Физика атмосферы в STS
В отличие от мерзлотоведения или палеоклиматологии, физике атмосферы посвящена обширная историко-научная литература, отчасти пересекающаяся с STS. Атмосферную физику нередко включают в состав обобщенной “науки об атмосфере” (atmospheric science), наряду с атмосферной химией, метеорологией и даже климатологией. У всех этих дисциплин общий предмет исследования — атмосфера Земли, — поэтому с точки зрения внешнего наблюдателя не вполне ясно, чем они друг от друга отличаются. С другой стороны, так ли важны эти отличия — разве может метеорология обойтись без атмосферной физики?
Все эти вопросы кажутся тривиальными. Считается, что метеорология и климатология отличаются лишь временными масштабами рассматриваемых явлений. Если погода, которую изучают метеорологи, является своего рода моментальным снимком состояния атмосферы, то климат, который исследуют климатологи, представляет собой “среднюю погоду” на интервале длиной порядка 30 лет. Однако такое четкое разделение труда существовало далеко не всегда. Как пишет историк науки Спенсер Уирт, еще в начале XX века климатология была относительно маргинальной областью исследований, сфокусированной на анализе региональной погодной статистики и бесполезной для задач синоптической метеорологии. В свою очередь, метеорология представляла собой скорее практическое ремесло, нежели научную дисциплину.
Самое интересное, что и та, и другая вполне успешно обходились без использования физической теории. И все же, именно атмосферная физика сыграла решающую роль в формировании современных метеорологии и климатологии, основным инструментом которых является компьютерное моделирование и модельные расчеты.
Упрощая, можно сказать, что история изучения климата в XX веке является историей сначала размежевания, а затем воссоединения метеорологии и климатологии, фундаментом для которого стали физические модели атмосферы.
Три метеорологических традиции
Как показывает историк метеорологии Фредерик Небекер, в течение XIX века синкретическая метеорология, которая с античных времен объединяла натурфилософов-теоретиков, наблюдателей-эмпириков и синоптиков-практиков, разветвилась на три относительно автономных традиции.
Во-первых, это была практическая традиция синоптиков, занимавшихся прогнозированием погоды. Подготовка ежедневных прогнозов требовала быстрого темпа работы, в процессе которой синоптики полагались не столько на фундаментальную физику, сколько на эвристики и средства визуализации эмпирических данных — изотермы, изобары и синоптические карты. Физические основы наблюдаемых погодных закономерностей интересовали их лишь в той мере, в какой позволяли увеличить точность краткосрочных прогнозов. Синоптики почти не прибегали к численным расчетам и опирались не столько на теоретические модели, сколько на тренированное суждение и наметанный глаз. Вплоть до появления в середине XX века количественной метеорологии прогнозирование погоды оставалось скорее ремеслом или искусством, укорененным в неявном знании и многолетнем опыте наблюдения за локальными погодными условиями.
Во-вторых, это были эмпирически ориентированные исследователи, считавшие, что сложность атмосферных процессов исключает возможность применения законов физики, полученных на основе изучения более простых явлений. Как представители эмпирической традиции, в своей работе они полагались не на теоретическую дедукцию, а стремились вывести погодные закономерности непосредственно из анализа данных, но при этом, в отличие от синоптиков, не отказывались от поиска фундаментальных механизмов, управляющих изменчивостью погоды и климата. Опираясь на индуктивные методы, метеорологи-эмпирики тщательно анализировали погодную статистику, стремясь обнаружить в ней регулярности, обобщая данные при помощи таблиц, графиков и карт. Именно это направление исследований стало фундаментом эмпирической климатологии, основанной на статистических методах, которые занимали промежуточное положение между сложной математикой метеорологов-теоретиков и “арифметическим минимализмом” синоптиков (по выражению Пола Эдвардса).
