее наклонном положении, а на нижней стороне основания начертите второй циферблат; только на нем цифра 6 будет слева, а 18 - справа. - Прим. ред.

Флюгер

Назначение. Определение направления и силы ветра.

Материалы:

- деревянный брусок;

- жесть или тонкая фанера;

- толстая проволока, 5-7 мм;

- пластилин или оконная замазка;

- масляная краска;

- мелкие гвозди.

Изготовление. Корпус флюгера делается из деревянного бруска длиной 110-120 мм, которому придается форма усеченной пирамиды с основаниями 50 x 50 мм и 70 x 70 мм. К противоположным боковым граням пирамиды прибиваются два жестяных или фанерных крыла в виде трапеций высотой около 400 мм, с основаниями 50 мм и 200 мм; жестяные крылья лучше, они не коробятся от сырости.

Рис 6. ? Флюгер

В центре бруска просверливается (не насквозь!) отверстие диаметром немного больше диаметра того штыря, на котором будет вращаться флюгер. Внутрь отверстия, в самом его конце, хорошо бы вставить что-то твердое, чтобы при вращении флюгера отверстие не рассверливалось.

В торцевую часть флюгера, со стороны противоположной крыльям, вгоняется проволока так, чтобы она выступала на 150-250 мм, а на ее конец надевается шарик из пластилина или оконной замазки. Вес шарика подбирается так, чтобы он уравновешивал крылья, чтобы флюгер не перевешивался назад или вперед. Хорошо, если удастся вместо пластилина или замазки подобрать и хорошо закрепить на проволоке другой, более надежный противовес.

Выгибается из проволоки и вставляется вертикально в верхнюю поверхность бруска флюгера, над осью его вращения, прямоугольная рамка высотой 350 мм и шириной 200 мм. Рамка должна быть расположена перпендикулярно продольной оси флюгера. На рамку навешивается на петельках (проволочных колечках) жестяная или фанерная дощечка весом 200 г и размером 150 x 300 мм. Дощечка должна свободно качаться, но не должна смещаться из стороны в сторону. К одной из боковых стоек рамки прикрепляется фанерная или жестяная шкала силы ветра в баллах. Все деревянные и фанерные детали (а по желанию и остальные) красятся масляной краской.

Установка. Согласно стандарту, флюгер устанавливается на вкопанном в землю столбе или на вышке над крышей здания на высоте 10 м над уровнем земли. Соблюсти это требование довольно сложно, придется исходить из возможностей, учитывая при этом и видимость прибора с высоты человеческого роста. Ось флюгера нужно установить вертикально на столбе, по сторонам которого должны быть штыри, указывающие восемь направлений: С, СВ, В, ЮВ, Ю, ЮЗ, З, СЗ. Из них только на одном, направленном на север, должна быть закреплена хорошо видная буква С.

Работа с прибором. Направление ветра - это направление, откуда дует ветер, поэтому оно читается по положению противовеса, а не крыльев флюгера. Сила ветра в баллах читается по степени отклонения доски флюгера. Если доска колеблется - принимается во внимание ее среднее положение; когда наблюдаются отдельные сильные порывы ветра, указывают и максимальную силу ветра. Так, запись «ЮЗ 3 (5)» означает: ветер юго-западный, 3 балла, порывами до 5 баллов.



Рис. 7. ? Метеорологические станции

Рис. 8. ? Волосной гигрометр:

1 - волос; 2 - рамка; 3 - стрелка; 4 - шкала

Рис. 9. ? Плёночный гигрометр:

1 - мембрана; 2 - стрелка; 3 - шкала

Рис. 10. ? Метеорологические приборы

Метеорологические приборы, которые использовал Р. Гук в середине XVII века (рис. 10): барометр (а), анемометр (б) и компас (в) определяли давление, скорость и направление ветра как функции времени, разумеется если были часы. Для того чтобы разобраться в причинах и свойствах движения атмосферного воздуха, были нужны многочисленные и достаточно точные измерения, а следовательно, достаточно дешевые и точные приборы. Изображение: «Квант»

