Будучи талантливым математиком, Гутман применял свой арсенал методов в смежных с метеорологией областях исследований, таких как вычисление температуры и переноса влаги в почве, или задачах для мелководного слоя океана. Однако его самыми значительными ранними достижениями стали создание математических моделей метеорологических процессов, таких как морской бриз, поток воздушных масс над наклонной поверхностью, склоновые ветры и конвекция воздуха над нагретой поверхностью.

[Дебют]Гарик Гутман

ВСПOМИНAЯ ОТЦА И ЕГО НАУКУ

 

Абстракт

5 марта 2023 года моему отцу профессору Льву Николаевичу Гутману исполнилось бы 100 лет. В этой заметке я постарался описать некоторые аспекты жизни отца и его вклад в науку в области динамической мезомасштабной метеорологии. Развитие Л.Н. Гутмана как математика-метеоролога происходило в Советском Союзе, где за 25 лет он создал школу первоклассных научных исследователей в этой области. Он много работал над аналитическими методами решения сложных нелинейных задач, таких как структура бризов, горно-долинная циркуляция, термическая конвекция над нагретой поверхностью, и другие процессы масштаба 1—100 км. Л. Н. Гутман был одним из основателей математической теории кучевых облаков, торнадо и других мезомасштабных атмосферных явлений. С конца 1940-х и до середины 1950-х годов он занимался этими задачами в Центральном Институте Прогнозов и в Институте Геофизики в Москве. Затем, до начала 1960-х годов продолжил научные исследования со своими аспирантами и коллегами в Высокогорном Геофизическом институте в Нальчике на Северном Кавказе, с середины 1960-х годов в Академгородке — научном центре под Новосибирском, а после эмиграции в Израиль, в Тель-Авивском университете и Институте Пустынь университета Беер Шевы. Он обобщил результаты исследований 1950-х и 1960-х годов в монографии под названием «Введение в нелинейную теорию мезомасштабных метеорологических процессов», опубликованной в 1969 году Гидрометиздатом в СССР, и позже переведенной на английский, китайский и японский языки. Эта монография стала основным учебником для специалистов в области мезомасштабной метеорологии и остается актуальной по сей день. После эмиграции в Израиль в 1978 году его сотрудничество естественно расширилось и уже включало ученых в Израиле, Европе и США. Новаторские аналитические решения, приведенные в монографии 1969 года, все еще могут быть полезны молодым ученым в области мезомасштабной метеорологии и атмосферной динамики. Я был свидетелем многих этапов научной карьеры отца и его достижений. Написание этой заметки, которая включает описание не только этапов научной карьеры, но и некоторых любопытных деталей его жизни — это моя дань памяти наследию отца в науке в честь его недавно прошедшего 100-летия.

Ранние годы

Лев Гутман родился 5 марта 1923 года и вырос в Москве в эпоху Сталина. 30 лет спустя, в 1953 году, его день рождения совпал с датой смерти И. В. Сталина. Через год, его 31-й день рождения был омрачен визитом сотрудников КГБ, которые пришли (по доносу) проверить, не празднует ли семья первую годовщину смерти Сталина. Семье пришлось доказывать, что это действительно совпадение, показав им свидетельство о рождении. Хотя его родители не были связаны с наукой, некоторые родственные связи в научной области прослеживаются. Дед Льва (по матери) Г. И. Самойлович работал в области электрохимии. Его сын — брат матери Льва, то есть дядя Льва — А. Г. Самойлович был ученым физиком-теоретиком, создавшим учебник «Термодинамика и статистическая физика» в 1955 году, и работавшим и преподававшим в Ленинграде, Горьком и Черновцах.

В своих мемуарах о Я. И. Френкеле А. Г. Самойлович писал, что их матери были двоюродными сестрами, которые дружили всю жизнь, и что, приезжая в Москву, Френкель останавливался у них дома и повлиял на юного Самойловича, привезя ему учебники по физике и высшей математике. 

В школьные годы Лёва Гутман проявил сильный интерес к математике и посещал кружок для одаренных детей с математическими наклонностями. В этой группе он подружился с братьями-близнецами семьи Яглом: Исааком и Акивой, которые стали известными математиками 

В 1938 году братья Ягломы разделили первое место на Московской математической олимпиаде, присужденное Колмогоровым.

В подростковом возрасте Лев увлекался шахматами и достиг второго разряда. Кроме того, он был радиотехником-любителем. Отец его, Н. С. Гутман, занимал высокие должности на государственных предприятиях, поэтому Лёве довелось учиться в «образцовой школе» #25, в которой учились дети советского руководства, например Сталина, Берии, Булганина, Молотова и др. По его собственному воспоминанию, Лёва один раз даже удостоился пинка с присказкой «пошёл отсюда» от Василия Сталина, старше Лёвы на 2 года, когда тот с друзьями курил в туалете.

В 1937 году семья Гутман переселилась в другую часть Москвы, и Лев стал выпускником другой школы в 1941 г., закончив ее с красным аттестатом, с которым был принят в Московский государственный университет без экзаменов.

