Множество причин затрудняет точное предсказание погоды. В конечном счете практически все явления в атмосфере связаны с превращениями получаемой Землей солнечной энергии, но эти превращения столь многообразны и сложны, что их изучение, учет, а тем более прогнозирование представляют большие трудности. Связано это с неоднородностью атмосферы, ее подвижностью, разнообразностью рельефа и физических свойств поверхности Земли, ее вращением, излучением тепла от Земли и атмосферы в космос. К границе земной атмосферы на каждый ее квадратный метр приходит от Солнца в течение минуты 20 ккал энергии. Около 35% ее отражается обратно в космос, 15% поглощается атмосферой и 50% — поверхностью Земли.
Разнообразен характер солнечного излучения. Оно проявляется в виде радиоизлучения, инфракрасного, светового, ультрафиолетового, рентгеновского излучений, а также в виде потока заряженных частиц — электронов, протонов. Каждое из перечисленных излучений Солнца оказывает различное влияние на разные слои атмосферы. При этом к поверхности Земли приходит в основном видимая часть излучений Солнца.
Нагреваясь, Земля отдает тепло атмосфере. Теплоотдача происходит как при контакте воздуха с поверхностью суши и воды, так и путем теплового излучения Земли. Атмосфера очень хорошо поглощает излучаемое Землей тепло. Большая подвижность атмосферы ведет к быстрым перемещениям теплых масс воздуха вверх, а холодных вниз. Этой же причиной вызываются весьма значительные перемещения холодных масс из охлажденных районов Земли и теплых из районов с высокой температурой. Вращение Земли заставляет возникающие в северном полушарии потоки воздуха отклоняться вправо, а в южном—влево от тех направлений, которые они имели бы в случае неподвижности земного шара. Это приводит к развитию гигантских вихревых атмосферных образований—циклонов и антициклонов.
Вследствие трения между земной поверхностью и перемещающейся воздушной массой и между отдельными слоями воздуха отклоняющее воздействие вращения Земли на различных высотах сказывается по-разному. Оно возрастает с увеличением высоты. Например, непосредственно над поверхностью суши направление ветра изменяется до 45—55°, а на уровне 50 м — до 90°. В результате совместного действия всех факторов получается очень сложная картина распределения воздушных течений в атмосфере.
Таким образом, для изучения погодообразующих процессов и прогнозирования погоды необходимо всестороннее изучение самых разнообразных явлений в атмосфере Земли и на ее поверхности, а также в космосе (в околоземном и дальнем, включая Солнце).
Дело в том, что под действием коротковолновой радиации “спокойного” Солнца образуется земная ионосфера. Это излучение также оказывает непосредственное влияние на молекулярный состав и плотность верхних слоев атмосферы, что в свою очередь определяет тепловой баланс нижних ее слоев. Не менее важно влияние различных активных процессов в солнечной короне, наиболее известными из которых являются солнечные вспышки.
Проблемы солнечно-земных связей еще во многом ждут своего решения. Но уже сегодня ясно, что многие “спусковые механизмы” погодных явлений, происходящих на Земле, инициированы космическими причинами. Разнообразные спутники и межпланетные станции приступили к систематическому изучению проблем солнечно-земной физики.
Дальнейшее развитие техники и экономики предъявляет новые требования к метеорологии. Еще недавно прогнозы погоды составляли для обеспечения хозяйственной деятельности относительно небольших районов. Теперь же с созданием регулярных авиалиний в самые отдаленные пункты нашей планеты, с организацией межконтинентальных перелетов в Антарктиду, с развитием морского транспорта и распространением рыболовства на весь Мировой океан наиболее необходима полная информация о гидрометеорологической обстановке и ее предстоящих изменениях в масштабе всей Земли.
Уверенное прогнозирование погоды на длительный срок требует создания теории общей циркуляции атмосферы, что невозможно без систематических метеорологических наблюдений на всей поверхности планеты. Однако существующие в настоящее время около 10 тыс. метеостанций на Земле не позволяют решить эту задачу. Они не могут дать информацию с огромных просторов океанов, их мало в труднодоступных районах суши, на ледяных просторах Арктики и Антарктики. Почти 80% планеты остается “белым пятном” для метеорологии. Неконтролируемая часть атмосферы не только велика по размерам, но и расположена над районами, играющими важнейшую роль в формировании погодных явлений.
