Изобретение радиозонда сделало возможным появление высотных карт погоды и вертикальных разрезов. В нашей стране они систематически составляются с 1937 г. С помощью этих карт были открыты и исследованы струйные течения — узкие, но исключительно сильные потоки в верхней атмосфере и тропосфере. В 1945 г. первые полеты самолетов в тропических циклонах положили начало их подробному исследованию.
Одновременно с синоптическим разрабатывался гидродинамический метод прогноза погоды — в первую очередь прогноза поля давления. В 1939–1940 гг. были предложены новые приемы для предсказания поля давления и температуры, в частности перенос изобар и изотерм вдоль некоторых предвычисленных траекторий, позднее развитый и усовершенствованный. Теоретически изучена система волн, возникающих в общем западном воздушном потоке. Большой вклад в гидродинамический метод прогнозов внес советский ученый И. А. Кибель.
Еще в 1925 г. советский ученый А. А. Фридман предложил уравнение переноса вихря. Оно было широко использовано во многих странах — США, Германии, Англии и др. Когда спустя два с лишним десятилетия началось широкое применение электронно-вычислительной техники, стало возможным быстро решать сложные системы уравнений динамики атмосферы, учитывать в прогнозах многие добавочные физические факторы, например влияние орографии.
До сих пор мы говорили лишь о краткосрочных прогнозах погоды. Ведется также большая работа по созданию и применению методов долгосрочных прогнозов средствами гидродинамики. В последние годы как в нашей стране, так и за рубежом развиваются идеи о влиянии солнечной активности на макропроцессы погоды. Общая тенденция исследований сейчас такова, что надо искать глубокие взаимозависимости между всеми геофизическими явлениями. Надо также учитывать и роль космических факторов.
Атмосфера испытывает постоянное воздействие сверху — космического пространства, снизу — земной поверхности, почвы, снежного покрова и, конечно, океанов, морей и других водоемов. Основной источник энергии атмосферы — солнечное излучение, постоянно идущее к Земле.
Физическое состояние атмосферы характеризуется величинами, называемыми метеорологическими элементами, — это температура, влажность, давление воздуха, ветер (его направление и скорость), осадки, дальность видимости, оптические, электрические явления. Сочетание нескольких метеорологических элементов порождает грозу, метель, туман, смерч, полярные сияния и др. Изучать атмосферные явления, находить их взаимосвязи призвана метеорология. В наш век дифференциации наук и метеорология разделилась на ряд отдельных отраслей, Одна из них — физика атмосферы, в которой основное внимание уделено физическому механизму атмосферных процессов и явлений. Конкретно физика атмосферы изучает термодинамические процессы, состав, строение, образование облаков, туманов и др.
Разработкой методов предсказания погоды занимается синоптическая метеорология. Динамическая (теоретическая) метеорология, широко используя математический аппарат, применяет теоретический метод исследования. Наука о климате — климатология. Физика свободной атмосферы — аэрология — изучает верхние слои атмосферы (до высот в несколько десятков километров). В последние годы возникает новая наука — аэрономия. Она обязана своим происхождением тем наблюдениям, которые производятся с помощью геофизических и метеорологических ракет, искусственных спутников Земли, пилотируемых и автоматических кораблей и межпланетных станций. Здесь речь идет уже о высотах в несколько сотен и тысяч километров. Эта наука рождается на наших глазах вместе с развитием космических исследований, и путь ее еще только начинается, хотя можно предположить, что он будет стремительным, захватывающе интересным и принесет новые открытия.
Практические требования общества породили ряд важных прикладных отраслей метеорологии — таких, как авиационная метеорология, агрометеорология, биометеорология (влияние атмосферных процессов на человека и другие живые организмы), ядерная метеорология (изучение естественной и искусственной радиоактивности, распространение в атмосфере радиоактивных примесей, влияние ядерных взрывов). Радиометеорология, активно развивающаяся в последнее время, изучает распространение радиоволн в атмосфере. Можно было бы назвать еще несколько прикладных аспектов метеорологии: лесную (связанную с лесными пожарами), транспортную, строительную и др.