Это произошло буквально за несколько недель до вторжения немецкой армии в Советский Союз 22 июня 1941 года. Семейная легенда гласит, что Лев зашел в университет что-то выяснить в момент печально известной «московской паники» 15–17 октября 1941 г., когда многие учреждения спешили выехать из Москвы и, не щадя, жгли кучу имевшихся документов, ожидая прихода немецких войск. Москвичи рассказывали, что дым стоял коромыслом по всему городу в те дни.

По рассказу отца, он зашел как раз в тот момент, когда ответственный работник, стоя на коленях, бросал в печку все документы, Лев увидел свой диплом и успел выхватить его в последний момент. Диплом остался невредимым и сохранился до сих пор (см. фото выше). Университет эвакуировали из Москвы в Ашхабад (Туркменистан), где Лев провел студенческие годы, довольно голодные.

Он подрабатывал, чем придется, и электриком, и грузчиком на пивном заводе (рассказывал, что пивные калории его спасли от голода). В середине учебы ему предложили лучшие условия (высшая стипендия и усиленный продовольственный паёк) представители Гидрометеорологического института, который также был эвакуирован в Ашхабад. В результате отец оказался выпускником Одесского гидрометеорологического института, и, вернувшись в Москву, в 1946 году начал свою научную карьеру.

Его интересы в области динамической метеорологии сформировались во время работы в Центральном Институте Прогнозов погоды, который позже стал Гидрометеорологическим центром СССР. Руководителем был Илья Кибель (1904–1970) — выдающийся ученый в области метеорологических исследований, основанных на математической теории гидродинамики. Семен Машкович, тоже ученик Кибеля, и старый приятель отца еще со студенческих лет написал, как затронула Центральный Институт Прогнозов компания «борьбы с низкопоклонством», переросшая затем в «борьбу с безродными космополитами». Он вспоминал, что группа синоптиков, противников гидродинамического подхода и использования математического аппарата в прогнозе погоды, старалась провалить защиту диссертации молодого сотрудника отдела динамической метеорологии Л.Н. Гутмана, утверждая, что всё это практического значения не имеет. Под предлогом «сокращения штатов» была уволена группа сотрудников, преимущественно евреев, в их числе оказался и молодой кандидат наук Л.Н. Гутман.

Будучи талантливым математиком, Гутман применял свой арсенал методов в смежных с метеорологией областях исследований, таких как вычисление температуры и переноса влаги в почве, или задачах для мелководного слоя океана. Однако его самыми значительными ранними достижениями стали создание математических моделей метеорологических процессов, таких как морской бриз, поток воздушных масс над наклонной поверхностью, склоновые ветры и конвекция воздуха над нагретой поверхностью. В его кандидатской диссертации (1947 г.) анализировалась структура бриза, а в докторской диссертации (1957 г.) были построены одни из первых теоретических моделей кучевых облаков и атмосферных вихрей. Среди учеников Кибеля, был Андрей Монин (1921–2007), известный своей теорией подобия для турбулентности в стратифицированных жидкостях и разработке параметра длины Монина-Обухова.

Академик А. Монин был другом и коллегой Гутмана с ранних лет их работы в Центральном Институте Прогнозов. Начиная с середины 1960-х годов, Монин более 20 лет занимал пост директора Института Океанологии в Москве. При встречах они часто обсуждали теорию турбулентности и метеорологические проблемы, над которыми они работали, иногда вступая в горячие споры о том, какими членами уравнений можно пренебречь и какой параметр является наиболее важным. В 1950 году они совместно опубликовали теоретическую модель локальных ветров в горных районах.

Кавказ предо мною

Конец 1950-х – начало 1960-х годов отец провел на Кавказе, руководя лабораторией по горной метеорологии в Высокогорном Геофизическом институте (ВГИ) в Нальчике. Под его руководством сформировалась группа молодых исследователей, работающих над различными мезомасштабными процессами. Среди них Виталий Мальбахов (атмосферные вихри), Владимир Халкечев (горно-долинные ветры), Анатолий Амиров (облака) и другие. Несколько исследователей из этой лаборатории последовали за Гутманом с Кавказа в Сибирь в 1963 году. Работая в ВГИ, отец занимал профессорскую должность в Кабардино-Балкарском университете и имел много аспирантов родом с Кавказа, с некоторыми из которых довольно близко дружил. Иногда мы всей семьей ездили в Терскол (под Эльбрус), который тогда еще не был центром туризма, а маленьким поселком с научной базой, включая радиолокационные и стандартные метеорологические наблюдения в Приэльбрусье.

Там, под папиным чутким руководством, я учился кататься на лыжах.

Гутманы были близко знакомы с братьями Залихановыми. Иногда молодой Миша Залиханов, ставший впоследствии Академиком, предлагал «пойти на восхождение». Значок альпиниста и удостоверение, выданные Льву Гутману в 1959 году до сих пор хранятся в семейном альбоме.

