14 марта 2018Переменная
28070

«Важность океана никто и никогда не преуменьшает»

Зачем нужны модели Мирового океана и при чем здесь погода в Москве

текст: Наталья Парамонова
Detailed_picture© Getty Images

Текст продолжает проект об экологии «Переменная».

Мировой океан в глобальной проблеме изменения климата играет не меньшую роль, чем собственно атмосфера, в которую попадают выбросы парниковых газов. О 70% земной поверхности и тонкостях океанической математики COLTA.RU рассказал один из создателей российской модели Мирового океана, ведущий научный сотрудник Института вычислительной математики РАН Николай Дианский.

Это второй наш текст о моделях климата, фундаменте климатической науки: до этого о своих перфокартах и терабайтах нам рассказал сотрудник Потсдамского института исследования последствий изменения климата (PIK) Андрей Ганопольский.

Как океан и атмосфера играют климат дуэтом

Атмосфера является генератором климатических изменений, а океан — их накопителем. Это моя формула, и мне она нравится. Формально атмосфера является ведущей в климатической системе, так как изменения от атмосферы передаются в океан.

Но важность океана никто и никогда не преуменьшает. Его роль уточняют в пользу его большей значимости. Главный компенсационный механизм как отклик на потепление климата, который может даже приводить к похолоданию, связан также с циркуляцией океана, с так называемой термохалинной циркуляцией.

Атмосфера — генератор климатических изменений, а океан — их накопитель. Это моя формула, и мне она нравится.

Плотность воды определяют два фактора: температура и соленость. За счет того, что плотность на разных глубинах разная, происходит циркуляция слоев воды — так работает океанский конвейер. Он может давать отрицательную обратную связь в общей климатической системе Земли. Например, температура атмосферы может повышаться вследствие антропогенных или естественных причин, а температура Мирового океана — падать за счет снижения интенсивности океанского конвейера и тем самым уменьшать температуру атмосферы.

Основной приток солнечной энергии происходит в районе экватора, и это тепло переносится движениями вод и воздуха в холодные и высокие широты. Океан и атмосфера отвечают за перемещение тепла примерно на равных. Перемещение тепла океаном связано с интенсивностью его циркуляции, или, как мы это обозначили, океанским конвейером. Эта интенсивность по всем климатическим моделям из списка IPCC (Межправительственной группы экспертов по изменению климата. — Ред.) падает, то есть океан отыгрывает такое потепление. Океан меньше тепла «закидывает» в высокие широты, то есть уменьшает эффект этого потепления. Океан — резервуар, который смягчает эффекты глобального потепления.

Почему в Арктике сейчас теплее нормы, а в Москве холоднее

Система взаимодействия атмосфера—океан приводит иногда к парадоксальным явлениям. Из-за потепления климата и его арктического усиления контраст температур низких и высоких широт уменьшается. При этом уменьшается и квазистационарный восточный перенос. Поясню, что это. Обычно ветра в наших широтах дуют с запада на восток, в восточном направлении, и вот они переносят теплые воздушные массы с Атлантического океана к нам, которые приносят осадки и так далее. Но вот этот восточный перенос из-за его ослабления в связи с потеплением может нарушаться, как в этом месяце.

Поэтому произошли холодные вторжения из Арктики. При этом в Арктике сейчас теплее, чем обычно, а у нас холоднее.

Как построить модель океанического масштаба

С точки зрения изученности теории движений всегда атмосфера идет впереди океана. «Атмосферщики» идут впереди океанологов, модели океана идут в фарватере моделей атмосферы. Наблюдательная система в атмосфере гораздо более развита, чем в океане, поэтому у нас модельные прогнозы для атмосферы довольно хорошие.

Есть атмосферные модели долгосрочного и краткосрочного прогноза. Краткосрочные прогнозы атмосферы на несколько суток довольно точны. Для региональных морских моделей на их основе можно рассчитать довольно точный прогноз и для морей, но все равно это будет не так точно, как в атмосфере.

Атмосфера влияет на океан, качество прогноза по атмосфере переходит и на океан, а модели океана тоже несовершенны, значит, прогноз по океану будет заведомо менее точным, чем для атмосферы. Кроме того, океан обладает большей инерцией в силу своей массы и способности накапливать тепло, чем атмосфера.

В советское время мы еще превосходили мир по моделям, к нам даже приезжали изучать методику, перенимать опыт. После развала СССР все делалось на энтузиазме.

Но сами движения в океане имеют более мелкомасштабный характер. Допустим, циклоны и антициклоны в атмосфере имеют масштабы 500—1000 километров в средних широтах — в океане аналогичные вихревые движения будут размером порядка 50—150 километров. Чтобы смоделировать океан с тем же качеством, что и атмосферу, нужны сетки намного мельче, допустим, в несколько километров. При этом время, за которое формируется или происходит то или иное явление, в океане гораздо больше, чем в атмосфере. С этой точки зрения океан — более сложная система для моделирования и более ресурсоемкая.