Рис. 11. - Внутреннее устройство анероида

Рис. 12. - Расположение метеорологических станций на Земле

Рис. 13. - Снимки с космических метеорологических станций



Рис. 14. - Практика в Гайдарах (Метеорологическая станция)

1.4 Первые шаги климатологии

Путешественники и мореплаватели древности уже весьма давно обратили внимание на различие климатов тех или других стран, которые им довелось посетить. Климатология, таким образом, в течение веков шла рука об руку с географией, будучи ее неотъемлемой частью. Первобытный человек считал привычную ему смену зимы и лета, жары и холода, дождей и засухи неизменным, установленным верховной силой порядком. Для него, жившего весь свой век на одном месте, понятия «климат» еще не существовало. Только первые путешествия убедили человека в том, что порядок явлений погоды в других странах иной. Так возникло представление о разнообразии климатов, которое нельзя связать ни с определенной эпохой, ни с определенным лицом. Оно развивалось и расширялось на основании опыта многих поколений. То, что мы называем климатологическими сведениями, можно найти во многих памятниках письменности прошлых тысячелетий, особенно в творениях историков и путешественников. Эти данные были, конечно, весьма отрывочными и не складывались в какую-либо стройную научную систему.

Греческим ученым принадлежит первая попытка установить систему климатов земли. Утверждают, что историк Полибий (204-121 гг. до н.э.) первый разделил всю землю на 6 климатических поясов - два жарких (необитаемых), два умеренных и два холодных. В ту эпоху уже было ясно, что степень холода или тепла на земле зависит от угла наклона падающих солнечных лучей. Отсюда возникло и самое слово «климат», обозначавшее в течение многих веков некоторый пояс земной поверхности, ограниченный двумя широтными кругами.

У Цицерона (106-43 гг. до н.э.) мы находим упоминание о смягчающем влиянии моря на климат. Позднее один их христианских комментаторов Цицерона Минуциус Феликс объяснил умеренность климата Британии влиянием омывающий ее морей.

В книге Мовсеса Хоренаци «История Армении» (V в. н. э.) мы находим многочисленные упоминания о климате различных частей Армении. Побывав в Египте, Хоренайи сообщил интересные сведения о его климате. Немного добавили к наследию классической древности в области климатологии и средние века. В записках путешественников той эпохи мы находим сообщения о бурях и дождях ветрах и морозах.

В литературе Востока также можно обнаружить некоторые сведения о разнообразии климатов. Например, персидская география многократно напоминает о климате различных стран. Стоит упомянуть некоторые сведения, касающиеся описания климата России. Марко Поло в 70-х годах XIII в. описал холодный климат Нижнего Поволжья. В 1246 г. Плано Карпини и несколькими годами позже Рубруквис проезжали через Южную России, направляясь на Восток, и оставили красочное описание снегов и морозов. Позднее подобные сведения оставили Гильбер де Ланноа (1413-1421 гг.), венецианец Иосфат Барбаро (1436-1451 гг.) и др. Матвей Меховский в своем «Трактате о двух Сарматиях» (1517 г.) сравнивал климаты Москвы и Прибалтики. Баренц, зимовавший в «Ледяной гавани» на Новой Земле в 1596-97 г., оставил нам подробные записки о ветре, облаках, осадках того края.

Многочисленны свидетельства о климатах российских авторов. Внимание их, естественно, привлек климат новых, еще малоизвестных земель, недавно присоединенных к Московскому государству. Описание климата Якутии (1643 г.) сделали ленские воеводы Головин и Глебов. Завоевателей Приамурья Пояркова и Хабарова тоже сильно интересовал климат тех мест. Своеобразное физико-географическое описание Сибири и особенно ее рек оставил нам Николай Спафарий, ездивший в 1675 г. с посольством в Китай. Большую сводку географических, в том числе климатологических, данных, накопленных наукой к началу XVII в., мы находим в «Географии генеральной» голландского географа Б. Варениуса (1622 - 1650 гг.).

