Эффект бабочки

Дождь ли, снег – любое время года…

Каждый день мы вглядываемся в окно, чтобы обрадоваться солнцу, дождю или снегу. Мы ждем прогнозов синоптиков, чтобы понять, как планировать возможную командировку, свои выходные или отпуск. Мы ждем хорошую погоду.

Первый барометр был изобретен в XVII веке итальянским ученым Эванжелисто Торричелли. Он же впервые смог доказать существование атмосферного давления. Конструкция его барометра была простой и надежной, состояла из колбы, запаянной с одной стороны и наполненной ртутью. По высоте уровня ртути можно было судить об атмосферном давлении. До сих пор похожие по принципу действия приборы используют для метеорологических измерений, они точны и надежны (рис. 1). Существует и внесистемная единица для обозначения атмосферного давления – миллиметр ртутного столба, – равная 133,322 Па. Иногда ее также называют Торр, в честь Торричелли.

В быту используются цифровые барометры, с их помощью мы тоже можем делать прогноз погоды, но информация о том, какое сейчас давление, может лишь примерно подсказать о том, какая нас ждет погода. Какое количество осадков прольется на землю в сутки или как долго продержится ясная погода, по одному лишь параметру давления точно сказать нельзя, нужны дополнительные данные.

Вы наверняка часто проверяете погоду или интересуетесь прогнозом на день, может быть, на неделю. Благодаря цифровым технологиям теперь узнать о погоде – одно из самых простых действий. Практически в каждом смартфоне есть приложение, с помощью которого можно узнать прогноз в любом городе. О погоде могут рассказать голосовые помощники, например Siri или Алиса. Предупреждения посредством эсэмэс об ухудшении погоды получал, наверное, каждый из нас.

Эти функции цифровых гаджетов очень упрощают нам жизнь, позволяя вовремя скорректировать свои планы на день и все же захватить зонтик.

В фильме «Назад в будущее 2», отвечая на вопрос о времени прекращения дождя, герой, сверившись с часами, сообщает о том, что дождь прекратится через 5 секунд. Через 5 секунд дождь действительно прекращается.
Сценаристы фильма уже в 1989 году предвидели возможность получения точной информации о погоде в будущем, речь ведь шла о далеком для них 2015‑м. Это очень интересная деталь. Ведь наравне с летающими машинами, скейтом и прочими чудесами техники в фильме был упомянут и прогноз погоды. Но в 2020 году дать точный прогноз хотя бы на несколько дней все еще не так просто.

Год назад я оказался в Дублине. Погода там может меняться ежечасно. В первый же день я промок насквозь, хотя рано утром светило солнце и день обещал быть ясным и безветренным. Все изменилось буквально через несколько часов, и внезапно начавшийся дождь шел до самой ночи. Именно там я стал пользоваться программой Yr (рис. 2), которая в деталях описывает возможные осадки, давление, направление и силу ветра, уровень влажности по часам. В этой программе есть возможность не просто смотреть в скучной таблице температурные условия на ближайший день, а наглядно видеть с помощью анимации, как меняется погода за день. Также программа Yr позволяет увидеть подробный прогноз на ближайшие три дня. Наверное, уже по привычке я все еще проверяю погоду каждое утро, пользуясь Yr.

Создание прогноза погоды в современном мире – слаженная работа метеорологов всех стран мира. Ежедневно в одно и то же время по Гринвичу все метеостанции на земном шаре проводят измерения влажности воздуха, температуры, скорости и направления ветра, атмосферного давления, количества осадков и степени облачности.
Метеорологические зонды и спутники на околоземной орбите передают данные о состоянии верхних слоев атмосферы и делают фотографии поверхности планеты из космоса. Информация поступает в главные мировые центры обработки данных о погоде и затем обрабатывается при помощи прогностических моделей. Каждая модель учитывает особенности циркуляции атмосферы, испарения и конденсации влаги, нагрева земли и влияние многих других факторов. После обработки данных метеорологи получают прогноз температуры, осадков, скорости и направления ветра и других атмосферных явлений. Без алгоритмов машинного обучения тут, естественно, не обошлось.

Атмосфера, окружающая нашу планету, устроена очень сложно. В каждой ее точке свои параметры. Один из основоположников теории хаоса – математик и метеоролог Эдвард Лоренц – много лет отдал решению проблемы прогнозирования погоды. В 60‑е годы прошлого столетия он показал, что состояние сложной динамической системы сильно зависит от начальных условий: незначительное изменение одного из параметров может кардинально изменить результат.
Лоренц назвал эту зависимость «эффект бабочки»: «Сегодняшнее трепетание крыльев мотылька в Пекине может через месяц вызвать ураган в Нью-Йорке».

Графическая интерпретация описанных Лоренцом уравнений действительно немного напоминает крылья бабочки (рис. 3).

Это фиксированные траектории изменения ряда параметров, среди которых могут быть температура, давление, влажность и др. Выглядит очень запутанно, но всегда остается в определенных границах.

Прогноз погоды превратился в науку, которая описывается математической моделью.

Такая модель хоть и описывает поведение четкого набора параметров, все равно считается «игрушечной». Ведь в реальной природе намного больше факторов, при этом бесконечно малые величины их изменения учитывать можно только на очень небольшом промежутке времени. Поэтому длительные прогнозы все еще остаются уделом мечтаний сценаристов для фантастических фильмов или задачей для алгоритмов с машинным обучением.

Когда в следующий раз вы откроете приложение, чтобы узнать погоду, знайте, каждое значение получено путем сложных компьютерных вычислений, а услышав в СМИ фразу «синоптики обещают…», про себя исправьте на «синоптики прогнозируют…» и на всякий случай захватите с собой зонт.

Андрей СИДЕНКО