Исторические этапы становления атмосферной физики
Формирование первичных представлений об атмосфере
Первые представления об атмосфере складывались ещё в античности. Уже в трудах Аристотеля («Метеорологика») присутствуют попытки систематического объяснения атмосферных явлений: дождя, ветра, молний. Однако эти объяснения были натурфилософскими и не опирались на количественные методы. Тем не менее, они сыграли важную роль в формировании интереса к изучению атмосферы как физической среды.
В Средние века и в эпоху Возрождения наблюдения за погодными явлениями сохранялись, но подлинное научное осмысление началось лишь с развитием экспериментальной физики и появления первых измерительных приборов — барометра (Торричелли, 1643), термометра (Галилео, около 1593), гигрометра (да Винчи, XVI век). Эти инструменты стали основой для количественного изучения атмосферных процессов.
XVII–XVIII века: начало систематических наблюдений и измерений
С XVII века начинается становление метеорологии как науки, основанной на наблюдениях. Изобретение барометра позволило выявить взаимосвязь между атмосферным давлением и погодными изменениями. Галилей и его последователи исследовали вертикальное распределение давления и температуры в атмосфере.
В XVIII веке с развитием баллонов стало возможным измерение атмосферных параметров на больших высотах. Так, работы Жана-Батиста Жозефа Деламбра и других французских исследователей заложили основы аэрологии. Возникает понимание стратификации атмосферы, различия между нижними и верхними слоями.
XIX век: становление атмосферной физики как раздела физики
XIX век ознаменован бурным развитием термодинамики и газовой динамики, что оказало прямое влияние на формирование теоретических основ атмосферной физики. Исследования Лапласа и Пуассона в области акустики, тепловых процессов и уравнений состояния привели к описанию процессов в атмосфере с точки зрения законов сохранения энергии и массы.
Крупнейшие открытия:
В этот период активно развивается климатология и синоптическая метеорология. В 1848 году Хайнрих Вильд организует сеть метеостанций в России, аналогичные сети создаются в Европе. Начинается сбор больших массивов данных, что стимулирует статистические и физические подходы в изучении атмосферы.
Конец XIX — начало XX века: формирование современной теории атмосферы
Становление молекулярной физики и термодинамики в работах Больцмана, Максвелла и Гиббса расширило физическое понимание атмосферных процессов. Появились:
Атмосфера начинает рассматриваться как динамическая система, подчиняющаяся уравнениям гидродинамики. Появляются первые модели циркуляции атмосферы. Развиваются представления о фронтальной структуре, циклонической и антициклонической активности.
Межвоенный период и Вторая мировая война: прикладная атмосферная физика
В первой половине XX века особое внимание уделяется аэрологическим исследованиям. Создаются радиозонды, позволяющие изучать температуру, давление, влажность и скорость ветра до стратосферы. В 1930-х годах в работах Шерга, Бьернессона и других скандинавских учёных возникает бергенская школа метеорологии, разработавшая теорию воздушных масс и фронтов, которая остаётся актуальной до сих пор.
Во время Второй мировой войны метеорология и атмосферная физика получают мощный импульс как прикладные науки — для планирования авиации, артиллерии, радиолокации. Возникают методы прогноза погоды, основанные на численных расчётах, появляются первые вычислительные схемы (например, метод Ричардсона).
Вторая половина XX века: компьютеризация и спутниковая эра
С 1950-х годов начинается новый этап — численное моделирование атмосферы. С появлением ЭВМ становится возможным решать уравнения гидродинамики и термодинамики в трёхмерной постановке. Это приводит к возникновению численных моделей общей циркуляции атмосферы (GCM – General Circulation Models).
Ключевые достижения этого периода:
Развиваются прикладные направления: атмосферная оптика, физика облаков, аэрозоли, фотохимия атмосферы (в том числе озоновая проблематика). В 1985 году зафиксировано сезонное озоновое истощение над Антарктидой, что приводит к подписанию Монреальского протокола и усилению исследований в области атмосферной химии.
XXI век: интеграция глобальных наблюдений и комплексных моделей
Современная атмосферная физика представляет собой междисциплинарную науку, сочетающую эксперимент, теоретическое моделирование и высокоточные наблюдения. Используются глобальные спутниковые системы (MODIS, AIRS, Sentinel, Suomi-NPP), автоматические метеостанции, лидары, доплеровские радары, а также численные модели, включающие взаимодействие атмосферы с океаном, криосферой и биосферой.
Актуальные направления исследований:
Таким образом, развитие атмосферной физики прошло путь от философских размышлений к строго физической науке, опирающейся на количественные методы, точные измерения и высокотехнологичные модели. Этот путь сопровождался ростом числа наблюдений, уточнением теоретических основ и переходом от локальных к глобальным представлениям о функционировании атмосферы Земли.