Люди особой погоды

Без трех поколений ученых Бьеркнес и двух мировых войн не было бы современных прогнозов погоды — возможно, мы до сих пор предсказывали бы ее на основе народных примет.

7 декабря 1941 года японская авиация разбомбила военно-морскую базу США в Перл-Харборе, что заставило Америку вступить во Вторую мировую войну. Примерно в это же время, в конце 1941-го, метеорологи начали наносить на карты холодные и теплые фронты, изображая их при помощи треугольников и полуокружностей. Однако само понятие "метеорологический фронт" появилось за четверть столетия до того — в Первую мировую. Его отцом был норвежский метеоролог Якоб (Джек) Бьеркнес. Именно он открыл, что на границах холодных и теплых воздушных масс рождаются атмосферные возмущения.

Поскольку открытие было сделано во время войны, Джек Бьеркнес описал эту картину с помощью военной терминологии.

Так в метеорологии появились фронты, и с тех пор прогнозы погоды напоминают сводки с театра боевых действий.

"Перед нами сражение теплых и холодных воздушных масс",— писал Вильгельм Бьеркнес, отец Якоба, тоже сыгравший важную роль в развитии метеорологии.

Холодный и теплый воздух атакуют друг друга, погода зависит от того, кто возьмет верх на этом поле битвы. На войне, как на войне...

Жди хорошую погоду

С глубокой древности охотники, рыбаки, земледельцы, воины, пастухи понимали, насколько важно уметь предсказывать погоду хотя бы на один день вперед. Люди обращались за помощью и советом к богам: египтяне — к богу солнца Ра, греки — к всемогущему Зевсу, северяне — к Тору, богу грома и молний. Ацтеки, чтобы задобрить бога Тлалока, отвечающего за сельское хозяйство и осадки, приносили в жертву ему людей, а североамериканские индейцы и австралийские аборигены, чтобы вступить в контакт с духами дождя, исполняли замысловатые танцы.

Люди, умевшие "видеть" погоду, пользовались большим уважением. Главным инструментом прогнозирования служили народные приметы, которые основывались на многолетних наблюдениях. Вавилоняне, к примеру, предсказывали погоду по облакам. В Междуречье прогнозами погоды занимались астрологи. Через полтора тысячелетия погодой наряду с другими греческими мыслителями и учеными заинтересовался Аристотель. Примерно в 340 году до н. э. появилась его "Метеорологика", где он написал о разных видах осадков и других погодных явлениях.

Его ученик, философ и естествоиспытатель Теофраст оставил кроме прочего капитальный труд "Книга знаков", посвященный погоде и приметам для ее прогнозирования. Вообще, работы по метеорологии есть у многих древних ученых. В частности, у отца медицины Гиппократа — "О воздухе, водах и местах". Много писали о погоде астрологи в Индии и Китае.

В ходу были прогнозы погоды и в новозаветные времена. "Он же сказал им в ответ: вечером вы говорите будет ведро, потому что небо красно; и поутру: сегодня ненастье, потому что небо багрово",— согласно Евангелию, говорит Иисус (Мф 16:2-3).

Среди множества трудов по метеорологии основательностью и глубиной выделяются работы арабского писателя, алхимика и специалиста по сельскому хозяйству ибн Вахшии (Абу Бакр Ахмад ибн Али ан-Набати), жившего в IX-X веках в Ираке.

В древности метеорологи прогнозировали погоду на основе примет, которые передавались из поколения в поколение в устной и письменной форме. "На следующий день после красного заката будет ветрено", "Если чайка села в воду — жди хорошую погоду" — одни из наиболее известных погодных примет. Естественно, в те давние времена прогнозы грешили неточностями намного чаще, чем сейчас, потому что далеко не все приметы отличаются большой надежностью.

Конечно, прогресс не обошел стороной и метеорологию, что несколько облегчило тяжкий и неблагодарный труд предсказателей погоды. Среди наиболее важных изобретений можно назвать гигрометр (заслуга Леонардо да Винчи) — прибор для измерения влажности воздуха, термометр (Галилео Галилей), ртутный барометр (Эванджелиста Торричелли, ученик Галилея). При помощи этих приборов метеорологи могли следить за атмосферой. Кроме того, Исаак Ньютон пытался описать ее состояние при помощи математических и физических уравнений. Стоит сказать, что выдвинутые им идеи не потеряли актуальности и в XXI веке.

День рождения метеоролога

Сегодня подавляющее большинство людей не мыслят жизни без прогноза погоды, который они могут получить в любое время дня и ночи и для любого участка Земного шара. Современные метеопрогнозы часто сопровождаются картами с воздушными массами, которые вступают в сражение друг с другом подобно армиям на поле боя. Холодные и теплые воздушные массы сталкиваются постоянно, и победителями из таких схваток чаще всего выходят холодные фронты.