В Терскол часто приезжали ученые, занимающиеся горной метеорологией, активными воздействиями на облака и смежной тематикой.

Гутманы дружили с семьей М. Л. Левина, специалиста по физике аэрозолей и облаков, живших в то же время в Терсколе. Часто вместе выбирались на прогулки в ущелье Баксана.

Значительное влияние на формирование некоторых аспектов в работе над горными ветрами оказало общение и соавторство с выдающимся ученым в области газовой динамики — Ф. И. Франклем (1905—1961).

Он в молодости перебрался из Австрии в СССР, чтобы помогать строить коммунизм, но за одно неосторожное высказывание о Сталине в своей лекции в Московском университете попал в опалу, был вынужден переехать в г. Фрунзе (нынешний Бишкек) и там продолжать научную и преподавательскую деятельность. Переехав в Нальчик, он часто посещал Терскол по той же причине, что и Гутман — быть поближе к реальным метеорологическим наблюдениям. Но возможно быть на природе под Эльбрусом в Баксанской долине тоже привлекало обоих. Научные обсуждения, зачастую с горячими спорами, совместные походы в лес за грибами, очень сблизили семьи Франкля и Гутмана. Отец вместе с Франклем разработал термодинамическую модель боры — катабатического ветра, который встречается в районах Средиземноморья, а также вблизи Чёрного моря (Новороссийская бора) и опубликовали совместную статью в 1960 году. После смерти Франкля, его портрет всегда висел над рабочим столом отца, даже после переезда в Израиль.

За туманом и за запахом тайги

Гурий Марчук (1925—2013), тоже один из учеников Кибеля, стал знаменит в научной среде своими вычислительными методами, особенно для расчетов ядерных реакторов. В начале 1960-х годов Марчук был директором Вычислительного Центра (ВЦ) в Академгородке под Новосибирском в Западной Сибири, а позже стал президентом Академии наук СССР.

В 1963 году он пригласил своего однокашника Гутмана возглавить лабораторию по мезометеорологии в ВЦ, в котором уже стояла электронная вычислительная машина БЭСМ-6 (см. фото ниже) — первый советский транзисторный компьютер второго поколения, который тогда был сопоставим с CDC 6600. БЭСМ-6 занимала 200 м² площади и имела около 192 Кб оперативной памяти (по сравнению с 8 Гб и более в современных ноутбуках). Для Гутмана, ученого в расцвете научной деятельности, это был качественный скачок — самая передовая в СССР ЭВМ в сравнении с небольшой группой «человеческих калькуляторов», работающих на арифмометрах в его лаборатории ВГИ.

Отец довольно резко сменил красоту Кавказских вершин на таежную романтику Сибири, рванув «за запахом тайги». Академгородок, основанный академиком Лаврентьевым с подачи Хрущева, в это время был в самом расцвете, туда переезжало много известных ученых продвигать науку в Сибири. При въезде всегда весел транспарант со словами М. Ломоносова «Российская наука прирастать будет Сибирью». Для молодежи открывалось множество перспектив. Для ученых, начиная с докторов наук (кандидатов наук уже было слишком много), были разные привилегии: спец. медицинское обслуживание, спец. распределение продуктов, спец. питание в маленьком ресторанчике в районе академических коттеджей, и др. Выставки картин из запасников, которые никогда бы москвичи или ленинградцы не увидели у себя в городах, незабываемый концерт бардов в марте 1968 г., после которого начались гонения на А. Галича и запреты его выступлений. То есть, Академгородок был не только научным, но и культурным центром, в котором по инерции звучали отголоски хрущевской оттепели.

Помимо исследовательской работы в вычислительном центре, отец занимал должность профессора в Новосибирском государственном университете. В начале 1970-х годов он принимал аспирантов из различных регионов СССР, включая Прибалтику, Среднюю Азию и Кавказ. Мне помнится, что иногда отец проверял умственные способности потенциального аспиранта, играя в шахматы.

Визиты иностранных ученых в поздние 1960-е годы были уже разрешены, хотя естественно все были «под присмотром». Вспоминаются болгарские и польские ученые у нас в гостях. Приезжали и молодые исследователи из западной Европы на длительные стажировки, включающие сибирскую зиму (!). Среди них были Жан-Пьер Лабарт и Мишель Роша из Франции. Сванте Бодин из Швеции, проведший пару месяцев в СССР в рамках научного обмена между академиями наук СССР и Швеции, использовал в дальнейшем предложенную Гутманом систему уравнений мезометеорологии в крупномасштабной модели прогноза, управляющей атмосферным пограничным слоем.

Ненаучная деятельность

В дополнении к научной жизни, у отца было много увлечений. Например, в Нальчике он купил мотороллер («Вятка») и возился с ним, разбирая и собирая множество раз. В те времена сервис совсем не был распространен. Мото- и автолюбители должны были разбираться в механике и заниматься тех. обслуживанием и починкой самими, или с помощью знакомых специалистов-любителей.

В Академгородке отец купил машину «Москвич-407» и тоже много проводил времени рядом с домом, разбирая на детали, занимаясь починкой и сборкой.

