Kako izračunati vreme

    Dogodki na vrhuncu krimske vojne sredi 19. stoletja predstavljajo pomemben mejnik tudi v zgodovini napovedovanja vremena. Francosko in britansko vojaško ladjevje je 14. novembra 1854 v Črnem morju zajela huda nevihta, med katero se je močno poškodovalo več prestižnih ladij. Kot odziv na opustošenje, ki ga je povzročil orkanski veter, se je takratna javnost, ki je budno spremljala krimsko vojno, začela spraševati, ali se ne bi dalo viharjev kako napovedati in tako omiliti njihovih posledic.

    Francoski vladar Napoleon III. se je za nasvet obrnil na enega izmed najbolj uglednih znanstvenikov takratne dobe, ki mu je pravkar uspelo iz motenj v tirnici planeta Urana napovedati obstoj in lego novega planeta, ki so ga poimenovali Neptun. Vprašanje znanstveniku je bilo preprosto: če zna znanost napovedati oddaljene dogodke v vesolju za več let vnaprej, ali ne bi bila zmožna napovedati tudi vremena tu na Zemlji vsaj za nekaj dni v prihodnost?

    Urbain Jean Joseph Le Verrier se je problema lotil sistematično. Najprej je poskušal zbrati čim več informacij o vremenu med 10. in 16. novembrom 1854, ko se je pred Krimom pripravljalo neurje. Iz podatkov je nato izrisal zemljevide, na katerih je s črtami povezal kraje, ki so imeli hkrati enak zračni tlak. Po preučitvi časovnega zaporedja takih zemljevidov je bilo jasno razvidno, da tlak proti središču ciklona močno pada, kar pomeni, da bi se teoretično s sprotnim izrisovanjem tovrstnih vremenskih kart dalo napovedati nastanek in gibanje hudih neurij.

    Takoj po tem odkritju so po Evropi vzpostavili mrežo vremenskih opazovalnic in jih povezali s telegrafi. V Angliji je tako službo za napovedovanje hudih viharjev vodil viceadmiral Robert FitzRoy, ki ga poznamo kot kapitana ladje Beagle, s katero je nekaj desetletij prej Charles Darwin potoval okoli sveta.

    A težava prvih metod sistematičnega napovedovanja vremena je bila, da so temeljile zgolj na opazovanjih in izkušnjah, ne pa tudi neposredno na fizikalnih zakonih narave. Znano je bilo denimo, da hiter padec zračnega tlaka zelo verjetno pomeni prihod slabega vremena, a tovrstna opažanja niso bila podprta z enačbami, s katerimi bi se dalo natančno izračunati stanje vremena v prihodnje.

    Napovedi vremena so bile zato nezanesljive, a so kljub temu postale popularne, deloma tudi zato, ker so jih redno objavljali v časopisih. V resnih znanstvenih krogih pa so se jim vse bolj posmehovali. Nezaupanje v vremensko službo med znanstveniki je močno prizadelo FitRoya, kar je bil domnevno tudi glavni povod, da si je 30. aprila 1865 z britvico v kadi prerezal vrat in izkrvavel.

    Po smrti vodje britanskega programa napovedovanja vremena so odgovorni naročili analizo dotedanjih napovedi in se na osnovi zbranih podatkov odločili, da program za nekaj let prekinejo.

    Meteorologija postane računska znanost

    Naslednji pomemben mejnik v razvoju meteorologije predstavlja leto 1904, ko je norveški fizik Vilhelm Bjerknes predlagal način, kako bi lahko vremensko napoved izračunali. V vizionarskem članku je pokazal, da bi lahko napovedovanje vremena postalo povsem resna računska veda.

    Pristop je opisal kot problem matematične fizike, kjer imamo znane začetne pogoje in enačbe, tako da lahko izračunamo razvoj sistema v času. Z dovolj dobrim poznavanjem trenutnega stanja atmosfere bi teoretično tako lahko natančno napovedali, kakšno bo vreme naslednje dni. Žal pa takrat še niso poznali računalnikov, brez katerih tovrstnih izračunov ni bilo mogoče izvesti dovolj hitro, da bi imeli rezultati praktični pomen.

    Ključna ideja Bjerknesovega pristopa je bila, da je ozračje razdelil na majhne enote oziroma nekakšne atome vremena, ki so se jim nato s časom spreminjale lastnosti. Atmosfero je razrezal na mrežo kock in predpostavil, da so osnovni podatki, kot so temperatura, vlažnost, tlak in veter, v vsaki vremenski kocki oziroma enoti napovedovanja vremena enaki.

    Povsem enak pristop uporabljajo meteorologi še danes, ko s pomočjo superračunalnikov napovedujejo vreme tudi za več kot teden dni vnaprej. Model deluje tako, da na osnovi podatkov o stanju posamezne vremenske točke in njene okolice s pomočjo fizikalnih enačb izračuna njeno stanje za en korak v času naprej.