Наконец, теоретическую традицию представляли собственно физики атмосферы, стремившиеся применить достижения физической теории — в частности, гидродинамику и физику газов — к исследованию погодных явлений. В их руках прикладная физика стала теоретической метеорологией: они стремились редуцировать сложность погодных процессов, представив их в качестве частных случаев действия фундаментальных законов физики, облеченных в математическую форму. В отличие от климатологов-эмпириков, погруженных в трудоемкие, но относительно простые статистические расчеты, физики описывали движение атмосферы с помощью инструментов математического анализа и дифференциального исчисления. Именно поэтому вплоть до 1950-х годов теоретическая и прикладная метеорология — то есть физика атмосферы и прогнозирование погоды — существовали отдельно друг от друга, а также от эмпирической климатологии. Если в арсенале климатологов-эмпириков и синоптиков были логарифмические таблицы, арифмометры и изотермы, то метеорологам-теоретикам пришлось ждать окончания Второй Мировой войны и появления компьютеров — достаточно мощных, чтобы производить расчеты в соответствии с их моделями атмосферы.
Прогноз погоды как задача физики
В XIX веке ключевым событием в истории изучения атмосферы было размежевание теоретической и эмпирической метеорологии (климатологии). В первой половине века XX таким событием можно считать формирование Бергенской школы метеорологии. Перефразируя название известной книги советского климатолога Андрея Монина, основным достижением этой школы стала постановка и решение задачи прогноза погоды в терминах фундаментальной физики. Основателем Бергенской школы считается норвежский физик Вильгельм Фриманн Корен Бьеркнес. Начав карьеру в роли ассистента у собственного отца, Карла Антона Бьеркнеса, известного математика и физика, Бьеркнес-младший познакомился с проблематикой гидроаэродинамики, а после получения магистерской степени продолжил образование во Франции и Германии, посещал лекции Анри Пуанкаре об электродинамике в Париже и работал вместе с Германом Герцем над исследованием электрического резонанса в Бонне. В 1892 году он вернулся в Норвегию, где защитил диссертацию на основе результатов, полученных в ходе работы с Герцем, а в 1895 получил позицию профессора в Университете Стокгольма.
Как пишет историк метеорологии Роберт Фридман, Бьеркнес не обладал сколько-нибудь значительными компетенциями в области метеорологии и не интересовался этой проблематикой, продолжая разрабатывать теоретический проект своего отца — исследование аналогий между гидродинамическими и электромагнитными явлениями. Работая в этом направлении в конце 1890-х годов, Бьеркнеc доказал две теоремы о циркуляции, обобщавшие теоремы о движении потоков Лорда Кельвина и Германа Гельмгольца. Благодаря влиянию своих собеседников по Стокгольмскому физическому обществу — химика Сванте Аррениуса и метеоролога Нильса Экхольма, изучавших влияние атмосферного CO2 на потепление климата, — он пришел к выводу, что его теоремы применимы для описания атмосферной динамики, и заинтересовался метеорологией.
В ситуации отсутствия единой теории и недостатка надежных данных, Бьеркнес попытался унифицировать метеорологию путем построения точной физики атмосферы, пригодной для задач “рационального предвидения”. В работах 1900-х годов он разработал инновационный подход к численному прогнозированию динамики погоды при помощи так называемых “примитивных уравнений”, в которые входили ньютоновские законы движения, гидродинамическое уравнение состояния, уравнения сохранения массы и энергии. Модель Бьеркнеса описывала сохранение массы, энергии, импульса и влаги в процессе взаимодействия частиц воздуха. Хотя уравнения Бьеркнеса не имели решения в закрытой форме, а численных методов для нахождения приближенных решений к тому моменту еще не существовало, тем не менее, теоретически задача прогнозирования погоды была сведена к задаче “на начальное значение”.