Сказывались технические склонности с молодых лет, чего нельзя было сказать о способности к языкам. Много раз нанимал преподавателя английского, но так за всю жизнь не преодолел довольно невысокого уровня. Да и с компьютером он никогда особо не ладил, не освоил самого базисного программирования, не было особой необходимости, хотя вся его лаборатория состояла из сильных программистов, гонявших свои программы на перфокартах, используя данное лаборатории время на ЭВМ.

Отец всегда увлекался каким-нибудь спортом, будь то в бассейне или на лыжне. С юности всегда ездил на велосипеде и катался на коньках. В путешествиях, на море или проезжая какое-нибудь озеро, он не мог удержаться, чтобы не искупаться. Освоил прыжки в воду с вышки еще в Нальчике. В Академгородке, дом, в котором жила наша семья, последним вдоль Морского проспекта, стоял рядом с лесом. Так что вставали на лыжи буквально через пять минут. Горные лыжи отец пытался освоить, но как-то не пошло (в свое время упустил эту возможность, когда жили под Эльбрусом), хотя с горки на обычных лыжах любил спускаться и меня учил. Пробовал водные лыжи на Обском море (искусственное водохранилище рядом с Академгородком). Какое-то время увлекался бадминтоном, и приобщал всю лабораторию к этому занятию (конечно без сетки и правил).

Отец очень любил прогулки со знакомыми, с которыми можно было поговорить о политике откровенно. В соседнем доме жил Исаак Абрамович Кунин — заведующий лабораторией теоретической физики в Институте Теплофизики. Гутман и Кунин иногда гуляли, обмениваясь мнениями. Очень знаменательна была совместная прогулка по осеннему лесу, после того как Кунину разрешили съездить в командировку в Штаты, и он хотел поделиться впечатлениями. Я прогулку эту хорошо запомнил, потому что оделся легко для сибирской осени и прихватил воспаление легких.

Постоянным партнером по прогулкам вдоль Морского проспекта был Борис Абрамович Трахтенброт — известный специалист по теории алгоритмов и автоматов, работавший в Институте Математики. Обсуждались насущные проблемы, политика, возможное будущее. Семья Трахтенбротов эмигрировала в Израиль через пару лет после Гутманов и там встречи и общение продолжались.

Прочитав книгу «Бег ради жизни», отец стал заниматься бегом трусцой в Академгородке. Он продолжал пробежки и в Израиле, иногда пробегая полмарафона в честь какой-нибудь знаменательной даты, типа дня рождения. Зачастую приглашал с собой побегать своих соавторов, например Эрика Палагина, приехавшего в Новосибирск из Ленинграда чтобы обсудить совместную работу, или знакомых, например Толю Гительсона, когда тот работал в Сде Бокере в Израиле. Продолжал он пробежки лет до 70, сменив потом этот тип нагрузки на длительный заплыв в бассейне. Ну и конечно нельзя не упомянуть его путешествия по СССР. Он побывал во всех концах страны, и практически везде у него были его бывшие аспиранты или хорошие знакомые, которые с удовольствием его принимали. Гутмана много раз приглашали на конференции или просто с персональным визитом в Европу, Соединенные Штаты и Японию, но оформление заграничных командировок всегда отклонялось властями, зачастую без объяснения причин. Один раз, еще в 1960 г., отец съездил в туристической группе в ГДР и Чехословакию. После этой поездки ему больше никуда не удавалось поехать до 1970 года, когда, наконец, мои родители съездили туристами в Болгарию. Ему всегда очень хотелось видеть мир, так что путешествия после эмиграции в Израиль стали важной частью его жизни. После распада СССР он приезжал в Россию и посещал места своей бывшей деятельности — Москва, Нальчик и Академгородок.

Везде его принимали с большими почестями. Разумеется, это было приятно, особенно учитывая то, что в научной среде его имя многие избегали упоминать после его отъезда.

Научная работа за Железным Занавесом и во время Детанта

В отличие от Запада, большая часть фундаментальной научной работы в СССР проводилась не в университетах, а в специально созданной сети институтов, лабораторий и обсерваторий. Более престижные институты входили в состав Академии наук СССР; другие подчинялись специализированным академиям или научно-исследовательским учреждениям различных министерств. Академия наук Советского Союза, созданная в Ленинграде в 1925 году и переведенная в Москву в 1934 году, включала около 300 научных учреждений с более чем 60,000 исследователей всего за пару лет до распада Советского Союза. Академия имела собственное издательство, флот исследовательских кораблей и сеть библиотек. Поскольку вычислительные возможности СССР значительно отставали от западных, советские ученые часто полагались на аналитические математические методы для моделирования атмосферных явлений. Примером выдающихся достижений с использованием этого подхода является теория подобия Монина—Обухова, которая составляет фундаментальную основу для понимания турбулентности в атмосфере. Гутман добился многих результатов, используя аналитические методы, но многие из них оставались неизвестными западным ученым, поскольку советская наука была вполне изолирована до 1960-х годов. Физическое понимание метеорологических процессов, развивающихся над пересеченной, термически неоднородной местностью или в кучевых облаках, которое выявлялось, благодаря аналитическим решениям разработанными Гутманом, заложило прочную основу для будущих улучшений в численных моделях прогноза. Таким образом, несмотря на отставание от Запада в вычислительной технике, молодые ученые в лаборатории мезометеорологии в Академгородке использовали доступные вычислительные ресурсы для исследований проблем мезомасштабной метеорологии.

