章節6
大氣科學
雲、雨、雹、雪、風和太陽都是每日頻繁出現的天氣特色，長久以來都吸引著人類。無數的人們在思考它並設法預測它的變化。祈求神靈重視它那巨大而又駭人的自然神力。占星者們利用星辰的移動預測天氣，農夫和水手們積累氣象規律，依照現有的條件顯示未來大氣狀況的特點。
然而，試圖預測天氣並不等同於成功。對於大部分人類曆史而言，氣象預測總能令人失望和驚愕。有時或絕大多數時間裏，經驗法則更起作用。一旦它們失去功效，其結果是極悲哀的。公元前340年，希臘哲人亞裏士多德在他的《氣象學》論著中概述了很多有價值的氣象知識，盡管亞裏士多德對物質世界有些錯誤概念(例如他認為根本不存在真空)，但他的觀點持續了近1500年之久，被看做氣象學科學的前奏曲。17世紀在歐洲，人們創造力的發揮導致了溫度表、晴雨表的發明，並將風速表、溫度計加以改良。這就為嚴格的天氣變量(諸如氣溫、氣壓、風和濕度)的係統記錄，奠定基礎。
19世紀隨著人們對大氣層的基本了解，測量技術得到提高。在美國殖民時期，本傑明·富蘭克林根據觀察起初在費城的風暴，並獲悉它接著席卷了波士頓，從而推斷氣象係統是自西向東移動的。後來，由於19世紀50年代電報廣泛使用，人們將觀測的結果彙總，並在幾分鍾內編好，真正的天氣預報誕生了。在這一領域，由軍方和商船隊掌握的精確記錄十分重要。同時，物理和化學家們找到了控製大氣的規律，氣象學家對其動態作出解釋。到了1900年，幾個國家氣象服務部門發布了正式的天氣預報。
由於氣象用氣球、雷達和衛星的出現，20世紀人類將“人眼”送上了天空。這種想法最初是由挪威氣象學家韋爾海姆·皮葉克尼斯提出的。用方程式寫出大氣規律，使解決辦法更為精確。自20世紀50年代，計算機使這種方法進一步發展。利用大量的數據處理，作出預報圖，也可對尚未形成的氣象係統作出預測，全球性的氣象圖總體特征提前10天就可預測。雖有局限性，但預測十分準確。氣象預報提前3～6個月就可預測出某一地區氣溫和降水趨勢，這都要歸功於像韋爾海姆的兒子賈庫伯·皮葉克尼斯這樣一些科學家們的工作，他使人們更加清楚地了解到厄爾尼諾南方濤動這樣有全球影響的現象。天氣的觀察
跟蹤天氣實況有時像觀察風向一樣簡單，但有時又像發射價值上億元的衛星那樣複雜。氣象監測仍依賴一些基礎測量的方法——氣溫、濕度、風和氣壓的觀測。這些在幾個世紀以來一直是氣象學家工作的一部分，估測這些天氣特征還十分複雜，但其變量是一致的。近幾十年來這些現場收集的標準觀測資料，可以通過大範圍的遙感儀器完成。雷達、衛星和其他設備如今可對十幾裏、幾百裏乃至上千裏以外的氣象情況作出報告。
以往，氣溫用水銀溫度表或酒精溫度表測量，但在17世紀初，最先使用的溫度表則是利用空氣和酒精。大氣變熱，液體膨脹，溫度表內的液麵上升。現在，數字溫度計依靠在電路或電阻的電子屬性內部變化。大多數氣象站每24小時主要根據溫度實況的變化，發布最高或最低溫度的記錄，美國采用華氏，其他地區則采用攝氏溫標。
氣象學家用氣壓表測量大氣壓力，大氣壓是地球引力將儀器上方的大氣團向下拉動，在每單位麵積所形成的力。典型的無液氣壓表測量直接作用於有一定真空的空管上的壓力。現在更先進的氣壓表叫壓電電阻表，它測量由大氣作用在矽薄膜上的反作用力的變化。位於海拔1英裏(16千米)的氣象站可承受約85％的海平麵大氣壓。這是由於它上空空氣稀薄的原因。為擺脫因這種海拔高度造成的影響，氣壓表常讀作一個海拔高度。這種轉化是假定一個臆造的但又合理的實際高度同海平麵之間的標準大氣。
氣壓曾以水銀柱高度(英寸)為單位。對水銀氣壓表而言，由於大氣壓作用在水銀管的周圍，液體可在真空管內上升。海平麵標準大氣壓為2992英寸水銀柱高或以米製換算，約為1013毫巴(如果在經典氣壓表內加的是水而不是水銀，那麼該儀器需加長到三層樓那麼高)。空氣中的濕度用濕度計測定。它是一種利用頭發、幹羊腸筋或細金屬絲根據相對濕度的變化而拉長或收縮的測濕儀。
另一種測濕法是用幹濕球溫度表，來測量露點溫度。風向是主要的氣象變量，利用它作為即將到來的天氣征兆並將它記錄下來。風向的一些記錄可追溯到2000多年前，水平方向的風向可用羅盤刻度記錄，360°代表北方，90°代表東方，180°代表南方，270°代表西方。用近似十進位製的方法記錄或描述風吹來的方向。如東風轉東南風或轉西北風。
風速常用風速表測定。用一個螺旋槳或類似張開雙臂一樣的東西，迎著風，安上可計數的旋轉球。一隻壓力風速表精確記錄由風的作用，在開口端產生的動力壓力。音波風速表利用測量風在吹過兩個感應器之間的縫隙所產生的聲音來測風。風速以時速“英裏”來記錄，也可用“節”，即時速自然“英裏”的別稱，相當於115英裏／時。米製采用千米／時，或米／秒。由於風速每秒都可發生變化，現代的風速計包括一種軟件，可在規定時間內測量平均的持續不變的風速以及狂風的威力。用電波聲納和風向剖麵監測儀監控高空的風。
把其他用來預測氣象變化的因素結合起來，天氣現象包括能見度(幾英裏或幾千米內)、雲狀和雲高度以及在天空聚集的比例。以前的風力，一定時間內降雨量。最後還包括降雪厚度和雪中所含的水量。
至少每小時一次，全球氣象台站進行地麵觀測並將觀測結果發送到所在國家氣象部門。
這些讀數大多經加工幾分鍾內告之公眾。這是國際間的合作及國際互聯網的功勞。另外，自願觀測者們也控製近萬家氣象台站，每人每天進行一至兩次觀測。觀測報告連同國際數據奠定氣候觀測的基礎。
在過去幾年裏許多國家，包括日本和美國，對地麵觀察網站實行全部或大部分的自動化。這樣，觀測員隻是為了檢查和保養這些網站。這些網站配有最新技術水平的電子設備，經常在10～15分鍾可傳遞一次觀測結果。
在氣象用氣球發明之前，人們對大氣運動的觀測隻是與地麵有關。19世紀起，用氣球作實驗獲得地麵以上的大氣運動狀況，這些高度上氣流對天氣的運動和變化起到關鍵作用。
無線電問世於20世紀20年代，待到無線電探空儀的出現，那些有氣象氣球的台站改變了人們對高空大氣的看法。最典型的就是無線電探空儀通過小型氣壓表確定氣壓並測量溫度和濕度對電傳導性的影響。隨著無線電探空儀的上升，它用無線電發回報告，並根據某一地區探空儀的變化測定風速及風向。大約一小時後，一種特製無線電探空儀上升15英裏(24千米)以上。氣球膨脹最終爆炸。儀器包已完成使命，用一個微型降落傘把它降落到地麵。