עמוד הבית > מדעי כדור-הארץ והיקום > מטאורולוגיה [אקלים ומזג האוויר] > מזג אוויר
אאוריקה : כתב-עת להוראת מדעים וטכנולוגיה


תקציר
המאמר עוסק במטאורולוגיה ובתורת חיזוי מזג האוויר. במאמר סקירה של התפתחות תורת חיזוי מזג האוויר, אמינות חיזוי וכן סקירת מושגים כמו שקע ורמה ברומטרית, מפה סינופטית .



אין חזאי בעירו
מחבר: ברוך זיו


כשרוצים לתת דוגמה למשהו לא צפוי, אומרים: כמו מזג האוויר; כשרוצים לתת דוגמה למשהו לא ודאי, אומרים: כמו התחזית. יחד עם זאת, אין כמעט מהלך בחיינו, בכל רמה ותחום כמעט, שאינו תלוי בחיזוי התנהגותם של גורמי הטבע. אך האם אפשר לקרוא לזה מדע?

מעשי אבות ומעשי בנים


מאז ימי קדם שאפו בני האדם לחזות מראש את תופעות הטבע, בעיקר את אלה שצפנו להם סכנה. היה זה טבעי שהחקלאים ויורדי הים הקדמונים ידעו לחזות את מועדי עונות השנה ובהדרגה פיתחו כללים לפיהם צפו את בוא הסערה או הגשם. אליהו הנביא, שנדרש לבשר לעמו על בוא הגשם המתמהמה, ידע לשלוח את נערו מערבה אל עבר הכרמל כדי לאתר את ענני הגשם הראשונים. בהתבשרו על הופעת העננה הראשונה, "שגודלה כגודל כף יד", התגלה אליהו לא רק כנביא אלא גם כחזאי. הוא תירגם את המידע ללשון אזהרה: "אסור ורד"! ואכן, "השמיים התקדרו עבים ורוח, ויהי גשם גדול". עבודת החיזוי של אליהו משקפת את אחד מכללי החיזוי המוכרים בארץ, והוא שענני הגשם באים ממערב. כלל זה נכון אמנם לענני הגשם הפוקדים את אזורנו בחורף, אך לא לענני הרעמים הבאים בעונות המעבר מדרום והעלולים לגרום לשטפונות בערבה ובנגב. מקצוע החיזוי התקדם במשהו מאז ימי הנביא, ומדינות רבות מקדישות כיום משאבים רבים לפיתוח ולאחזקה של מרכזי חיזוי משוכללים. מעבר לסיפוק סקרנותנו באשר לשאלה מה יהיה, עשוי תכנון המתחשב בתחזית מטאורולוגית לחסוך במשאבים, למנוע נזקים ואפילו אבידות בנפש. כשצפוי גשם חזק, ניתן להימנע מבעוד מועד מביצוע עבודות שעשויות להיכשל או להסתיים בנזק כגון סלילת כביש, יציקת גג או חריש. כאשר צפוים תנאי שרב, ניתן לתגבר את ההיערכות לכיבוי שריפות ולהשקות גידולים הרגישים לחום ויובש. תחזית לרוח חזקה מאפשרת לחקלאים לחזק את החממות ומתקנים אחרים שעשוים להיפגע מהרוח. חקלאי המקבל התראה על הפוגה ממושכת בגשמים בעיצומו של חורף, יכול לפרוס מערכת השקיה כדי למנוע התייבשות גידולים, שעלולים להינזק ללא תקנה.

התחבורה היבשתית, הספנות והתעופה רגישים במיוחד לתנאי מזג האוויר ומצריכים סוג מיוחד של תחזיות. די להיזכר בתאונות השרשרת רבות הנפגעים שנגרמו ב"חסות" ערפל במערב אירופה, כשתנאי הראות לא איפשרו לנהגים לראות את הרכב שלפניהם או להבחין בעצירתו הפתאומית. ערפל גרם בעבר וממשיך לגרום גם כיום התנגשויות קטלניות בין אוניות. חיזוי של תנאים כאלה עשוי להגביר עירנות, להותיר מרווח זמן לשינוי נתיבי נסיעה או שייט ולשינוי מועדי המראה של מטוסים.