Во времена Холодной Войны советские и западные ученые часто работали параллельно, не зная о достижениях друг друга по обе стороны Железного Занавеса. Это стало меняться с конца 1950-х годов во время хрущевской «оттепели», когда западные научные журналы стали более доступны в библиотеках. Однако копирование публикаций все еще было сложной задачей, так как за этим строго следили сотрудники безопасности. Несмотря на эти трудности, ссылки на западные публикации появились в статьях Гутмана начала 1960-х годов. Более того, западные ученые начали приезжать на научные конференции в Советский Союз, что способствовало личным контактам с некоторыми из самых известных ученых того времени (см. ниже). Поездки за границу для советских ученых представляли собой непреодолимую трудность, и лишь немногим было позволено посещать международные конференции заграницей. В то же время, конференции, проводившиеся в СССР начиная с середины 1960-х годов, давали возможность отцу лично познакомиться с известными учеными Европы и США, такими как Берт Болин (1925–2007), шведским метеорологом и первым председателем межправительственной группы экспертов по изменению климата; Джуль Чарни (1917–1981), ведущим мировым специалистом в области метеорологии и численного прогнозирования погоды, и выдающимися специалистами в моделировании климата. Среди них Джозеф Смагорински (1924—2005) — руководитель Лаборатории геофизической гидродинамики (GFDL) в Принстоне, а также Йэйл Минц (1916–1991) — крупный ученый по моделированию общей циркуляции.

Минц работал поначалу в Университете Калифорнии Лос Анжелеса, а в дальнейшем в научном центре НАСА в Мэриленде. Последние годы жизни Минц провел в Израиле, где был почетным профессором Еврейского университета в Иерусалиме. В 1966 году Минц с женой приезжали в Академгородок по приглашению Гурия Марчука, директора Вычислительного Центра.

В тот приезд Минцы подружились с семьей Гутманов, и продолжали дружбу и после эмиграции Гутмана в Израиль в 1978 году.

Джозефа Смагорински Гутман встретил на Международной конференции по параметризациям в Ленинграде в 1972 году. Оба, Минц и Смагорински, приехали на советско-американский симпозиум по климатическому моделированию в Ташкенте в 1976 году. Фото участников (см. внизу) будет интересно климатологам и метеорологам, которые возможно найдут на нем знакомые лица.

Отец в частной беседе обсуждал с ними возможную научную карьеру на Западе: с Минцем на прогулке, а со Смагорински в номере отеля. Позже ему сообщили, что его разговор со Смагорински был записан (в номере была установлена прослушка), и таким образом его интерес к эмиграции стал известен КГБ задолго до официальной подачи документов на выезд.

Даже во время так называемого Детанта общение советских ученых с зарубежными было затруднено. Баттан в 1969 году сделал обзор цитирования и исследований за 1960-е годы, где отметил, что это просто «ненаучно и неэффективно для сообществ физики облаков в США, Великобритании и СССР так мало учиться друг у друга и в интересах более быстрого решения множества проблем, стоящих перед физиками, необходимо учиться на работе других, независимо от национальности ученого или публикации». Эта ситуация естественным образом быстро улучшилась после распада СССР.

Прыжок на Землю Обетованную

Отец эмигрировал в Израиль в феврале 1978 года, мы с мамой прилетели на несколько месяцев позже, хотя мы подали заявление на эмиграцию в одно время — он в Новосибирске, а мы в Москве. По-видимому, мы не попали в московскую квоту 1977 года, а отцу дали разрешение побыстрее, чтобы не возникло шума — все таки в Академгородок приезжало тогда много иностранных ученых.

Отец проработал 3 года в Тель-Авивском университете, продолжая свои исследования воздушных потоков над наклонной местностью и давая курс лекций. Затем его пригласил Луис Берковски (1919–2007) работать старшим исследователем в метеорологическом подразделении Института пустынных исследований Университета Беэр-Шева, расположенного на кампусе Сде-Бокер, в 34 милях к югу от Беэр-Шевы. Для отца это было как гора с плеч, снялся стресс подготовки курса лекций на английском, который он был обязан давать в Тель-Авивском университете. Поездки с юга Тель-Авива через весь город в университет (кондиционеры в машинах тогда не были особо распространены), сменились легкой 15-минутной прогулкой (или 5-минутной поездкой на велосипеде) из комнаты, выделенной ему на кампусе Сде Бокер до своего рабочего стола или бассейна. Он сам распределял свое рабочее время и делил дни между приездом в тель-авивскую квартиру и приездом в Сде Бокер. Исследования тех лет включали моделирование распределения температуры и влажности почвы под растительным покровом и дальнейшее развитие теории ветров склонов. По первой тематике мы с отцом написали вместе статью, но, к сожалению, опубликовали не в научном журнале, а в компилированной книге. Так что ту работу никто особенно не видел и не ссылался. К этому времени я уже женился и часто навещал отца в Сде Бокер вместе женой Гэйл.