По-настоящему широко удалось взглянуть на атмосферу только с помощью космических аппаратов: только метеорологический спутник, вооруженный специальной аппаратурой, непрерывно перемещаясь над Землей, может дать информацию о погоде на всей планете.
Измеряя с помощью бортовой аппаратуры спутника параметры излучения тепла различных слоев атмосферы, можно получить богатый материал для изучения происходящих в ней процессов. Кроме того, спутник может служить хорошим средством для сбора информации с наземных метеорологических пунктов, разбросанных по всему земному шару. За время одного оборота вокруг Земли спутник собирает данные, которые в 100 раз превышают информацию, поступающую со всех метеорологических станций, и, кроме того, дает сведения о погоде на той части поверхности земного шара, которая является “белым пятном” для метеорологов.
Таким образом, космическая техника станет одним из самых эффективных средств в метеорологии, имеющих огромное экономическое значение. Уже первые метеорологические спутники дали много ценной для хозяйственной практики информации. Так, например, “Космос-144”, входивший в экспериментальную метеорологическую систему “Метеор”, обнаружил, что от о. Врангеля до Берингова пролива океан очистился от льда. Это позволило начать навигацию по Северному морскому пути на месяц раньше намеченного срока.
Обнаружение тайфунов и ураганов с помощью спутников стало обычным явлением. Так были обнаружены ураганы “Бэтси”, “Эстер”, тайфуны “Ненси”, “Памела”, которые наносят огромные убытки хозяйству. Например, ураган “Агнес”, обрушившийся на восточную часть США 20—23 июня 1972 г., унес 118 жизней, а причиненный им материальный ущерб оценивается в три с лишним миллиарда долларов. Объем осадков, выпавших на сушу во время урагана, составил около 100 куб. км.
Уже сегодня эксплуатация метеорологических космических систем вносит серьезный вклад в экономику, а в ближайшие годы он возрастает во много раз. Так, например, если метеорологические спутники позволят составлять надежный прогноз погоды на пять суток вперед, то (по оценкам совета экономических экспертов при президенте США) ежегодно будет обеспечен следующий экономический эффект: в сельском хозяйстве—2500 млн. долл., в наземном транспорте—100 млн.; в лесной промышленности—45 млн.; в водном хозяйстве—3000 млн. долл. Таким образом, суммарный эффект в хозяйственных отраслях Соединенных Штатов от такой системы составит около 6 млрд. долл. Для всего мира эта цифра возрастет во много раз.
По мнению зарубежных ученых, прогнозы погоды с достоверностью 90—95% для всего земного шара на трое суток вперед с помощью космической метеорологической системы обеспечат ежегодную экономию около 60 млрд. долл.
Для составления прогнозов Гидрометеослужбы СССР широко используются спутники “Метеор”, на основе которых в 1967 г. была создана метеорологическая космическая система. Она, по далеко не полным данным, позволяет сохранить ежегодно материальные ценности на сумму около 700 млн. руб.
Метеорологическая система “Метеор” состоит из метеорологических спутников, находящихся на орбитах, наземного комплекса приема, обработки и распространения информации, а также службы контроля состояния бортовых систем спутников и управления ими.
Метеорологический спутник состоит из двух герметичных отсеков: приборного, находящегося в его нижней части и содержащего научную аппаратуру, и энергоаппаратурного, в котором размещаются основные служебные системы. С этим отсеком конструктивно связан механизм электропривода панелей солнечных батарей. Продольная ось спутника постоянно направлена к центру Земли. Спутник ориентирован также по двум другим осям, направленным вдоль траектории и перпендикулярно к плоскости орбиты. Стабилизируется он с помощью электро-маховичной системы. Солнечные батареи с помощью специальной системы ориентации и стабилизации постоянно располагаются плоскостями панелей перпендикулярно солнечным лучам. Направление оси спутника контролируется датчиками теплового излучения Земли, а для ориентации солнечных батарей используются специальные фотоэлементы. Система терморегулирования обеспечивает требуемый режим работы внутри спутника.
Метеорологическая аппаратура спутника состоит в основном из телевизионной (ТВ), инфракрасной (ИК) и актинометрической (АК) систем. Она может работать циклами различной продолжительности и включается по заданной программе или по командам с Земли. ТВ и ИК снимки позволяют выявить особенности структуры полей облачности, не доступные наблюдениям с наземной сети станций, и сделать выводы не только о положении, но и об эволюции соответствующих синоптических объектов и воздушных масс. Совместная ТВ и ИК информация позволяет сделать более надежную оценку синоптической обстановки и характера развития атмосферных процессов.
АК аппаратура предназначена для измерения радиации, уходящей от Земли. В ее составе имеются два сканирующих узко-секторных прибора, один — для диапазона 0,3—3 мкм, а другой для диапазона 3—30 и 8—12 мкм. Это позволяет исследовать отражательные и излучательные свойства облаков и открытых участков земной поверхности, а также радиационный баланс системы Земля—атмосфера.
За один оборот вокруг Земли спутник “Метеор” получает ТВ и ИК информацию с территории около 8% и о радиационных потоках—с 20% площади земного шара. Система из двух спутников, находящихся на круговых околополярных орбитах высотой около 630 км, плоскости которых пересекаются под углом 95°, дает в течение суток информацию с половины поверхности Земли. При этом каждый из районов планеты наблюдается с интервалом 6 ч.
В СССР создана также наземная система сбора, обработки и распространения метеоинформации, построенная на использовании электронно-вычислительных машин. Получаемая информация оформляется в виде снимков, на которые наносится сетка географических координат, свободных от перспективных искажений, приведенных к одному масштабу и удобных для сравнения с синоптическими картами. Результаты обработки данных АК аппаратуры представляются в виде цифровых карт с автоматически нанесенной на них сеткой координат и изолиниями. Полученная информация используется для международного обмена. Уже в течение ряда лет ученые социалистических стран ведут в рамках программы “Интеркосмос” исследования облачности, радиационного и теплового баланса системы Земля — атмосфера по спутниковым данным. В результате этой работы специалисты Болгарии, Венгрии, ГДР, Румынии и Советского Союза создали совместную книгу “Использование данных о мезомасштабных особенностях облачности в анализе погоды”. Это издание имеет практическое значение для оперативной работы синоптиков-прогнозистов. Большой практический интерес представляет также совместная работа ученых этих стран над усовершенствованием методов получения полей метеорологических элементов на основе спутниковой информации. В ряде социалистических стран создаются бортовые приборы, устанавливаемые на советских метеорологических спутниках, а также наземная аппаратура для приема информации со спутников в режиме непосредственной передачи.
Большие возможности для оперативного наблюдения погодных явлений имеют пилотируемые космические корабли и станции, так как космонавт может немедленно дать сведения о тех или иных погодных явлениях, не дожидаясь специальной обработки метеоинформации в наземном центре. В процессе полета космических кораблей “Союз” и орбитальных станций “Салют” был получен ряд ценных сведений, используемых в работе Гидрометцентра СССР.
Метеорологические системы как в СССР, так и в других странах непрерывно совершенствуются. Можно предполагать, что в будущем в метеорологическую систему войдут космические аппараты, расположенные на трех ярусах. Первый ярус составляет долговременные обитаемые орбитальные станции. Они обеспечат визуальные наблюдения геосферы и быстропротекающих метеорологических явлений, а также, приливов, обвалов, пыльных и песчаных бурь, цунами, ураганов, землетрясений. Второй ярус — это автоматические спутники типа “Метеор” на полярных и приполярных орбитах высотой 1—1,5 тыс. км. Основное их назначение — поставлять информацию, необходимую для численных методов прогнозирования погоды в глобальном и локальном масштабах, обеспечить наблюдение средне- и мелкомасштабных процессов в атмосфере. Наконец, третий ярус — метеорологические спутники на орбитах высотой до 36 тыс. км для непрерывного наблюдения динамических процессов в атмосфере Земли. Они дадут картину общей циркуляции атмосферы. Кроме того, такая трехъярусная метеосистема будет получать дополнительную информацию о “погоде” в космосе от космической службы Солнца и космоса. Суммируя всю эту информацию, ученые смогут точнее предсказывать ход событий в атмосфере, познать закономерности погодообразования, что позволит вплотную подойти к управлению погодой на нашей планете и создаст предпосылки для преобразования природы на Земле в нужном для человечества направлении.