    Takšne enote za računanje razvoja vremena so razmeroma velike. Znašajo nekaj deset kvadratnih kilometrov pri globalnih modelih celotne zemeljske površine, s katerimi izračunavajo razvoj vremena za teden dni in več, in nekaj kvadratnih kilometrov pri lokalnih modelih, ki izračunavajo razvoj vremena za nekaj dni na manjšem območju. Časovni korak znaša od nekaj minut do pol ure, glede na siceršnjo izbiro mreže in njeno resolucijo.

    Bjerknes je v meteorološki žargon vnesel značilni besednjak medicine. Zapisal je, da mora prognoza vremena temeljiti na natančni diagnozi trenutnega stanja. Brez čim boljših podatkov o stanju vremena na terenu seveda ni mogoče izvajati izračunov, kakšno bo vreme v bodoče.

    Vreme se dogaja na frontah

    Že kot majhen deček je Vilhelm Bjerknes pomagal svojemu očetu Carlu, sicer profesorju na Univerzi v Oslu, pri fizikalnih eksperimentih. Po diplomi iz matematike in fizike je odšel leta 1889 najprej v Pariz, kjer je poslušal predavanja Julesa Henrija Poincareja, nato pa se je odpravil še v Bonn, kjer je postal najprej asistent in nato sodelavec Heinricha Hertza. Skupaj sta izvedla več raziskav, ki so bile pomembne za nastanek radia. Leta 1892 se je vrnil na Norveško, da bi dokončal doktorat, nato pa je dobil službo predavatelja v Stockholmu, kjer je začel razvijati matematični opis dogajanja v atmosferi in oceanih.

    Leta 1905 je svoje ideje predstavil v ZDA in predstavnike Carnegie Institution tako navdušil, da so finančno podpirali njegovo delo vse do leta 1941. Po nekaj letih na domači Univerzi v Oslu so ga povabili na Univerzo v Leipzigu. Leta 1917 se je vrnil na Norveško in v Bergnu ustanovil Geofizikalni inštitut. Tu sta mu poleg sina Jacoba pomagala še švedski meteorolog Tor Bergeron in sinov sošolec Halvor Solberg.

    Četverica znanstvenikov je v naslednjih letih postavila teorijo, po kateri je vremenska aktivnost praviloma skoncentrirana na relativno ozke cone, kjer pride do stika toplega in hladnega zraka. Ta območja povečane vremenske aktivnosti so po analogiji z dogajanji na vojaškem bojišču poimenovali vremenske fronte. Natančno so opisali sistem, kako pride do nastanka ciklonov in kako ti vplivajo na vreme preko potovanja vremenskih front. Njihov inovativen pristop predstavlja ključni mejnik v razvoju sodobne meteorologije.

    Strah pred lakoto spodbudi nastanek mreže opazovalnic

    Med prvo svetovno vojno je imela tudi Norveška težave z zagotavljanjem ustreznih količin hrane za svoje prebivalce. Pridelati jim je uspelo manj kot polovico žita, ki so ga porabili, uvoz preko Atlantika iz ZDA pa je postajal vse dražji. Na vsak način so morali nekako povečati domačo pridelavo.

    V začetku leta 1918 so na Švedskem uvedli posebno telefonsko številko, kamor so lahko kmetje poklicali za vremensko napoved. Na Norveškem česa podobnega niso imeli v načrtu, kar je Bjerknesa ujezilo, zato je sprožil pobudo, da bi z namenom pomagati kmetom pri preskrbi prebivalstva čim bolj izpopolnili sistem javnega napovedovanja vremena.

    Pred vojno so se na Norveškem zanašali predvsem na telegrame o vremenu na Irskem, v Veliki Britaniji in na Ferskih otokih, od koder so praviloma prihajale vremenske motnje. A med vojno ti podatki niso bili več javno dostopni, zato so se morali Norvežani opreti na lastna opazovanja. Bjeknesu je uspelo spomladi 1918 po državi vzpostaviti šestdeset novih opazovalnic, ki so se pogosto pokrivale z državno mrežo opazovanja pojava podmornic.

    Vendar Bjeknes ni uvedel le sistematičnega zbiranja podatkov, ampak tudi njihovo sistematično vsakodnevno obdelavo ter izdelavo vremenske prognoze, kar je postalo znano kot bergenska šola meteorologije. Na podstrešju domače hiše so vsak dan približno ob osmih zjutraj zbrali telegrame z meritvami z vremenskih postaj po državi in se takoj lotili risanja vremenskih kart. Približno ob pol desetih so že izdali vremensko napoved za tisti dan, ki je bila v pomoč predvsem kmetom in ribičem. Ko so kasneje čez dan prihajali novi podatki, so napoved po potrebi prirejali in s tem izpopolnjevali njeno zanesljivost.