הרצון לחזות מראש את העתיד הוביל לכך שבתחומי מדע רבים ומגוונים קיים ענף מקצועי העוסק בחיזוי. מומחים ליחסים בינלאומיים מנסים לחזות את עתידם של משטרים בארצות שונות, כמו למשל בהונג קונג שלאחר המעבר משליטה בריטית ליברלית לשליטה סינית. די אם נתבונן בתחזיות המנוגדות המתפרסמות חדשות לבקרים כדי שנבין, שלפחות חלקן יתבדו. כלכלנים רבים מקדישים מאמצים להעריך את שיעור האינפלציה הצפוי, למרות אי הוודאות הבלתי נמנעת שבתחזיותיהם. גיאולוגים מנסים, ללא הצלחה, לחזות התפרצויות וולקניות ורעידות אדמה. בהשוואה לאלה, נראה שהחיזוי המטאורולוגי, גם אם אינו מתאמת תמיד במדויק, הוא אחד המוצלחים שבענפי החיזוי.



המדע מדויק; החיזוי - לא!


יש הרואים את חיזוי מזג האוויר כביטוי העיקרי והמייצג של מדע המטאורולוגיה. הואיל, כאמור, והחיזוי אינו מדויק, הם מגדירים את מדע המטאורולוגיה כולו כלא מדויק. נראה שהמושג "מדע מדויק" אינו ברור כל צורכו. לרובנו נראה, שמדע מדויק הוא מדע הנותן תשובות מדויקות לבעיות בהן הוא מטפל.
מדע המטאורולוגיה הבסיסי חוקר תופעות אטמוספיריות ומנסה למצא להן הסברים, ומבחינה זאת, כדאי להשוות אותו למדע הפיסיקה.
כאשר הפיסיקאי ניגש לפתרון בעיה מעשית, הוא עשוי להגיע לפתרון מדויק. ניתן, למשל, לחשב ברמת דיוק גבוהה את מסלולה של חללית המשוגרת לעבר מאדים ולצפות בטלסקופ בהתגשמות התחזית. הדבר אפשרי משום שהחללית משייטת בחלל, הנקי מחיכוך, והכוחות השולטים בו הם כוחות המשיכה של השמש ושל כוכבי הלכת הקרובים למסלולו, ומשום שהשפעתם של כוחות אלה קלה לביטוי מתמטי מדויק. קשה יותר לחשב במדויק את מסלולו של טיל המשוגר לעבר מדינת אויב (ולכן לא ניתן לפגוע במדויק במטרה), למרות שהמרחק קטן לאין שיעור. הסיבה לכך היא שאת רוב זמנו "מבלה" הטיל באטמוספירה של כדור הארץ, שהשפעתה תלויה במגוון של גורמים שאינם ידועים במדויק. משימתו של הפיסיקאי תסתבך ואף תהפוך לבלתי אפשרית, אם ינסה לחזות את מעופו של עלה הנושר מעץ איזדרכת בעת שלכת סתווית.
החיזוי המטאורולוגי משתמש בנתונים מדודים כדי לחשב את השינויים הצפויים בטווח של מספר ימים. נתונים אלה בחלקם אינם ידועים ובחלקם אינם מדויקים (נושא זה יורחב בהמשך), ואי הוודאות בידיעת המצב בהווה פוגעת בחישוב התנאים העתידיים. מצב זה מבטא את התנאים הבעייתיים בהם פועל החיזוי ולא את מהות מדע המטאורולוגיה.



סימנים מבשרים


ידוע לנו שמזג האוויר בכל מקום תלוי בתנאים השוררים באזורים השכנים. מכאן שכדי לחזות את התפתחות מזג האוויר יש לדעת את המתרחש באזורים סמוכים, דבר המחייב אמצעי תקשורת. בהעדרם של אלה, קשה היה לצפות להישגים מקצועיים מרשימים בתקופת התנ"ך, למשל. יחד עם זאת, כושר החיזוי שהפגינו אליהו הנביא ואחרים מעיד על מידה לא מבוטלת של תבונה. מניסיונם, לפעמים הכואב, למדו בני האדם מהם הסימנים המבשרים על שינוי ומהיכן הוא מגיע. הם פיתחו, איפוא, "כללי אצבע", הקושרים סימנים מקדימים והמבשרים התפתחויות במזג האוויר דוגמת הכלל של אליהו, שציפה לבוא ענני הגשם מכיוון הים.

כלל אצבע מוכר הוא זה הקובע ששמיים אדומים מבשרים סופת רוח. כיום אנו מסוגלים להסביר את מקור הכלל. סערה נעה על פי כיוון הרוח ברום שהוא לרוב ממערב למזרח, ובמהירות שהיא כחצי ממהירותה של הרוח ברום. במצב בו נמצאת סערה ממערב לישראל, הרוחות החזקות הקשורות בה מעלות במדבר המצרי והלובי ענני אבק, המיתמרים לגובה של מספר קילומטרים. רוחות הרום מסיעות את האבק במהירות העולה על מהירות תנועת הסערה, ולכן האבק מקדים את בואה. נוכחות חלקיקי האבק ברום הגבוה גורמת לפיזור מוגבר של קרני השמש, במיוחד בצבע האדום, ה"צובע" את השמיים. החקלאי הקדמון לא ידע מהם התהליכים העומדים מאחורי התופעות, אך הכיר היטב את הסימן המבשר עצמו.

הדוגמה מראה, שכללי האצבע מעוגנים היטב במציאות הגיאוגרפית של האיזור בו נקבעו. אחת הדוגמאות קשורה בכלל האומר, שהילה לבנה סביב השמש או הירח מבשרת גשם. מקור הכלל הוא באזורים הממוזגים כמו אירופה או צפון ארצות הברית. ההילה היא תופעת לוואי לענני נוצה המתפשטים על פני השמיים. עננים כאלה קשורים, לרוב, בחדירה של אוויר חם לאיזור קר. האוויר החם "דוחק" את האוויר הקר, עולה מעליו בתנועה אלכסונית ויוצר תוך כדי כך משטחים של עננים בגבהים שונים. על פי סדר האירועים האופייני האוויר החם, והעננות שמתפתחת בו, מגיעים תחילה לרום הגבוה ובהדרגה חודרים לשכבות יותר נמוכות, כך שהתהליך מתחיל בהופעת עננות גבוהה, וממשיך בעננות הבינונית והנמוכה, שאיתן מגיע הגשם. האוויר החם הפוקד את אזורנו, מגיע מהמדבר. זהו אוויר יבש המסוגל לכן ליצור עננות גבוהה בלבד. ההילה מבשרת אצלנו התחממות אך לא גשם. תיירים ועולים חדשים מארצות המצויות באיזורים הממוזגים עלולים לפרש שלא כהלכה את הופעת ההילה. משמעות הדבר היא שכשבני אדם נוסעים ממקום למקום, ייתכן שעליהם לעדכן את כללי האצבע שהם נושאים בליבם, בטרם יישמו אותם במקום מושבם החדש. דוגמה קיצונית לכך היא הרוח הדרום מערבית בישראל בחורף. רוח מכיוון זה נחשבת בצפון הארץ כרוח מבשרת גשם, ואילו בדרום הארץ היא אות להיעדר גשם.

סיבת הדבר היא מיקום הים. רוח דרום מערבית מחדירה לצפון הארץ אוויר לח היישר מהים, ולכן הסיכויים לגשם טובים, בעוד שרוח מאותו כיוון הנושבת לעבר הנגב, מחדירה אליו אוויר יבש מכיוון סיני, ואז הסיכוי לגשם קלוש.



המפה הסינופטית


תנאי מזג האוויר בכל מקום, אם כן, קשורים באופן הדוק לאלה שבסביבותיו. כדי לחזות את התפתחות מזג האוויר יש לדעת תחילה במדויק ככל שניתן את תנאי מזג האוויר בשטח גדול ככל האפשר. לשם קבלת תמונה "בו זמנית" של מזג האוויר נחוצים רשת של תחנות תצפית ואמצעי קשר מהירים. רק במאה ה- 19 הגיעו אמצעי הקשר לרמה שאיפשרה לשרטט על מפה גיאוגרפית נתונים מטאורולוגיים בו זמניים. מפה כזו נקראת "מפה סינופטית". מקור המלה הוא שילוב המלים "סינכרוני", כלומר בו זמני, ו"אופטי", כלומר חזותי. מפות אלה מכילות נתונים מדודים כגון טמפרטורה, רוח, לחות ולחץ אוויר, ופרטים משלימים, כגון תיאור העננים ותופעות כמו שלג, עמודי חול וכו'.

אחת התרומות הטכנולוגיות שהקפיצו את התפתחות החיזוי קדימה הוא המצאת הברומטר, מד לחץ האוויר. שלא כמו במקרה של הטמפרטורה והרוח, אין ביכולתנו לחוש את השינויים בלחץ האוויר החלים יום יום (אין הכוונה לשינויים החדים שאנו חשים בנסיעה בדרך הררית או בטיסה). מתברר, ששינויים אלה הם הגורמים לנשיבת הרוח, ובעקבותיה לגלי חום וקור, להיווצרות עננים וכו'. הניסיון שנצבר במאות האחרונות הביא להתפתחות התיאוריות המדעיות המסבירות את מבני הזרימה של האטמוספירה. נקודת המוצא בתיאוריות הללו היא, שכשקיימים הפרשים בלחץ בין שני מקומות שכנים, האוויר "נדחף" לעבר האיזור בו הלחץ נמוך יותר. מסיבות הקשורות בסיבוב כדור הארץ אין האוויר נע ישירות לעבר הלחץ הנמוך, אלא סוטה מעט מכיוונו ימינה בחצי כדור הארץ הצפוני ושמאלה בחצי הדרומי. עיון במפת הלחץ מאפשר איתור אזורים בהם הלחץ נבדל מסביבותיהם. איזור בו הלחץ נמוך מאשר בסביבותיו מכונה "שקע ברומטרי", ואיזור בו הלחץ גבוה מאשר בסביבותיו נקרא "רמה ברומטרית".

הרוחות סביב השקע חגות נגד כיוון השעון תוך התכנסות למרכזו, בעוד שברמה הן חגות עם כיוון השעון תוך התבדרות לצדדים. בחצי כדור הארץ הדרומי מגמת הסיבוב הפוכה. התכנסות האוויר אל השקע כרוכה בעלייתו מעלה, והתבדרותו כרוכה בשקיעתו מטה ("התמוככות", בלשון המטאורולוגים). עליית האוויר מעודדת יצירת עננות ומשקעים, ושקיעתו מונעת עננות. יתרה מזאת, שיפוע הלחץ סביב השקע חריף יותר מאשר ברמה, ולכן עוצמת הרוחות שם גבוהה יותר. מהאמור ניתן להסיק, שבאיזור בו מצוי שקע ברומטרי יש לצפות לעננות, למשקעים ולרוחות חזקות, כלומר למזג אוויר סוער, בעוד שבאיזורים בהם מצויות רמות ברומטריות, נצפה למזג אוויר שקט ונאה.

מעקב יומיומי אחר המפות הסינופטיות מאשר את ההערכות האלה ומגלה בנוסף שמערכות הלחץ, כלומר השקעים והרמות, משנות את מיקומן ואת עוצמתן מיום ליום. מובן שהקשר בין מפת הלחץ ומזג האוויר מורכב יותר, אך ברור שחיזוי המפה העתידית הוא המפתח לחיזוי מזג האוויר עצמו. מכלול המפות הסינופטיות, כגון מפת הטמפרטורה, הלחץ והרוח בגבהים השונים, מגדירות "מצב סינופטי".
מבחינתו של החזאי, משהגדיר לעצמו את המצב הסינופטי, הוא מסוגל לתרגם אותו ללשון מפורטת של תנאי מזג האוויר באיזורים הכלולים במפה.