Попытки объединить картографию и метеорологию предпринимались давно. Метеорологи начали наносить погодные данные на карты местности в филадельфийском Институте Франклина еще в 1831 году, вскоре после его создания.

Отличительной чертой подобных прогнозов было то, что фактически прогнозами они не являлись, потому как изображали погодные явления уже после того, как те случились.

В XIX веке метеорологи составляли прогнозы так же, как и за тысячу лет до того,— по большей части обращаясь к народным приметам.

В середине 1840-х годов первый секретарь Смитсоновского института Джозеф Генри публично возмутился плачевным состоянием американской метеорологии и предложил программу прогнозирования бурь и других стихийных бедствий. Однако его намерения в целом так и остались на бумаге.

Прорыв в метеорологии произошел на рубеже XIX и XX веков по другую сторону Атлантики, в Европе. Авторами этой революции стали геофизики из Норвегии — отец и сын Бьеркнесы, Вильгельм и Якоб. Они посвятили жизнь изучению закономерностей поведения атмосферы Земли, и благодаря им человечество получило модели погоды и уравнения, которыми метеорологи пользуются и в XXI веке.

В этом году исполняется 120 лет двум важным событиям в истории метеорологии. В 1897 году на свет появился Якоб Бьеркнес, и в том же году его отец Вильгельм представил теорему циркуляции жидкости, описывающую движение вихря в неоднородных воздушных массах в земной атмосфере. Вильгельм Бьеркнес был уверен, что его расчеты можно использовать и для составления прогнозов погоды.

"Цель моей работы заключается в том, чтобы при наличии данных в настоящее время научиться предсказывать динамику изменений и состояние атмосферы на следующий день или в более отдаленном будущем",— писал Бьеркнес в 1902 году.

Он хотел доказать, что к прогнозированию погоды следует относиться так же, как к математической физике, то есть пытался рассчитывать погоду при помощи уравнений. На рубеже XIX и XX веков эта идея была революционной.

Ученая наследственность

14 марта 1862 года в Христиании, как тогда называлась столица Норвегии, в семье университетского профессора Карла Антона Бьеркнеса и дочери священника Алетты Корен появился на свет Вильгельм Фриман Корен Бьеркнес. Профессор Бьеркнес преподавал физику и математику в университете Христиании, увлекался гидродинамикой и передал сыну Вильгельму страсть и к ней, и к науке в целом.

Вильгельм Бьеркнес с юных лет имел задатки ученого. Он помогал отцу готовить эксперименты для доказательства его теорий, конструировал приборы. После окончания математического факультета университета Христиании Вильгельм два года стажировался в Париже. Там он увлекся лекциями выдающегося французского ученого Жюля Анри Пуанкаре о диффузии электрических волн и познакомился с исследованиями не менее известного немецкого физика Генриха Герца по той же теме.

Получив степень магистра, Вильгельм в начале 1890 годов переехал в Бонн и начал работать со своим кумиром Герцем. Они исследовали природу электромагнитных волн и строили аппараты для отправки и приема радиосигналов. Исследования Герца и Бьеркнеса оказали большое влияние на развитие радио.

В 1895 году Бьеркнес получил в университете Стокгольма место профессора математики и математической физики. И в том же году женился на студентке из Христиании Гонории Софии Бонневи. Через два года у них родился сын Якоб, которому суждено было стать ученым не менее известным, чем Вильгельм Бьеркнес.

В Стокгольме состоялось знакомство Бьеркнеса с метеорологией, которое изменило всю его дальнейшую жизнь. Он долго колебался, прежде чем переключиться на новую для него отрасль науки.

Вильгельм Бьеркнес хорошо помнил слова берлинского физика Фридриха Кольрауша: тот, кто уходит в метеорологию, потерян для физики навсегда.

И даже в 1904 году, после своего первого важного открытия на ниве метеорологии, он колебался: стоит ли двигаться по этой стезе дальше?

Вильгельм Бьеркнес увлекся динамикой жидкостей и термодинамикой и начал исследовать взаимодействие движущихся жидкостей и газов. Он вывел несколько несложных уравнений, которые тем не менее используются и сейчас для аппроксимации параметров атмосферы. В 1904 году Бьеркнес предположил, что эти уравнения могут прогнозировать поведение воздушных масс. Дальнейшие исследования помогли создать технологию предсказания погоды — так называемый численный метод метеопрогнозирования.

Движение воздушных масс в атмосфере, по мнению Вильгельма Бьеркнеса, легче постичь, если соединить гидродинамику и термодинамику. Тепловая энергия солнца нагревает атмосферу Земли и приводит в движение воздушные массы. В результате их взаимодействия выделяется тепло, которое, в свою очередь, разогревает воздушные массы и приводит их в движение.