Изобретение метеорологических приборов и начало регулярных наблюдений позволили сделать следующий шаг - перейти от качественного к количественному сравнению и характеристике климатов. Климатологическая теория также ведет свое начало с XVIII в., хотя очень трудно указать вехи медленного и постепенного развития идей климатологии тех времен. Тогда была окончательно признана недостаточной астрономическая система деления климатов, именовавшая «климатами» определенные широтные пояса земной поверхности. Внимание ученый привлекли различные другие факторы климата.

Гениальный Ломоносов указал в ту эпоху на целый ряд факторов и зависимостей, которые позднее легли в основу климатологической науки.

Вместе с тем в XVIII в. были поставлены и практические задачи климатологии. У нее искали ответа на вопросы о гигиенических условиях местности и об опасности тех или иных болезней, о сельскохозяйственных возможностях и пр. Доктор Лининг в 1738 г. в Чарльстоне именно под этим углом зрения рассматривал пользу метеорологических наблюдений.

Таким образом, к концу XVIII в. старое представление о разнообразии климатов земли уже было подкреплено рядами инструментальных наблюдений, совершенно ясно определились важнейшие общие причины существования различных климатов, а также наметились и некоторые проблемы практической климатологии. Все это были зародыши идей, которым суждено было получить полное развитие в следующем веке, когда уже стало возможным использовать параллельные ряды наблюдений метеорологических станций для сравнения климатов.

1.5 Первые ряды инструментальных наблюдений и возникновение сетей метеорологических станций

природный погода метеорологический климатология

Создание первых метеорологических приборов и начало количественных наблюдений за метеорологическими явлениями отметили собой новый период развития науки в XVIII в. В этом и последующем столетиях были сделаны два важных шага к созданию современной системы метеорологии: были намечены первые метеорологические ряды наблюдений во многих местах Европы и Америки и сделаны первые удачные опыты устройства сети метеорологических станций в современном понятии.

Старейший ряд метеорологических инструментальных (притом одновременных) наблюдений был сделан по замыслу Паскаля.

Наиболее старые дождемерные наблюдения были сделаны во Франции. Э. Мариотт в своем «Трактате о движении вод», вышедшем в 1686 г., через два года после его смерти, выступил с инфильтрационной теорией грунтовых вод, подкрепляя свои доводы уже количественными дождемерными наблюдениями.

Наиболее длинный в мире ряд наблюдений за осадками был начат в 1688 г. В Париже Седило, а затем продолжен Лагиром, ведшим их непрерывно до 1717 г. Они были начаты в связи с «необходимостью обеспечить питание версальских водоемов».

В развитии метеорологии в XVII в. большую роль сыграло Лондонское Королевское общество, в особенности Гук, Бойль и другие его члены. Гуком была составлена специальная инструкция для метеорологических наблюдений.

Первая систематическая серия таких наблюдений была сделана философом Локком начиная с июня 1666 г. до декабря 1692 г., вначале в Оксфорде, затем в Лондоне и Отсе. Примерно в это же время наблюдения с барометром послужили Бойлю основание для его некоторых соображений о связи погоды с высотой барометра.

В 20 - 30 годах XVIII в. начались систематические инструментальные наблюдения в России. Первые регулярные сведения о погоде сохранились в делах приказа тайных дел эпохи Алексея Михайловича. Они составлялись по показаниям стражи, наряжавшейся на караул в Кремль. Более или менее подробные записи о погоде были начаты в 1722 г. в Петербурге вице-адмиралом К. Крюйсом по личному приказу Петра I.

Первый, очень короткий ряд, метеорологических наблюдений в России был сделан в С.-Петербурге английским пастором Томасом Консеттом (с 24/XII 1724 г. до 23/VI 1725 г.).

Долгое время был малоизвестен тот факт, что обширные и подробные метеорологические наблюдения были организованы на целой сети станций в Сибири в 1730 г. Организация сети метеорологических станций в Сибири была делом ученых, участников Великой Северной Экспедиции под руководством Беринга. Экспедиция открыла в 1733 г. станции в Казани, в 1734 г. в Екатеринбурге, Тобольске, Ямышеве, Енисейске, Томске, Туруханске, Иркутске, Якутске, Селенгинском, Нерчинске, Аргунских серебряных копях.