Согласно Фридману, “разворот” Бьеркнеса в сторону метеорологии был частью стратегии, направленной одновременно на поиск профессионального признания и на защиту механистических оснований физики, на рубеже веков оказавшихся в ситуации нарастающего кризиса. Как пишет историк метеорологии Джеймс Флеминг, Бьеркнес придерживался нео-лапласианского мировоззрения. В 1904 году он писал, что необходимое и достаточное условия решения задачи прогноза погоды заключаются в получении, во-первых, “достаточно точного” знания о состоянии атмосферы в конкретный момент времени, и, во-вторых, “достаточно точного” знания законов, по которым происходит переход из одного состояния в другое. Иначе говоря, Бьеркнес считал, что существует теоретическая возможность механистического — детерминистского — предсказания атмосферной динамики, пусть на практике оно и недостижимо ввиду недостаточной точности наблюдений.
После Бергена
Проект Бьеркнеса не был единственной попыткой интеграции метеорологии и теоретической физики, однако Бьеркнес оказался чрезвычайно успешным академическим предпринимателем — в этом почти дословно сходятся Фридман и Флеминг, авторы двух фундаментальных монографий об истории Бергенской школы. Еще в 1900-е Бьеркнесу удалось получить поддержку своих исследований американским Институтом Карнеги; в 1913 году он стал директором новообразованного Института геофизики в Лейпциге, а в 1917 вернулся в Норвегию для создания такого же института в Бергене — организационной базы Бергенской школы метеорологии. В период 1918–1924 годов Бьеркнес, его последователи и ученики разработали новые теоретические основания атмосферной науки, обогатив метеорологию понятиями воздушной массы, атмосферных фронтов, полярного фронта и эволюционных циклонов.
В 1925 году ученик Бьеркнеса Карл Густав Росби получил стипендию Фонда Швеции и Америки на исследование американской погоды с помощью теории полярных фронтов, которая стала началом его успешной карьеры в США. Росби перенес разработки Бергенской школы через Атлантику, став сооснователем первой коммерческой метеорологической службы, первой аспирантской программы по метеорологии в MIT и первого факультета метеорологии в Чикагском университете. Он также установил научные связи между метеорологами и океанологами, благодаря своей работе в Woods Hole Oceanographic Institution в 1930-х. В конце 1940-х годов Росби, совместно с математиком Джоном фон Нейманом, метеорологом Джулом Чарни, радиоинженером Михаилом Зворыкиным, и директором Национальной метеорологической службы США Фрэнсисом Райхельдерфером разработали программу численного прогноза погоды, предназначавшуюся для электронного компьютера ЭНИАК.
Численное прогнозирование погоды стало одной из основных областей применения ЭВМ, которые фон Нейман начал развивать в принстонском Институте перспективных исследований в 1950-е годы, опираясь на теорию Бергенской школы, с которой его познакомил Росби. Теоретические принципы, разработанные Бьеркнесом и его сотрудниками, воплотились в компьютерных моделях общей циркуляции, на основе которых впоследствии были созданы первые модели глобального климата. Как отмечает историк климатологии Дебора Коэн, современные модели климата до сих пор опираются на математическое описание атмосферного движения, разработанное бергенскими физиками на рубеже XIX и XX веков. Таким образом, метеорология и климатология “воссоединились” спустя примерно сто лет после своего размежевания. Однако для этого потребовалось, чтобы метеорология стала атмосферной физикой, а атмосферная физика — математической моделью, пригодной для программирования ЭВМ.
Что читать про физику атмосферы и смежные дисциплины
Обширную литературу о физике атмосферы в истории науки и STS можно условно разделить на четыре категории, при этом некоторые авторы, наиболее активно пишущие на эту или смежные темы, будут представлены в нескольких категориях одновременно. Поскольку в данной области история науки представлена лучше STS, коммуникация исследователей идет в большей степени за счет книг, а не статей, поэтому список ниже состоит в основном из монографий.