Атмосфера работает как термодинамический двигатель, постоянно превращающий тепло в механическую энергию и вырабатывающий тепло за счет трения, возникающего в результате движения воздушных масс.

В 1905 году Вильгельм Бьеркнес отправился в США искать деньги на дальнейшие исследования. Он прочитал цикл лекций о своей работе в области метеорологии в Массачусетском технологическом институте (MTI), чем произвел сильное впечатление на американцев. В результате Бьеркнес получил годичный грант от Института Карнеги в Вашингтоне. Этот грант продлевался почти четыре десятилетия, до 1941 года, когда США вступили во Вторую мировую войну.

В 1913 году Вильгельм Бьеркнес возглавил геофизический институт, созданный при Университете Лейпцига. На новом месте работы его окружали талантливые студенты. Один из них — Вагн Экман — позднее прославится теорией (экмановская спираль), описывающей вращение водных потоков.

Конечно, середина второго десятилетия XX века не самое удачное время для занятия наукой. Особенно в Германии. Большую часть немецких студентов и преподавательского состава института призвали на воинскую службу и отправили на фронт. Война резко затормозила развитие науки о погоде, и не только в Германии. Достаточно сказать, что карты Метеорологической службы США составлялись на первом этапе лишь в течение семи месяцев — в Европе вышел из строя телеграф, по которому американские метеорологи ежедневно получали информацию о погоде в Старом Свете.

"Надеюсь, что самая бесполезная и жестокая из всех войн не помешает моей работе",— выражал Вильгельм Бьеркнес тревогу в одном из писем в Институт Карнеги, датированном 1914 годом.

Однако не требуется большого ума, чтобы понять, сколь необходим точный прогноз погоды при разработке военных операций. Так или иначе, война причудливо переплелась с прогнозированием погоды и даже способствовала нескольким открытиям в метеорологии.

"Я сейчас опять в Норвегии,— писал Вильгельм после возвращения на родину из Лейпцига в 1917 году.— Но это не летний отдых. Мы вернулись навсегда".

Полярный исследователь Фритьоф Нансен и океанограф Бьорн Хелланд-Хансен пригласили Бьеркнеса возглавить геофизический институт при музее Бергена. Этот институт положил начало знаменитой Бергенской школе, долгие годы остававшейся ведущей в метеорологии. В Бергене Вильгельм Бьеркнес при помощи сына Якоба, его товарища Хальвора Сольберга и шведского метеоролога Тора Бергерона разработал полярную фронтальную теорию, объясняющую формирование циклонов в средних широтах.

К концу войны в правительстве Норвегии наконец поняли всю важность исследований Вильгельма Бьеркнеса и Бергенской метеорологической школы. В июле 1918 года стало действовать Западное Бергенское метеорологическое управление, на первых порах составлявшее прогнозы для армии и правительства. Была открыта сеть станций наблюдения за погодой по всей Норвегии, особенно густая на юге. Станции собирали метеоинформацию и передавали ее в Берген. Затем данные из каждого места наносились на карту страны. Изучая такие карты, Бьеркнес с коллегами обратили внимание, что наиболее активные погодные явления формируются в основном в узких зонах между холодными и теплыми воздушными массами. Они воспользовались модным тогда военным жаргоном и назвали их фронтами.

Спустя много лет Вильгельм Бьеркнес вернулся в родной Осло. До выхода на пенсию в 1932 году он шесть лет проработал профессором в столичном университете. В том же году его выбрали президентом Ассоциации метеорологии при Международном союзе геодезии и геофизики. Его именем названы кратеры на Луне и Марсе. Скончался отец современной метеорологии от сердечного приступа 9 апреля 1951 года в столице Норвегии.

Система в бессистемной атмосфере

Как уже говорилось, третий по счету представитель научной династии Бьеркнес, Якоб (2 ноября 1897-го — 7 июля 1975 года), которого чаще называли на американский манер Джеком, тоже стал знаменитым ученым-метеорологом. Что неудивительно, ведь он появился на свет в один год с важной теоремой о циркуляции в атмосфере, сформулированной его отцом. Стоит добавить, что мальчика назвали в честь деда по матери, известного политика Якоба Бонневи.

Пока Вильгельм Бьеркнес работал в Лейпциге, Якоб успешно грыз гранит математики и физики в Университете Христиании. После гибели на фронте одного из подававших надежды студентов Вильгельма Бьеркнеса он отправился в Германию помогать отцу.

Вскоре после переезда Якоб Бьеркнес, которого уже в молодости называли Джеком, напечатал первую научную работу. Ветровые волны (потоки), утверждал он, могут растягиваться на тысячи километров. И они чаще перемещаются в восточном направлении и связаны с облаками и атмосферными осадками.

В научном мире о Джеке Бьеркнесе заговорили в 1919 году (Джеку еще не исполнилось и 21 года), когда он опубликовал небольшую, но очень важную статью "О структуре движущихся циклонов". Автор на восьми страницах описал модель циклона. Важнейшее открытие он сделал очень быстро, после нескольких месяцев работы над темой. При этом Джеку пришлось довольствоваться крайне ограниченным объемом данных, потому что сведения о погоде из Франции, Атлантики и многих других регионов из-за войны в Норвегию не поступали.

После возвращения в Норвегию Джек Бьеркнес вместе с отцом и Хальвором Сольбергом готовил прогнозы погоды сначала для властей, а затем и для фермеров и рыбаков. Бьеркнес-младший обнародовал прогнозы в Бергене, а Сольберг — в Христиании.

В 1928 году Джек женился на Хедвиг Бортен, дочери известного офтальмолога из Бергена. Она родила в замужестве двух детей и пережила супруга почти на четверть века.

В 1931 году Бьеркнес покинул бюро прогнозов погоды в Бергене, которое возглавлял 11 лет, и перешел на преподавательскую работу в местный музей.

В июле 1939-го Джек вместе с семьей отправился в Америку читать лекции. Он рассчитывал вернуться домой максимум через восемь месяцев, однако в его планы вновь вмешалась война. После нападения Германии на Норвегию в апреле 1940 года Бьеркнес остался в Соединенных Штатах и через некоторое время даже принял американское гражданство.

С работой проблем, конечно, не возникло. Через год Америка заявила, что находится в состоянии войны с Японией. В ответ Германия и Италия объявили войну США. Воевать без прогнозов погоды во Вторую мировую было невозможно, поэтому профессия метеоролога — а Джек Бьеркнес пользовался в ней огромным авторитетом — оказалась весьма востребованной.

Работая профессором метеорологии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, он часто консультировал военных. Например, помог организовать школу по подготовке метеорологов для военной авиации. Сначала Бьеркнес руководил секцией метеорологии на физическом факультете Калифорнийского университета, а после создания в 1945-м кафедры метеорологии возглавил и ее. Под его руководством она долгое время являлась одним из мировых центров науки об атмосфере.

В конце 1950-х, когда Джек Бьеркнес уже готовился разменять седьмой десяток, он увлекся новым направлением в метеорологии и начал изучать взаимодействие атмосферы и моря. Эта проблема интересовала его давно, поэтому он придавал большое значение сотрудничеству с океанографами. Неудивительно, что Бьеркнес выбрал для работы и проживания Лос-Анджелес,— Ла-Холья, где находится Океанографический институт Скриппса, расположен неподалеку. Бьеркнесы много лет прожили в Санта-Монике в доме с отличным видом на океан. Тем не менее они сохранили старый дом в Бергене, купленный сразу после свадьбы, и почти каждый год ездили в отпуск на родину. За повседневную жизнь и быт отвечала Хедвиг. Что же касается Джека, то он был погружен в науку и не отвлекался на подобные мелочи.

В 1926 году Джек Бьеркнес отвечал за метеорологическое обеспечение арктического полета Руаля Амундсена на дирижабле "Норвегия". Однако, как выяснилось совсем недавно, его связи с военными простирались значительно дальше военной терминологии. Джек отвечал за прогнозы погоды во время войны на Тихом океане и даже получил чин полковника ВВС США.

Отличился Бьеркнес и в Японии в 1945 году. Именно он определил наиболее подходящие с точки зрения погодных условий даты бомбардировки Хиросимы и Нагасаки. Правда, утверждает Dagbladet со ссылкой на внучку метеоролога Энн Камсвааг, Джек, скорее всего, не знал, о каких бомбах идет речь.

Норвежское издание уверено, что Бьеркнес помогал Пентагону с прогнозами погоды и во Вьетнаме в 1967-1968 годах.

Роль Джека Бьеркнеса в развитии современной метеорологии переоценить трудно. Джека, Вильгельма и отчасти Карла Бьеркнесов смело можно считать основоположниками этой молодой науки. Что касается Бьеркнеса-младшего, его перу принадлежит множество научных трудов и теорий. Можно напомнить, например, о его вкладе в изучение такого известного погодного феномена, как Эль-Ниньо. Именно Бьеркнес доказал, что Эль-Ниньо — явление планетарного масштаба и что оно влияет на погоду на всем Земном шаре.

Вклад норвежца в развитие метеорологии так велик, что после смерти Бьеркнеса его биограф Арнт Элиассен написал, что он больше всех остальных ученых, занимавшихся профильной тематикой, способствовал созданию строгой системы в кажущейся бессистемной атмосфере.

Столетние изыскания трех поколений династии Бьеркнес помогли превратить метеорологию в стройную науку, главными инструментами которой являются сбор данных и прогнозы на основе физики и математики.