Что же представляет собой атмосфера — предмет изучения столь многих паук, использующих различные методы и подходы? Прежде всего, о высоте атмосферы. Ее четкой верхней границы не существует, она плавно переходит в межпланетное пространство. Плотность составляющих атмосферу газов приближается к плотности его газов. Условно принято, что граница проходит на высоте 1000–1200 км, где еще иногда наблюдаются полярные сияния. Невозможно пока точно установить глубину (или высоту) проникновения атмосферы в космос. Наблюдения спутников над изменением плотности воздуха показывают, что плотность атмосферы приближается к плотности межпланетной среды с высот 2–3 тыс. км. Косвенные данные позволяют полагать, что внешняя часть атмосферы проникает в сильно разреженную, с температурой около 100 тыс. °С солнечную атмосферу и взаимодействуют с ней. Следы атмосферы обнаружены автоматическими межпланетными станциями на высоте более 20 тыс. км. Ученые полагают, что земная атмосфера переходит в солнечную на высоте 60—100 тыс. км. Существует явление, называемое ускользанием атмосферы. Оно состоит в том, что молекулы и атомы газов, находящиеся в постоянном движении, поднимаясь высоко вверх, реже сталкиваются друг с другом (их становится все меньше в единице объема) и могут уйти в межпланетное пространство.
Масса земной атмосферы равна приблизительно 5,27 * 1018 кг. Основная ее часть сосредоточена в относительно тонком приземном слое.
Все метеорологические элементы меняются в пространстве и наиболее сильно — по вертикали. Например, температура воздуха изменяется по вертикали в несколько сотен раз больше, чем по горизонтали. Атмосферу можно разделить на ряд слоев, или сфер. В 1962 г. Всемирная метеорологическая организация, проанализировав все имеющиеся к этому времени данные, пришли к выводу, что по характеру распределения температуры выделяется пять сфер: тропосфера (до 11 км), стратосфера (от 11 до 50–55 км), мезосфера (от 50–55 до 80–85 км), термосфера (от 80–85 до 800 км), экзосфера (выше 800 км).
Название самого нижнего слоя атмосферы, начинающегося у земной поверхности, происходит от греческого слова «тропос», что означает «вращаться, перемешиваться». Высота тропосферы непостоянна и зависит от географической широты места, времени года, циркуляции. Граница атмосферы на одной и той же широте выше летом и ниже зимой. В умеренных широтах мощность атмосферы 9—12 км, близко к полюсам она меньше, порядка 8—10 км, к экватору больше — 16–18 км. Воздух в тропосфере движется не только в горизонтальном и вертикальном направлении, но и постоянно перемешивается, Именно в тропосфере образуются облака, так как здесь сосредоточена основная масса водяного пара, выпадают осадки и происходят другие метеорологические явления. С высотой в тропосфере убывает температура — на каждые 100 м более чем на полградуса. На верхней границе тропосферы средняя годовая температура в уморенных широтах — 50–60°, над экватором — около 70°, над Северным полюсом зимой — 65°, летом 47°.
Тропосферу и стратосферу разделяет слой толщиной от нескольких метров до 1–2 км, который принято называть тропопаузой. В этой области образуются очень мощные узкие воздушные потоки со скоростями 150–300 км/ч, так называемые струйные течения. Лежащая выше стратосфера характеризуется вначале (до высоты 35 км) очень медленным ростом температуры, а затем значительно более быстрым, и на верхней границе достигает среднегодового значения около 0°. Здесь в зависимости от сезона и высоты колебания очень значительны. В стратосфере водяного пара уже почти нет, облака не образуются. И лишь очень редко на высоте 20–25 км возникают перламутровые облака. Долго считалось, что в отличие от тропосферы в стратосфере воздух не перемешивается, что это — весьма спокойная среда. Но радиометрические приборы и метеорологические ракеты принесли новые сведения — оказывается и здесь, в стратосфере, существует интенсивная циркуляция воздуха и вертикальные его перемещения.
Следующий за стратосферой слой — мезосфера — также отделен промежуточным — стратопаузой, который еще недостаточно полно изучен. В мезосфере температура с высотой падает до — 70–80°. Есть данные, что скорость ветра достигает здесь 150 м/с. Можно предполагать, что в мезосфере существуют интенсивные турбулентные движения. Выше находится промежуточный слой — мезопауза. В этой области наблюдаются серебристые облака. Ракетные наблюдения показывают, что на высоте 150 км температура равна примерно 220–240° К, на высоте 200 км 500°К, а на верхней границе термосферы превышает 1000°К (К — кинетическая температура газа (воздуха), определяемая движением его молекул и доступная для непосредственного измерения). В термосфере, расположенной над мезопаузой, температура с высотой возрастает.