- “Инсайдерские” истории атмосферной науки. Как заметил Пол Эдвардс, в отличие от своих коллег по другим естественным наукам, физики атмосферы и метеорологи хорошо осведомлены об истории своих дисциплин, поэтому работы, написанные “инсайдерами”, можно выделить в отдельную группу источников. К ним относятся, например, серия статей об истории атмосферной науки, подготовленная Американским метеорологическим обществом, или мемуары Роберта Флегла, известного американского метеоролога и сооснователя Национального центра атмосферных исследований США (NCAR).
- Обзорные работы. Среди обзорных статей по истории изучения климата, уделяющих пристальное внимание атмосферной физике, можно выделить работы Пола Эдвардса об эволюции моделей глобального климата, Деборы Коэн о зарождении современной науки о климате на рубеже XIX и XX веков, Спенсера Уирта о формировании междисциплинарного изучения климата после Второй Мировой войны, а также сборник Intimate Universality, посвященный истории изучения погоды и климата и вышедший под редакцией трех ключевых авторов в области исторического изучения климатологии и атмосферных наук — Деборы Коэн, Владимира Янковича и Джеймса Флеминга.
- “Классическая” история науки. В уже упомянутой книге Фредерика Небекера об истории метеорологии в XX веке высказывается важный тезис о размежевании трех традиций внутри этой науки, а также есть отдельные главы, посвященные атмосферной физике в целом и Бергенской школе в частности — их история, как и остальные сюжеты книги, рассматривается через призму эволюции вычислительных методов и технологий. Бьеркнесу и его школе посвящены статьи и фундаментальная монография Роберта Фридмана, рассматривающая эволюцию Бергенской исследовательской программы в контексте истории метеорологии, и уже упомянутая работа Джеймса Флеминга об изобретении атмосферной науки — в центре ее внимания не только Бьеркнес, но и его последователи Росби и Векслер, благодаря которым исследование воздушных масс перекочевало из Норвегии в США. Обе книги следуют канону “событийной истории” и фокусируются на биографиях отдельных индивидов. В жанре институциональной истории науки можно выделить книгу Эрика Конвэя о развитии атмосферных исследований на базе НАСА.
- Исследования науки и технологий (STS). История метеорологии и атмосферных наук неотделима от истории инструментов и инфраструктур для сбора, агрегации и анализа данных об атмосфере и, следовательно, переплетается с эволюцией воздушного транспорта, военных и вычислительных технологий. Эти сюжеты не были оставлены без внимания историками атмосферных наук — так, диссертация Роберта Фридмана, ставшая основой для его книги о Бьеркнесе, носит подзаголовок “Исследование экономических и военных оснований трансформации атмосферной науки”. Тем не менее, наиболее последовательно аргумент о технологической “сверхдетерминированности” атмосферных наук проводится в работах, написанных на стыке STS и истории науки. Наиболее ярким примером являются работы Пола Эдвардса — прежде всего, книга о формировании науки о климате. Эдвардс рассматривает историю атмосферных наук как историю развертывания инфраструктуры, понятой как совокупность устойчивых сетей, в состав которых входят люди, материальные артефакты, институты, производящие, поддерживающие и распространяющие знание об атмосфере и с XX века о глобальном климате. Кроме инфраструктурного измерения, STS-перспектива открывает также инструментальной измерение атмосферных наук — этому сюжету посвящена монография Чен-Панг Йенга, в которой развитие атмосферных наук рассматривается в связи с эволюцией технологий беспроводной связи. В начале XX века исследователи распространения радиоволн открыли существование ионосферы Земли, сделав возможными новые способы измерения состояния атмосферы, в результате чего атмосферная наука из наблюдательной превратилась в экспериментальную, пополнив свой арсенал новыми инструментами зондирования и модусами “ощущения” (sensing).
Подробнее о взгляде атмосферной физики на проблему изменения климата можно узнать из лекции Владимира Семёнова в Европейском Университете в Санкт-Петербурге:
