Исследуя состав земной атмосферы, ученые определили, что ее состав отличается от вероятного состава атмосферы, окружающей другие планеты Солнечной системы. Работа в этой области еще только начинается. Так, сведения об атмосфере Венеры получены с помощью советских и американских автоматических станций. Проводятся наблюдения над атмосферой Сатурна. Эти исследования позволили установить, что атмосферы планет земной группы типично окислительные, в них мало (или вовсе отсутствует) водорода и много углекислого газа (в атмосфере Венеры углекислого газа 93–97 %).
Химический состав земной атмосферы с течением времени меняется под влиянием поверхности земной коры, биологических факторов и ультрафиолетовой солнечной радиации. В соответствии с теорией образования Земли академика О. Ю. Шмидта, частицы гигантского облака космической пыли, из которого образовалась Земля, выделили постепенно основные газы — атмосферу. Позднее легкие газы улетучились. Считают, что в современную эпоху газы попадают в атмосферу главным образом при извержении вулканов. А затем вновь возвращаются на земную поверхность. Как в прошлом, так и теперь продолжается сложный процесс формирования атмосферы планеты. А влияние деятельности людей на состав атмосферы с каждым годом увеличивается.
Человек всегда стремился понять явления природы, оградить себя от опасных, определить полезные. Не случайно земляне обожествляли солнце, луну, гром и молнию, ветры и моря. С незапамятных времен сохранились сведения о погоде, смене ветров, радуге, муссонах, о пыльных бурях. Но уже в глубокой древности ученым приходилось несколько ограничивать власть божественной силы. Так, Пифагор говорил, что «бог поступает всегда по правилам геометрии». В первых записях древних по метеорологии был отмечен годовой цикл погоды. Более четырех веков до нашей эры в греческих городах на всеобщее обозрение выставлялись календари погоды (их называли паранегамами, от греческого слова прикреплять) с описаниями наблюдений предшествующих лет. В них говорилось о ветрах, бурях, дождях, грозах и туманах. Сохранились сведения, дающие возможность составить представление о погоде того времени. По отдельным данным (прилет и отлет домашней ласточки или цветение персика) можно установить, что климат был теплее настоящего.
Первой книгой об атмосферных явлениях была «Метеорология» Аристотеля. Труд великого ученого состоял из четырех частей: в первой описывались явления, происходящие в верхних слоях атмосферы, во второй — моря, в третьей — бури и вихри, а четвертая посвящалась «Теории четырех стихий». Следовательно, уже тогда были известны многие метеорологические явления и делались попытки установить взаимосвязь океанов и атмосферы. Впервые «Метеорология» была переведена на итальянский язык в 1474 г. До 1600 г. вышло 135 ее изданий с различными комментариями. Средние века оставили нам летописи, также упоминавшие о явлениях погоды.
В период Великих географических открытий было доказано, что наша планета имеет форму шара и климат на ней весьма разнообразен. Мореплавание потребовало развития астрономии, оптики, навигации. В XVII в. были изобретены термометр, барометр и многие другие приборы. История создания термометра до сих пор еще во многом неясна. Высказывается предположение, что над изобретением термометра работали одновременно несколько ученых. Однако пальма первенства принадлежит Г. Галилею. Два с половиной столетия ушло на унификацию наблюдений температуры воздуха, да и сейчас эта работа еще не закончена.
Аристотель ввел ошибочное представление об абсолютной легкости воздуха, которое укрепилось необыкновенно прочно. Галилей же изучал давление воздуха. Он вычислил высоту медного столба, уравновешивающего давление воздуха, хотя сам еще пользовался термином «сила пустоты». Так приблизилось время появления барометра. Его изобрели ученики Галилея — Торичелли и Вивиани. Примерно в середине XVII столетия появились барометры с надписями: «дождь», «сильный дождь», «буря» (со стороны низкого давления), «ясно», «очень ясно», «очень сухо» (со стороны высокого). Эти надписи существуют на барометрах и в наши дни.
В XIX в. возникла одна из ветвей метеорологии — синоптическая. В 1816–1820 гг. Брандео в Германии составил первые синоптические карты для Европы. В 1842 г. Лумис сделал их в США. Для первых карт были использованы наблюдения 36 станций, из которых три находились в России (сейчас в нашей стране 10 тыс. метеорологических станций).
Постепенное совершенствование и анализ синоптических карт позволили сделать многие фундаментальные выводы о движении и свойствах воздушных масс. Пришло время оформления их в самостоятельную дисциплину с конкретной практической задачей — предсказание погоды. Этому способствовало изобретение телеграфа, который стал использоваться для быстрейшей связи отдаленных: районов с центральными учреждениями в случае приближения бурь, а также организации всей метеорологической службы.
14 ноября 1854 г. на Черном море произошла жесточайшая буря. Стоявший в это время в Балаклавской бухте англо-французский флот был уничтожен. Это трагическое событие привело к организации во Франции регулярной службы, которую возглавил известный астроном У. Леверье. Через три месяца после балаклавской бури вышла первая опытная карта, для которой были использованы наблюдения 13 метеорологических станций Франции. В последующие годы стали поступать наблюдения и из других стран, составляться и публиковаться карты, организовалась служба штормовых предупреждений.
В 1872 г. возникла служба погоды и в России. В Главную физическую обсерваторию в Петербурге по телеграфу передавались сведения с 60 русских и зарубежных станций, штормовые предупреждения ограничивались лишь акваторией Балтийского моря и озер.
В течение нескольких десятилетий синоптический прогноз был, в сущности, прогнозом изменений поля давления атмосферы. Считалось, что горизонтальное распределение давления это и есть условия погоды. Но температура воздуха, осадки, облачность связаны не только с давлением. В атмосфере все значительно сложней. Необходима была перестройка самого метода синоптической метеорологии, его научных основ и прогностических возможностей. В 1915 г. в России возникло Военно-метеорологическое управление и Главная авиаметеорологическая станция. Да и сама метеорологическая наука уже была подготовлена к перестройке.
Развитие аэрологических наблюдений в конце XIX в., т. е. исследование верхних слоев атмосферы, привело к тому, что произошел поворот к изучению процессов в трех измерениях. Существенную роль в этом сыграли и успехи динамической метеорологии, в особенности учение о циркуляции атмосферы и об энергии атмосферных движений (В. Бьеркнес и М. Маргулес). Благодаря радиосвязи был установлен международный обмен метеорологическими сводками. Синоптические карты начали составляться для всего северного полушария, а затем и для Земного шара. Если во время первой мировой войны было несколько десятков станций, то к 40-м годам их насчитывалось уже тысячи. Сами передаваемые наблюдения стали подробнее, охватили большое число элементов. Радио стало основным средством информации о будущей погоде. Таким образом, крупнейший технический переворот в средствах связи привел к перевороту в синоптической метеорологии. Метеорологическая наука за 20 лет (1920–1940 гг.) сделала больше, чем за всю свою предшествующую историю.
Значительное развитие получила служба погоды в нашей стране. В 1930 г. был организован Центральный институт погоды, республиканские и областные центры службы погоды, синоптическая служба в аэропортах гражданской и военной авиации.
Изобретение радиозонда сделало возможным появление высотных карт погоды и вертикальных разрезов. В нашей стране они систематически составляются с 1937 г. С помощью этих карт были открыты и исследованы струйные течения — узкие, но исключительно сильные потоки в верхней атмосфере и тропосфере. В 1945 г. первые полеты самолетов в тропических циклонах положили начало их подробному исследованию.