В нашей стране моделированию уделяется намного меньше внимания и финансирования, чем за рубежом, поэтому у нас есть отставание по сравнению с международным уровнем. В советское время мы еще превосходили мир по моделям, к нам даже приезжали изучать методику моделирования океана, перенимать опыт. После развала СССР все делалось на энтузиазме. Мы в Институте вычислительной математики РАН без особого финансирования доводили модели океана и атмосферы до ума. В 90-е годы сумели сохранить потенциал моделирования и создали единственную физически полную российскую модель, которая участвовала в научной программе IPCC.

Только большие страны позволяют себе такую роскошь — иметь собственную модель атмосферы или океана. Небольшие страны типа Финляндии используют чужие модели. Мы еще остались в клубе стран, у которых есть свои модели, но почему-то нет в обществе, даже научном, осознания их важности. Например, Институт океанологии РАН не развивает свои модели циркуляции морей и океанов, а заимствует уже готовые. В основном они используют стандартные западные модели.

Наша модель единственная способна воспроизводить циркуляцию Мирового океана на долгие сроки — сотни и тысячи лет. При этом с помощью других известных зарубежных моделей, основанных на такой же сетке, решаются практические задачи в региональных акваториях, связанные с добычей углеводородов на шельфе, уловом рыбы. Но у этих моделей региональный, не глобальный масштаб.

Что будет с климатом и океаном

Если атмосфера нагревается, нагревается и океан. При этом высокие широты нагреваются в большей степени, есть понятие арктического усиления потепления климата. Уменьшаются площади морского льда, увеличиваются потоки пресной воды в океан за счет таяния материкового льда Антарктиды и Гренландии. Уменьшение площади материкового льда и увеличение температуры океана приводят к увеличению объема и, следовательно, повышению уровня Мирового океана.

К концу века уровень океана, согласно прогнозам четвертого отчета IPCC, должен повыситься на 35 сантиметров, в пятом отчете [в 2014 году] уже прогнозировались 50—60 сантиметров, а сейчас полагают, что будет порядка метра к концу этого столетия. Можно посмотреть на карте, какие территории могут быть затоплены.

Когда удается численно воспроизвести и объяснить физическую природу явления в море или океане, получаешь колоссальное удовлетворение. Чувствуешь себя сродни создателю мира.

Океан формирует не только тренд на потепление: за счет 60-летних колебаний могут возникать тренды обратного характера — на небольшое похолодание и небольшую стабилизацию. Возможно, в 2020—2030 годах будет небольшая стабилизация, но затем опять будет рост температуры. А увеличение числа экстремальных природных явлений из-за потепления климата — уже медицинский факт.

Наша страна в этом смысле находится в более выгодной ситуации. В связи с глобальным потеплением климат станет мягче, в средних широтах повысится урожайность. Одна из проблем — это таяние вечной мерзлоты. Если будет продолжаться наблюдаемое сильное уменьшение льда, то навигация на Северном морском пути будет увеличиваться. В 80-х годах это было приблизительно два месяца, сейчас более трех месяцев.

Подробнее о том, чем грозит России изменение климата, можно прочитать в нашем материале.

Как «железный занавес» сделал из летчика океанолога

Меня всегда тянули к себе две стихии: небо и море. Сначала победило небо: в 1983 году я окончил факультет аэромеханики и летательной техники Московского физико-технического института. Но после окончания решил круто поменять направление деятельности, занявшись морскими науками. В первую очередь, здесь сыграла свою роль именно морская романтика. Тогда в СССР был «железный занавес», и одной из возможностей посмотреть мир было участие в зарубежных рейсах на научно-исследовательских судах.

Поэтому я перевелся из ЦАГИ в Государственный океанографический институт, в котором были свои суда. Я много раз участвовал в морских экспедициях в Атлантике, на Черном и Каспийском морях. Но в 1990 году перевелся в Институт вычислительной математики РАН, где серьезно занялся численным моделированием морской гидротермодинамики. С этого и началось моделирование.

Численный «модельер» морских процессов должен знать все, начиная от физической океанографии до уравнений математической физики, методов их численного решения, статистической обработки и визуализации результатов, и, естественно, обладать компьютерной грамотностью. Когда удается численно воспроизвести и объяснить физическую природу явления в море или океане, получаешь колоссальное удовлетворение. Чувствуешь себя сродни создателю мира.

Когда в начале 2000-х я в первый раз запустил совместную климатическую модель атмосферы и океана, она у меня пошла на резкое выхолаживание. Я побежал к академику [Валентину] Дымникову со словами «все пропало, все пропало», так как обещал запуск к конкретному крайнему сроку. Он посмотрел на результат и с уверенностью сказал, что этого не может быть, «ищите ошибку в программе». Оказалось, что я случайно обнулил видимую часть спектра солнечного излучения, которая составляет приблизительно 40% от полного.

Существует предложение по борьбе с глобальным потеплением: распыление с самолетов в стратосфере диоксида серы, который будет отражать солнечную радиацию обратно в космос. Однако разовым распылением тут не обойтись — хватит на год-два, как просчитали в ИВМ РАН. Надо непрерывно распылять десятки лет. Опять же экологические проблемы могут возникнуть. Вот тут как раз без моделей климата не обойтись. Лучше все заранее просчитать, прежде чем идти на натурный эксперимент.

Комментарии