חיזוי מספרי


עד שנות ה- 60 התמקדה מיומנותו המקצועית של החזאי בשתי פעולות: יצירת מפות סינופטיות חזויות ותרגום המפות ללשון מזג האוויר. במהלך שנות ה- 70 החל להתגשם בהצלחה גוברת והולכת חלומם של מדענים רבים: למסור את תפקיד יצירת המפות החזויות לידי המחשב. המחשב מבצע את התהליך על ידי פתרון משוואות המחשבות את השינויים הצפויים בערכיהם המספריים של המשתנים המטאורולוגיים. תהליך זה נקרא "חיזוי מספרי" או "חיזוי נומרי". החישוב נעשה על "מודל" שהוא תמונת האטמוספירה, כפי שעובדה בהתאם ל"יכולתו השכלית" של המחשב. המרחב האטמוספירי המקיף את כדור הארץ מחולק לתאים דמויי קובייה. כל תא מיוצג על ידי נקודה המצויה במרכזו. הנקודות מהוות "סריג".

ערכי המשתנים האטמוספיריים שמהם מתחיל החיזוי נקראים "תנאי התחלה". חישוב הערך החזוי של הלחץ בנקודה מסוימת הוא הוספת ערכו המספרי של השינוי, כפי שחושב באמצעות משוואת החיזוי, לערכו ההתחלתי. הואיל והשינויים בתנאי מזג האוויר בכל מקום תלויים בתנאים שבסביבתו, כל חישוב חייב לכלול נתונים מנקודות סריג שכנות. כדי ליצור הדמיה ריאליסטית ככל האפשר, יש לבצע את החיזוי ב"צעדי זמן" קטנים, באורך של כחמש דקות. ייצורה של מפה חזויה לטווח של יממה מצריך מאות אלפי חישובים, בהתאם למספר נקודות הסריג ולמספר צעדי הזמן הנדרשים. כדי שמועד השלמת החיזוי יחול בטרם יחלוף הזמן במציאות, היה עלינו להמתין עד לשנות ה- 70, בהן הושגה יכולת החישוב הנדרשת.



מגבלות החיזוי וה"כאוס"


במהלך שנות ה- 80 החל להסתמן יתרון ברור למפות החזויות על ידי המחשב על פני אלה שנחזו בידי חזאים. במקביל, עם השתכללותם של אמצעי החישוב, התארך טווח החיזוי מיום-יומיים לארבעה ימים ויותר. הדבר הגביר את הציפיות מצד אנשי המדע ומצד הצרכנים ועורר תקוות להגיע לחיזוי מדויק לטווח של חודש ואולי אפילו של עונה שלמה. כישלונות חוזרים ונשנים בחיזוי, כגון זה שנזכר בראשית המאמר, בפרט בטווח של חמישה ימים ויותר, שבו ועוררו את הדיון המדעי בשאלות "לאיזה טווח ניתן לחזות את מזג האוויר, והאם ניתן להגיע לדיוק מוחלט?"

מתמטיקאים שחקרו את תכונותיהן של משוואות החיזוי, ניסחו את מגבלות החיזוי כנעוצות בשלושה גורמים: היותן של המשוואות אי-לינאריות, חלוקתו של התווך לנקודות סריג והגדרה לא מדויקת של תנאי ההתחלה.

הסבר הגורם הראשון מחייב דיון מתימטי מפורט ולכן לא נעמיק בו, אך נציין שמשמעותו היא, ששינוי מזערי בערכים המספריים של תנאי ההתחלה עלול להוביל לשינוי מפליג בתוצאת החיזוי. פירוש הדבר הוא, ששני מצבים סינופטיים הנראים זהים למראית עין, עלולים להתפתח במהלך הזמן באופן שונה. תכונה זו, המאפיינת את האטמוספירה, מאפינת מערכות אחרות בטבע, כמו אוכלוסיות של בעלי חיים וזרמי ים, ומכונה "כאוס" (תוהו ובוהו).
מעניין לציין, שבמקביל לחיזוי המספרי נעשו ניסיונות רבים לחזות את מזג האוויר באופן "אנלוגי". חיזוי כזה נפתח בהשוואת המצב הסינופטי הנוכחי למצבים שהיו בעבר. לאחר שנבחר המצב הדומה ביותר, נקבעת התחזית על פי התפתחות המצב במקרה שנבחר. חיזוי זה נכשל מן הסתם בגלל שאין מצבים סינופטיים שחוזרים על עצמם במדויק, וההבדלים הבלתי נמנעים בין המצב הנוכחי לבין זה שהוכתר כדומה לו עשוים להביא לשוני במהלך ההתפתחות, כנגזר מתכונת הכאוס.

