Orų modelių mokslas: skaitmeninė hidrodinamika ir chaoso teorija
Šiuolaikinė meteorologinė prognozė nebėra būrimas iš kregždžių skrydžio aukščio ar liaudiškų pastebėjimų apie rytinį rūką. Tai viena sudėtingiausių taikomosios fizikos ir superkompiuterinės matematikos sričių civilizacijos istorijoje. Žemės atmosfera yra milžiniška, nuolat besisukanti termodinaminė sistema, kurios elgseną aprašo Navjė-Stokso (Navier-Stokes) skysčių ir dujų dinamikos diferencialinės lygtys. Šios lygtys sujungia masės, impulso ir energijos tvermės dėsnius trijose dimensijose.
Kadangi analitinio, absoliučiai tikslaus šių nelinearių diferencialinių lygčių sprendinio rasti matematiškai neįmanoma, globalūs orų modeliai – tokie kaip Europos vidutinės trukmės prognozių centro (ECMWF IFS), JAV nacionalinės vandenynų ir atmosferos administracijos (NOAA GFS) ar Vokietijos meteorologijos tarnybos (DWD ICON) – atmosferą padalina į milijardus erdvinių gardelių (kubų). Kiekvienoje gardelėje kas kelias sekundes perskaičiuojamas oro tankis, temperatūros gradientai, Coriolis jėgos vektoriai bei latentinės šilumos mainai.
Vis dėlto orų prognozės ribotumą lemia 1963 m. Edvardo Lorenco (Edward Lorenz) atrastas deterministinis chaosas („Drugelio efektas“). Pradinių atmosferos matavimo duomenų mažiausia paklaida – pavyzdžiui, 0,01 °C netikslumas virš Ramiojo vandenyno – netiesinėse lygtyse eksponentiškai išauga, todėl deterministinė prognozė po 7–10 dienų praranda patikimumą ir pereina į statistinių ansamblių tikimybinį modeliavimą.
Rasos taškas, vėjo žvarbumas ir žmogaus termoreguliacija
Paprastas termometro stulpelis atspindi tik sauso oro kinetinę temperatūrą, tačiau žmogaus organizmas aplinką patiria visai kitaip. Mūsų kūnas šilumą į aplinką atiduoda per prakaito garavimą, konvekciją ir infraraudonąją spinduliuotę. Būtent todėl meteorologijoje kritinę reikšmę turi du rodikliai: rasos taškas (Dew Point) ir juntamoji temperatūra (Apparent Temperature).
Rasos taškas – tai temperatūra, iki kurios atvėsęs oras tampa 100% prisotintas vandens garų ir prasideda kondensacija (rasos, rūko ar debesų susidarymas). Jis apskaičiuojamas pagal garsiąją Magnuso-Tetenso lygtį:
T_d = (b × α(T, RH)) / (a - α(T, RH)), kur α(T, RH) = (a × T) / (b + T) + ln(RH / 100)
Kai rasos taškas viršija 18–20 °C, prakaito garavimas nuo žmogaus odos drastiškai sulėtėja, sukeldamas alinantį tvankumo ir šiluminio streso pojūtį. Priešingai, šaltuoju metų laiku dominuoja vėjo žvarbumo indeksas (Wind Chill), kuris parodo, kaip greitai oro srautas nupučia apsauginį šilto oro sluoksnį nuo odos paviršiaus.
Meteorologijos evoliucija: nuo Torricelli barometro iki palydovinio zondavimo
Meteorologijos ištakos siekia Aristotelio traktatą „Meteorologica“ (350 m. pr. m. e.), tačiau tikrasis proveržis įvyko XVII a., kai Evandželista Toričelis (Evangelista Torricelli) 1643 m. sukonstravo pirmąjį gyvsidabrio barometrą ir įrodė, kad atmosferos oras turi svorį. Barometro atsiradimas leido pastebėti, kad staigus atmosferos slėgio kritimas beveik visada pranašauja artėjantį cikloną ir audrą.
XIX a. telegrafo išradimas leido pirmą kartą sujungti tūkstančių stočių rodmenis realiu laiku ir nubraižyti sinoptinius žemėlapius. Tačiau tikrasis skaitmeninės orų prognozės krikštatėvis buvo britų mokslininkas Luisas Frajus Ričardsonas (Lewis Fry Richardson). Per Pirmąjį pasaulinį karą, sėdėdamas greitosios pagalbos automobilyje fronto linijoje, jis ranka per kelis mėnesius atliko 64 000 skaičiavimų, bandydamas suprognozuoti slėgio pokytį vos 6 valandoms į priekį. Nors dėl pradinių duomenų trūkumo jo prognozė nepasitvirtino, Ričardsono vizija – „Skaičiavimo gamykla“ su 64 000 žmonių, atliekančių lygtis – tapo šiuolaikinių superkompiuterių prototipu.
Admirolo Ficrojaus audros kolba, žodžio „prognozė“ gimimas ir petrichoro chemija
Ar žinojote, iš kur kilo pats terminas „orų prognozė“ (weather forecast)? 1859 m., po tragiško garlaivio „Royal Charter“ sudužimo prie Velso krantų, nusinešusio per 450 gyvybių, Britanijos karališkojo laivyno admirolas Robertas Ficrojus (Robert FitzRoy) – tas pats kapitonas, kuris vadovavo garsiajai Čarlzo Darvino ekspedicijai laivu „HMS Beagle“ – įkūrė pirmąją valstybinę meteorologijos tarnybą. Būtent Ficrojus sugalvojo žodį „forecast“, sąmoningai atmesdamas tuo metu vyravusius terminus „pranašystė“ (prophecy) ar „astrologinė prognostika“, siekdamas atskirti griežtą empirinę barometrinę fiziką nuo okultinio šarlatanizmo. Jis taip pat ištobulino vadinamąją „Audros kolbą“ (Storm Glass) – hermetišką stiklo indą su kamparo, kalio salietros ir alkoholio tirpalu, kurio viduje susidarantys dendritiniai kristalai stulbinamai jautriai reaguoja į atmosferos slėgio histerezę ir elektromagnetinius gradientus.
Kitas nepaprastas gamtos reiškinys, siejantis orus su žmogaus juslėmis, yra petrichoras (Petrichor) – tas gaivus, hipnotizuojantis žemės aromatas, kylantis po ilgos sausros nukritus pirmiesiems lietaus lašams. Šį terminą 1964 m. nukaldino Australijos mineralogai Isabel Joy Bear ir Richard G. Thomas iš graikų kalbos žodžių petra (akmuo/uola) ir ichor (eterinis dievų kraujas graikų mitologijoje). Už šį kvapą atsakingas dirvožemio aktinobakterijų sintetinamas biciklinis seskviterpenoidas geosminas (trans-1,10-dimetil-trans-9-dekalolis). Žmogaus uoslė pasižymi stulbinančiu evoliuciniu jautrumu geosminui: mes gebame jį užuosti esant vos 5 dalių trilijone (0,005 ppb) koncentracijai – jautriau nei ryklys jaučia kraują vandenyne. Lietaus lašui atsitrenkus į poringą dirvą, mikroskopinės oro pūslės veikia lyg šampano purslai, išsviesdamos aromatinius aerozolius į orą gerokai anksčiau, nei prasideda tikroji liūtis.
Šiandien TOOL GIGA orų prognozių platforma realiu laiku sujungia pažangiausius atvirosios meteorologijos modelius, globalius palydovinius spektrometrinius duomenis bei antžeminių stočių matavimus, pateikdama vartotojui sekundės tikslumo prognozę be jokių išorinių bibliotekų ar sekiklių.