«Гражданин Мира»

Эмигрировав из СССР, Гутман объездил весь мир, читая лекции в научных учреждениях и наконец встретив коллег, которых знал до этого лишь по именам по их научным публикациям. Он побывал во многих странах, поначалу в тех, где его ранее приглашали: Швеция, Франция, США, иногда с длительным визитом. В США ему удалось встретиться и обменяться идеями с ведущими мезометеорологами, такими как Тед Фуджита (1920—1998) — на фото слева; Даг Лилли (1929—2018) в центре; и Т. Н. Кришнамурти (1932—2018) второй слева на фото справа.

Визит Гутмана в 1980 году в центр анализа и прогнозирования штормов в Нормане, штат Оклахома, помог отцу «прорекламировать» его ранние работы и его монографию.

На вопрос, кем он себя чувствует, Лев отвечал, что конечно он израильтянин, но вообще то он считает себя — «гражданином мира». Этот «ген» передался и мне, и далее — моим дочерям.

После того, как в 1984 году умерла моя мама, а я со своей семьей в скором времени поехал на пост-докторат в Америку, отцу было одиноко. Он приезжал к нам повидаться, и с удовольствием играл с внучками.

В 1987 году он познакомился с Марией, и они поженились. Все оставшиеся годы они были неразлучны и много вместе путешествовали. Когда у нас родилась вторая дочь, они не раз приезжали в Америку, а в 1992 г. остались с детьми, когда нам с женой предоставилась возможность съездить в командировку в Новую Зеландию.

Когда отцу исполнилось 75 лет, я его пригласил приехать к нам отметить свой юбилей с людьми, жившими в нашем районе (в окрестностях Вашингтона), с которыми он лично был хорошо знаком. Мы отметили его юбилей и съездили в Вермонт, где покатались на лыжах. Это был последний раз, когда мы провели всего пару дней, один на один, и это останется в памяти навсегда.

С Марией отец объездил весь мир, а также более внимательно стал относиться к политике и даже ходил на демонстрации.

Когда он скончался 30 сентября 2001 года, его чемодан уже был упакован для поездке с Марией в Юго-Восточную Азию, куда его пригласили с лекциями.

Совсем немного о науке

Многочисленные исследования Гутмана, часто проводившиеся с учениками и коллегами, привели к созданию его базовой монографии «Введение в нелинейную теорию мезометеорологических процессов». В этой книге изложены основные уравнения динамической метеорологии, применимые к мезомасштабным метеорологическим задачам, а также анализ конкретных мезомасштабных явлений. В СССР Гутман был известен своими работами с аналитическими решениями сложных нелинейных уравнений, которые и были обобщены в его монографии. Опубликованная на русском языке в 1969 году, она была переведена на английский в 1972 году в Израиле (о чем ему стало известно уже после выезда из СССР!), на японский в 1971 году (фото справа) и на китайский в 1976 году (фото крайнее слева), и послужила одним из основных учебных пособий для специалистов и студентов изучающих динамическую мезомасштабную метеорологию. Во время своего визита в Китай в 1990-х годах отец встречался со своим бывшим китайским студентом, учившимся в Москве в 1950-е годы, который подарил ему китайский перевод монографии (фото в центре).

Эта книга была и остается малоизвестной на Западе, да и не очень широко доступна западным специалистам, хотя на Амазоне она имеется ().

Монография начинается с основных уравнений динамической метеорологии, из которых затем выводится система уравнений для мезомасштабных процессов. Эти уравнения далее приводятся в применении к конкретным мезомасштабным явлениям, которые охарактеризованы как «наименее изученные в других книгах». Л. Н. Гутман эффективно изолировал мезомасштабные процессы от синоптической динамики, разделив переменные на две части: «основное течение» и «возмущения». Он сформулировал граничные и начальные условия, в значительной степени зависящие от конкретной задачи, и дал практические рекомендации по тому, когда можно пренебрегать определёнными членами уравнений. Как указано в предисловии автора, «в каждой главе, за исключением второй, аналитические решения стационарных задач предшествуют линейным решениям нестационарных задач».

В этой заметке я даю кратко основное содержание монографии без уравнений и их решений, чтобы читатели смогли получить некое общее представление о рассмотренных задачах, но без деталей, а специалисты заглянут в книгу, если появится желание.

Ветры

Мезомасштабные циркуляции, возникают из-за локальных термических неоднородностей, таких как границы между сушей и водой, а также из-за вариаций рельефа. Влияние этих термических неоднородностей и рельефа на погоду повсеместно. Гутман предложил прочную теоретическую основу для исследования и понимания этих мезомасштабных циркуляций. Он рассмотрел два предельных случая местных ветров: бризы суша—море (ветры над горизонтальной термически неоднородной поверхностью) и склоновые ветры (ветры над наклонной термически однородной поверхностью). Гутман подчеркнул важность понимания закономерностей и структуры этих ветров для их влияния на климат и распределение местных потоков на побережьях и в горных районах. Понимание этих мезомасштабных явлений также полезно для практических применений, таких как авиация и прогнозирование местной погоды, требующие знаний о местных ветрах. Гутман подчеркнул ограниченность линеаризованных решений, поскольку в мезомасштабных процессах нелинейные члены, связанные с адвекцией, могут быть такого же порядка, как и другие члены, и, следовательно, ими нельзя пренебрегать.

Первая гидродинамическая модель стационарного склонового ветра была разработана еще в начале 1940-х годов Людвигом Прандтлем (1875—1953) для горного склона, состоящего из бесконечной термически однородной плоскости, при постоянных коэффициентах турбулентности. Позже А. Монин рассмотрел случай с коэффициентами турбулентного обмена, изменяющимися с высотой. В начале 1950-х годов Гутман обобщил решение Прандтля для случая нестационарного потока над пологим склоном и продолжал исследовать ветры склонов на протяжении всей своей жизни. Например, 30 лет спустя он разработал теорию катабатических ветров, которые представляют собой частный случай ветров склонов, в основном в Антарктике.

Ранний интерес Гутмана к воздействию рельефа на воздушные потоки и местные ветры возник под влиянием его научного руководителя Кибеля, который в 1940-х годах сам занимался проблемой местных ветров, используя метод, предложенный Кочиным при построении теории фронтов, где пренебрегают вертикальными ускорениями. Синоптические потоки над горами и холмами порождают различные мезомасштабные волны. Но линеаризация задачи об обтекании гор допустима только тогда, когда высота рельефа невелика (<150 м). Поэтому для учета важных эффектов в ранних работах 1950-х годов было необходимо решать нелинейную систему уравнений. Разработка нелинейной задачи началась еще в 1930-х годах Н. Кочиным (фото внизу слева), который нашел ряд волновых решений в стационарной задаче движения двухслойной несжимаемой жидкости над препятствием конечной высоты.

Гутман использовал подход Кочина—Кибеля, чтобы преодолеть трудности при решении нелинейных задач, упростив начальную систему уравнений и отфильтровав большинство волновых решений. Знаменательно то, что он работал параллельно и без знания публикаций западных исследователей. В сотрудничестве с Ф. И. Франклем Гутману удалось учесть эффект силы Кориолиса, а также границу между тёплыми и холодными воздушными массами. Их исследование, основанное на уравнениях теории мелкой воды, показало существование критических решений, которые выявили наличие скачков давления, что помогло объяснить феномен боры. Гутман продолжал работу над этой тематикой со своими аспирантами в Нальчике в начале 1960-х. Орографические эффекты на воздушные потоки в свободной атмосфере были в дальнейшем изучены в сотрудничестве с А. Хайном в середине 1970-х в проблеме обтекания хребта с характерным горизонтальным масштабом около 100 км. Решение системы уравнений типа мелкой воды, включавшей силу Кориолиса, определялось значением числа Россби R, которое оказалось порядка единицы, что указывало на отсутствие геострофического баланса в мезометеорологических задачах. Для R> 1 решение представляло собой гармонические волны на подветренной стороне, в то время как для R <1 существовали как непрерывные, так и разрывные решения в зависимости от крутизны склонов хребта. Последняя публикация Гутмана в соавторстве с его сотрудниками в Сде Бокер о теории воздушных потоков вдоль высоких гор вышла уже после его смерти.

Термики и кучевые облака

Первое исследование гидродинамической теории «термиков» (восходящих струй или пузырей теплого воздуха) было проведено в 1930-х годах Я. Б. Зельдовичем (фото выше), который показал, используя упрощения теории пограничного слоя, что стационарная задача может быть сведена к решению обыкновенных дифференциальных уравнений. В дальнейшем этот подход был подтвержден Гутманом для ламинарного оси-симметричного случая. В монографии отмечается, что в исследованиях теории термиков и для кучевых облаков упрощенные уравнения динамики и теплопроводности аналогичны, а отличие заключается в наличии скрытой теплоты, выделяемой при конденсации. Одномерные модели, созданные в начале 1950-х годов, не учитывали атмосферную динамику в кучевых облаках. Гутман построил теорию кучевых облаков с использованием двумерных стационарных термогидродинамических уравнений атмосферы, что послужило основой его докторской диссертации. Детали о развитии теории и моделей кучевых облаков в 1960-х годах можно найти в его монографии.

Вихри

В отличие от крупномасштабных вихрей, например ураганов, сила Кориолиса может быть пренебрежимо мала в системе уравнений для вихрей малого масштаба, таких как, например, малые торнадо порядка нескольких сотен метров. Основное значение таких вихрей заключается в атмосферной плавучести. Первые попытки описать структуру атмосферных вихрей с использованием моделей идеальной жидкости были сделаны в 1930-х годах. Эти теории оказались недостаточными для расчета картины потока у оси вращения, так как скорость в идеальной жидкости в центре бесконечна. В 1940-х годах введение турбулентной вязкости позволило устранить сингулярности на оси вихря. А в 1950-х годах Гутман разработал теоретическую модель вихря, используя решение нелинейных уравнений для теплового потока, учитывающим атмосферную нестабильность, и динамики с учетом силы плавучести. Гутман показал, что в неустойчиво стратифицированной атмосфере относительно узкий вихрь с вертикальной осью и большими скоростями вращения может развиться при наличии небольшого внешнего вращения, поддерживаемого высвобождением потенциальной энергии, связанной с нестабильностью. Детали развития исследований вихрей в 1960-х годах описано в его монографии.

Фронты

К концу 1920-х годов Кочин установил общие свойства поверхностей метеорологических разрывов и вывел простые формулы для расчета ускорения фронтов. Как было замечено выше, пренебрежение вертикальными ускорениями использовалось в середине 1930-х годов Кибелем при построении теории метеорологических фронтов. В 1960-х годах теория фронтов была разработана путем решения уравнений для несжимаемой жидкости. Упрощенное описание взаимодействия между полями скорости и температуры затрудняло оценку погрешности, вызванной этим упрощением. Основываясь на своих ранних работах о фронтах, в конце 1990-х годов, уже в Израиле, Гутман с сотрудниками в его лаборатории разработали гидродинамическую модель развитого стационарного фронта, с границей между холодным и теплым воздухом, которая перемещалась по поверхности с постоянной скоростью под воздействием заданного геострофического ветра. Им удалось свести задачу к обыкновенному дифференциальному уравнению, допускающему аналитическое решение. На основе этого решения они определили форму фронтальной поверхности и структуру воздушных потоков вблизи фронта. Кроме того, решение позволило классифицировать развитые фронты, используя всего два основных безразмерных параметра.

С ними Лев Гутман делал последнюю задачу по фронтам.

Заключение

В этой заметке я постарался представить краткую научную биографию моего отца, профессора Льва Николаевича Гутмана, основные этапы его научной карьеры, его жизненные интересы, и сжатое содержание его работ по мезомасштабным процессам, описанным в его монографии.

В последние годы своей научной жизни он не прекращал генерировать идеи с новыми, улучшенными решениями, возвращаясь к старым проблемам, опубликованным ранее, и рассматривая их на более высоком уровне, когда чувствовал, что прошлые барьеры могут быть преодолены благодаря новым данным, идеям и накопленному опыту. Сам того не зная, он фактически следовал подходу Осборна Рейнолдса (1842–1912), выдающегося ученого в области гидродинамики, выраженном в его вступительном слове на заседании секции механических наук Британской ассоциации о том, что «каждый шаг в сторону развития будет устранять прошлые барьеры и то, что на время могло казаться практическим пределом, окажется всего лишь изгибом дороги на пути прогресса». В связи с этим, приведу последнюю запись отца на видео во время моего приезда в Израиль в 2001, где он рассказывает задачу о струйном течении в атмосфере, к которой он решил вернуться, потому что «наконец понял, как ее правильно решать».

Лев Гутман останется в истории мезомасштабной метеорологии одним из основоположников аналитических решений систем нелинейных уравнений. Его монография, опубликованная на английском языке в 1972 году, является значительным вкладов в мировую науку, обобщающим не только его исследования, но и работы других ученых как в СССР, так и на Западе. Начав с основных уравнений динамической метеорологии, он показал, что, если сделать некие математические преобразования и пренебречь некоторыми членами в уравнениях или, наоборот, если их учесть, можно получать нетривиальные решения в метеорологических задачах о процессах, развивающихся над термически неоднородными рельефами поверхности Земли. Его аналитические решения в задачах о мезомасштабных атмосферных явлениях могут быть использованы для проверки решений в современных численных моделях, а также полезны для теоретического понимания, труднодоступное при использовании традиционных численных методов или с помощью новых разработанных методов машинного обучения. Исследования Гутмана косвенно повлияли на развитие первой версии модели прогноза погоды в Гидрометеорологическом центре СССР в начале 2000-х годов, а также оказали влияние на работы по моделированию мезомасштабных процессов в исследовательском центре погоды Израиля.

Эта заметка, особенно ее научная часть, основывается на статье, которую я опубликовал в Бюллетене Американского Метеорологического Общества в сентябре 2024 года. В ней нет лирических отступлений о личной жизни, как и множества фотографий, которые я поместил здесь. Она рассчитана на молодых специалистов в области мезометеорологии, которые не знакомы с работами отца по той или иной причине. Там можно найти много ссылок на его работы, на работы других авторов в области метеорологии, и более подробное описание его научных достижений. Наиболее полный список публикаций дан на сайте.