משמעות הגורם השני היא, שהמשוואות המתארות את התהליכים האטמוספיריים, מתארות תווך רציף, כלומר רצף של אוויר שכל החלקיקים המהווים אותו קשורים זה לזה. הסבת המשוואות לצורה המותאמת לאוסף של נקודות סריג הופכת אותן ללא מדויקות. הגורם השלישי למגבלות החיזוי הוא איכות הנתונים. כל נתון בנקודת סריג אמור לייצג את התא האטמוספירי שמקיף אותה. כיוון הרוח ועוצמתה, למשל, משתנים באופן ניכר במרחב, וקשה לצפות שהערך שנבחר מייצג את כל התא. משמעות הדבר היא, שתנאי ההתחלה מכילים בתוכם באופן בלתי נמנע אי דיוק. אי דיוק זה הוא הגרעין לטעויות בתוצאות החיזוי. טעויות כאלה ילכו ויגדלו מצעד זמן אחד למשנהו, ועשויות לפגום באמינות החיזוי לטווח של מספר ימים.



אמינות החיזוי


הכאוטיות בה ניחנה האטמוספירה עלולה להביא לפסימיות באשר לעצם הפגיעה בדיוק מתבטאת בעיקר בטווח של ארבעה-חמישה ימים ומעלה. יתרה מזאת, המתימטיקאים מפתחים שיטות המאפשרות להעריך כמותית את מידת אי האמינות של כל תחזית, בהתאם למצב הסינופטי ולאיזור הגיאוגרפי. ניתן לומר בהכללה, לדוגמה, כי ככל שמתקרבים לקו המשווה, פוחתת אמינותו של החיזוי.

התפתחות מדע המטאורולוגיה ובעקבותיו מקצוע החיזוי הניבו לאנושות כלי עתיר תועלת, המאפשר לנו לקבל מושג אמין למדי על מהלך מזג האוויר בימים הקרובים. החיזוי השתפר משמעותית בשנים האחרונות, וסביר להניח שיוסיף עוד להשתפר. יחד עם זאת, עלינו לזכור שתכונות האטמוספירה ומגבלות המחשב לא יאפשרו לנו להיות חסינים לגמרי בפני טעויות בחיזוי וימנעו מאיתנו ליהנות מתחזיות אמינות לטווחי ומן של יותר משבוע.


מקורות:
ברוך זיו ויואב יאיר (1994). מבוא למטאורולוגיה, כרך ב'. האוניברסיטה הפתוחה.
ג'ימס גליק (1991). כאוס, תל אביב: הוצאת מעריב.
פנחס אלפרט. 1989-90. מדוע טועים החזאים, מדע ל.ג. 6.

ביבליוגרפיה:
כותר: אין חזאי בעירו
מחבר: זיו, ברוך
תאריך: אפריל 1998 , גליון 6
שם כתב העת: אאוריקה : כתב-עת להוראת מדעים וטכנולוגיה
בעלי זכויות : רמות; אוניברסיטת תל אביב
הוצאה לאור: אוניברסיטת תל אביב; רמות
הערות: 1. כתב העת יוצא ביוזמת למדע: מרכז מורים ארצי להוראת מדע וטכנולוגיה בבתי הספר היסודיים.
הערות לפריט זה: יוצא ביוזמת למדע: מרכז מורים ארצי להוראת המדע וטכנולוגיה בבתי הספר היסודיים.
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית