Prognoza pogody — połączenie nauki ze sztuką

OD NASZEGO KORESPONDENTA Z WIELKIEJ BRYTANII

DNIA 15 PAŹDZIERNIKA 1987 ROKU PEWNA KOBIETA POINFORMOWAŁA TELEFONICZNIE STACJĘ TELEWIZYJNĄ W WIELKIEJ BRYTANII, ŻE SŁYSZAŁA, IŻ ZBLIŻA SIĘ HURAGAN. PREZENTER PROGNOZY POGODY ZAPEWNIAŁ JEDNAK TELEWIDZÓW: „PROSZĘ SIĘ NIE MARTWIĆ. NIC TAKIEGO SIĘ NIE WYDARZY”. ALE TEGO SAMEGO WIECZORA W POŁUDNIOWĄ ANGLIĘ UDERZYŁA NAWAŁNICA, KTÓRA ZNISZCZYŁA 15 MILIONÓW DRZEW, ZABIŁA 19 OSÓB I SPOWODOWAŁA STRATY W WYSOKOŚCI PRZESZŁO 1,4 MILIARDA DOLARÓW.

CODZIENNIE rano miliony ludzi włącza radio lub telewizor, by się dowiedzieć, jaka będzie pogoda. Czy zachmurzone niebo zwiastuje deszcz? Czy poranne słońce będzie świeciło przez cały dzień? Czy z powodu wzrostu temperatury nadejdzie odwilż i zacznie topnieć śnieg i lód? Prognozy pomagają nam ustalić, jak się ubrać i czy zabrać ze sobą parasol.

Czasami jednak zapowiedzi synoptyków okazują się wyjątkowo nietrafne. To prawda, że w ostatnich latach są one znacznie dokładniejsze niż kiedyś, niemniej przewidywanie pogody to fascynujące połączenie nauki i sztuki, któremu jeszcze daleko do nieomylności. Na czym polega opracowywanie prognoz pogody i czy są one wiarogodne? Zanim znajdziemy odpowiedź, przyjrzyjmy się, jak to robiono w przeszłości.

Zmierzyć pogodę

W czasach biblijnych przewidywano pogodę przede wszystkim na podstawie obserwacji przeprowadzanych gołym okiem (Mateusza 16:2, 3). Obecnie meteorolodzy dysponują przeróżnymi skomplikowanymi przyrządami, z których te najbardziej podstawowe służą do pomiaru ciśnienia atmosferycznego, temperatury i wilgotności powietrza oraz siły wiatru.

W roku 1643 włoski fizyk Evangelista Torricelli wynalazł barometr — proste urządzenie do mierzenia ciśnienia atmosferycznego. Wkrótce zauważono, że wzrostom i spadkom ciśnienia towarzyszą zmiany pogody — na przykład spadek często jest zapowiedzią burzy. W roku 1664 wymyślono higrometr, przyrząd do pomiaru wilgotności powietrza. Jeszcze później, w roku 1714, niemiecki fizyk Daniel Fahrenheit skonstruował termometr rtęciowy. Odtąd można było precyzyjnie mierzyć temperaturę.

Około roku 1765 francuski naukowiec Antoine Laurent Lavoisier zaproponował, by codziennie dokonywać pomiaru ciśnienia atmosferycznego, wilgotności powietrza oraz szybkości i kierunku wiatru. „Dzięki tym wszystkim informacjom”, mówił, „prawie zawsze będzie można dość dokładnie przewidzieć pogodę z jedno- lub dwudniowym wyprzedzeniem”. Niestety, okazało się, że nie jest to takie proste.

 Śledzić pogodę

W 1854 roku u wybrzeży portu Balaklawa na Krymie gwałtowny huragan zatopił francuski okręt wojenny i 38 jednostek handlowych. Na prośbę władz francuskich zajął się tą sprawą Urbain Jean Joseph Leverrier, dyrektor paryskiego obserwatorium. Przeanalizował dane meteorologiczne i stwierdził, że cyklon uformował się dwa dni przed tragedią i przetoczył przez Europę z północnego zachodu na południowy wschód. Gdyby istniał jakiś system śledzenia tras huraganów, można by w porę powiadamiać załogi statków. Dlatego we Francji powołano państwową służbę ostrzegania przed burzami. Tak oto narodziła się współczesna meteorologia.

Potrzebny jednak był jakiś sposób szybkiego przekazywania naukowcom informacji pogodowych z różnych miejsc. Rozwiązaniem okazał się zbudowany nieco wcześniej przez Samuela Morse’a aparat telegraficzny. Dzięki temu wynalazkowi w roku 1863 paryskie obserwatorium meteorologiczne mogło rozpocząć publikowanie pierwszych nowoczesnych map pogody. W roku 1872 wydawało je również Brytyjskie Biuro Meteorologiczne.

Im więcej informacji gromadzili meteorolodzy, tym bardziej uświadamiali sobie, jak skomplikowana jest pogoda. Wymyślono więc nowe przyrządy do sporządzania wykresów, dzięki czemu mapy pogody zawierają dodatkowe dane. Na przykład izobary to linie łączące punkty o jednakowej wartości ciśnienia atmosferycznego. Izotermy natomiast łączą miejsca o takiej samej temperaturze. Na mapach pogody umieszcza się też symbole oznaczające kierunek i siłę wiatru oraz linie wskazujące miejsca, gdzie spotykają się ciepłe i zimne masy powietrza.

Z czasem skonstruowano bardzo skomplikowane urządzenia. Obecnie setki stacji meteorologicznych na całym świecie wysyła balony z radiosondami — instrumentami, które dokonują pomiarów w atmosferze i przekazują wyniki na ziemię drogą radiową. Wykorzystuje się również radary. Zjawisko odbicia fal radiowych od kropel wody i kryształków lodu w chmurach pozwala meteorologom określić trasę burz.

Prowadzenie dokładniejszych obserwacji zjawisk atmosferycznych stało się możliwe dzięki ogromnemu postępowi, jaki zrobiono w roku 1960, gdy został wystrzelony pierwszy satelita meteorologiczny, TIROS I, wyposażony w kamerę telewizyjną. Obecnie satelity meteorologiczne okrążają ziemię po orbitach przebiegających nad biegunami, a satelity geostacjonarne znajdują się stale na ściśle określonej pozycji nad powierzchnią ziemi i nieustannie śledzą tę część naszego globu, w którą nakierowane są ich czujniki. Obydwa rodzaje satelitów przesyłają obrazy pogody.

Prognozowanie pogody

Ale wiedzieć, jaka pogoda panuje w danej chwili, to jedna rzecz, a przewidzieć, jaka będzie za godzinę, dzień  lub tydzień, to zupełnie coś innego. Po I wojnie światowej brytyjski meteorolog Lewis Richardson uznał, iż skoro zjawiska atmosferyczne podlegają prawom fizyki, to do prognozowania pogody można się posłużyć matematyką. Jednakże wzory były tak skomplikowane, a obliczenia pochłaniały tyle czasu, że fronty atmosferyczne przechodziły, zanim synoptycy skończyli swe rachunki. Poza tym Richardson korzystał z danych pogodowych gromadzonych co sześć godzin. „Nawet te najmniej dokładne prognozy wymagają dokonywania pomiarów co najmniej w odstępach 30-minutowych” — zauważa francuski meteorolog René Chaboud.

Jednakże wraz z nastaniem ery komputerów stało się możliwe przeprowadzanie skomplikowanych obliczeń w krótkim czasie. Na podstawie obliczeń Richardsona meteorolodzy opracowali bardzo złożony model numeryczny — układ równań matematycznych uwzględniających wszystkie znane prawa fizyczne rządzące pogodą.

Aby wykorzystać te równania, meteorolodzy odpowiednio dzielą powierzchnię ziemi, tworząc coś w rodzaju siatki. Obecnie w modelu globalnym stosowanym przez Brytyjskie Biuro Meteorologiczne odległość między węzłami tej siatki wynosi 80 kilometrów. Obserwacje ruchów powietrza, ciśnienia atmosferycznego, temperatury i wilgotności prowadzi się na 20 różnych wysokościach. Komputer analizuje dane napływające z przeszło 3500 punktów obserwacyjnych rozmieszczonych na naszym globie i oblicza 15-minutową prognozę pogody dla całego świata. Kiedy zakończy to zadanie, natychmiast generuje prognozę na następne 15 minut. Powtarzając ten proces wielokrotnie, komputer może w ciągu zaledwie kwadransa ustalić 6-dniową prognozę dla całej ziemi.

Bardziej szczegółowe i dokładniejsze prognozy dla konkretnych regionów opracowuje się w Brytyjskim Biurze Meteorologicznym dzięki modelowi Limited Area Model, obejmującemu sektor północnego Atlantyku i Europy. W tym wypadku odległość między węzłami siatki wynosi 50 kilometrów. Wykorzystuje się też model ograniczający się tylko do Wysp Brytyjskich i oblewających je mórz. W tym modelu są 262 384 węzły, oddalone od siebie o 15 kilometrów, a pomiarów dokonuje się na 31 wysokościach!

Rola synoptyków

Jednakże przewidywanie pogody to coś więcej niż same badania naukowe. W dziele The World Book Encyclopedia wyjaśniono: „Wzory wykorzystywane przez komputery pozwalają otrzymać jedynie przybliżony obraz przebiegu procesów atmosferycznych”. Poza tym nawet dość dokładna prognoza dla dużego obszaru może nie uwzględniać wpływu warunków lokalnych. Prognozowanie jest zatem swego rodzaju sztuką. Właśnie dlatego istotną rolę odgrywa synoptyk. Wykorzystuje swoje doświadczenie i umiejętność analizowania sytuacji, by ocenić nadchodzące informacje. Tak powstaje jeszcze dokładniejsza prognoza.

Kiedy na przykład zimne powietrze znad Morza Północnego przemieszcza się nad kontynentalną część Europy, często formuje się cienka warstwa chmur. Różnica temperatury rzędu zaledwie kilku dziesiątych stopnia decyduje o tym, czy chmury te zwiastują na następny dzień deszcz, czy po prostu wyparują pod wpływem ciepła słonecznego. Synoptyk analizuje dostępne informacje oraz znane mu podobne sytuacje, dzięki czemu może wydać wiarogodną opinię. Od takiego połączenia nauki ze sztuką zależy dokładność prognoz pogody.

Jak pewne są prognozy?

Brytyjskie Biuro Meteorologiczne szczyci się obecnie 86-procentową sprawdzalnością swych prognoz 24-godzinnych. Europejskie Centrum Średnioterminowych Prognoz Pogody opracowuje prognozy 5-dniowe z 80-procentową dokładnością, a więc precyzyjniej niż prognozy dwudniowe ustalane na początku lat siedemdziesiątych. To doprawdy imponujące wyniki, ale wciąż dalekie od doskonałości. Dlaczego prognozy nie są dokładniejsze?

Po prostu dlatego, że zjawiska pogodowe są niezwykle skomplikowane. Nie ma możliwości przeprowadzania wszystkich pomiarów niezbędnych do bezbłędnego przewidzenia pogody. Na ogromnych obszarach oceanu nie ma  żadnych boi przesyłających dane poprzez satelitę do stacji naziemnych. Rzadko kiedy siatka modelu numerycznego pokrywa się dokładnie z lokalizacją obserwatoriów meteorologicznych. Poza tym naukowcy wciąż nie znają dokładnie wszystkich sił przyrody mających wpływ na pogodę.

Widoczne są jednak stałe postępy w prognozowaniu pogody. Na przykład jeszcze stosunkowo niedawno skupiano się głównie na obserwacjach atmosfery. Ale ponieważ 71 procent powierzchni naszego globu pokrywają oceany, naukowcy zaczęli się bliżej interesować, w jaki sposób gromadzą one energię i jak ją oddają do atmosfery. Specjalna sieć boi rozmieszczona w ramach Systemu Obserwacji Wszechoceanu (Global Ocean Observing System) dostarcza informacji o nieznacznych wzrostach temperatury wody, które mogą mieć ogromny wpływ na pogodę w bardzo odległych miejscach. *

Patriarchę Hioba zapytano: „Któż potrafi zrozumieć warstwy chmur, trzaski z jego [Boga] szałasu?” (Hioba 36:29). Wiedza współczesnego człowieka o zjawiskach klimatycznych wciąż jest stosunkowo skąpa. Niemniej dzisiejsze prognozy są wystarczająco dokładne, by się z nimi liczyć. Tak więc jeśli następnym razem usłyszysz, że prawdopodobnie będzie padał deszcz, lepiej weź ze sobą parasol.

[Przypis]

[Ilustracje na stronie 13]

Leverrier

Torricelli

Lavoisier w swoim laboratorium

Jeden z pierwszych termometrów rtęciowych

[Prawa własności]

Zdjęcia Leverriera, Lavoisiera i Torricellego: Brown Brothers

Termometr: © G. Tomsich, Science Source/Photo Researchers

[Ilustracje na stronie 15]

Satelity, balony meteorologiczne i komputery to niektóre z narzędzi wykorzystywanych przez synoptyków

[Prawa własności]

Strony 2 i 15: satelita: NOAA/Department of Commerce; huragan: zdjęcie NASA

Porucznik John Bortniak, NOAA Corps