Современный подход в прогнозировании климатической изменчивости
© Getty Images
Впервые за долгое время, лауреатами Нобелевской премии по физике 2021 года стали деятели науки в области климатологии и численного моделирования состояния атмосферы.
Несмотря на стремительное развитие техники и усовершенствование оборудования, на сегодняшний момент мы не можем с достаточной точностью спрогнозировать, какой будет погода хотя бы через 5 – 7 дней, но при этом с определённой уверенностью можем говорить о тенденциях изменения климата на годы вперед. И это не парадокс или некий пробел в нашем понимании природы. Почему это так, разобрались лауреаты Нобелевской премии по физике в 2021 году. Она досталась трём учёным: половина ушла Джорджо Паризи (Giorgio Parisi) - за открытие взаимосвязи беспорядка и колебаний в физических системах от атомного до планетарных масштабов, остальные две четверти разделили между собой климатологи Сюкуро Манабе (Syukuro Manabe) и Клаус Хассельман (Klaus Hasselmann) - за физическое моделирование климата Земли, количественную оценку изменчивости и надежное прогнозирование глобального потепления.
Атмосфера Земли является открытой и неравновесной системой. В ней одновременно протекает великое множество процессов на разных временных и пространственных масштабах. Они определяются огромным числом параметров: интенсивностью поступающего солнечного излучения (инсоляцией), химическим составом, отражательной способностью поверхности (альбедо) и так далее. Отсюда и вытекают основные сложности с прогнозированием её поведения на ближайшие временные интервалы, то есть увидеть некие закономерности, которых казалось бы нет на первый взгляд.
Читайте также
Большая часть научных работ Джорджо Паризи, который получил половину премии, посвящена взаимодействию между элементарными частицами, в особенности изучении хромодинамики и описанию сильного ядерного взаимодействия. В частности, он ввёл особую метрику, описывающую беспорядок (меру хаоса) в любой отдельно взятой системе, нашёл принципиально новый подход. Оказалось, что такая метрика может быть применима для неравновесных систем любых масштабов. Таковой как раз и является климатическая система Земли (планетарный масштаб). Как заявил Паризи: понять лес, созерцая отдельное дерево - невозможно. Порядок прослеживается лишь на соответствующем масштабе и ему никак не мешает хаос уровнем ниже. Поэтому искать закономерности и в турбулентности, и в погоде можно — но не на уровне определения этих беспорядочностей, а на уровне статистики и их сосуществования в общем ансамбле.
Другие лауреаты, занимавшиеся физикой атмосферы, решили взглянуть на вопрос поиска закономерностей в беспорядочных неравновесных системах, максимально обобщая. Сюкуро Манабе посмотрел на динамику атмосферы и гидросферы на Земле не как на последовательность сменяющих друг друга отдельных состояний погоды, а как на единую глобальную систему. С такой точки зрения становится понятной разница между климатом и погодой. Если представить климат как лес, то есть некий гиперобъект, существующий в масштабе планеты и темпе десятилетий. То для него не существует ни дней, ни погоды. Он просто меняется — медленно и равновесно. А погода — это отдельное дерево. Свойства соседних деревьев (погоды сегодня, вчера и позавчера) явно находятся в каком-то отношении друг к другу, но природу этой зависимости, переходя от дерева к дереву, понять невозможно.
Выбраться на тот уровень, где она наконец-то станет понятна, можно, отведя взгляд от погоды, как беспорядочного шума и переведя его на климат. Шум погоды мешает исследовать климат. Но у этого шума есть периодическая составляющая — ежедневные и сезонные колебания с различной периодичностью, а также стохастическая составляющая — то есть прямое следствие неравновесности системы, которая и затрудняет прогнозировать погоду на ближайшие недели.
Как показал Манабе, если рассматривать климат под таким углом, то для него удаётся построить формальные физические модели, которые связывают динамику изменения климата в первую очередь с интенсивностью излучения Солнца и химическим составом атмосферы (основные климатообразующие факторы). Все это совершенно не годится для прогнозирования погоды на завтра или на ближайшие 2-3 дня, однако позволяет понять, как будет развиваться климат в целом. Физик построил одну за другой несколько математических моделей, все более и более сложных по своей структуре. В итоге, он первым ещё в 70-х годах XXвека численно доказал отклик климатической системы на изменение концентрации парниковых газов, особенно углекислого и метана.
Клаус Хассельман, третий нобелевский лауреат, шагнул ещё дальше. Опираясь на данные моделирования Манабе и некоторые теоретические выкладки Паризи, он связал два климатических масштаба друг с другом: случайные флуктуации погоды с медленной и детерминированной глобальной динамикой климата — и получил т.н. стохастическую теорию климата, которая объяснила спектры многих климатических переменных и была использована во многих современных климатических моделях.
В своих расчётах Хассельман показал, как случайные флуктуации погоды влияют на климатическую систему. Связав между собой динамику изменения «медленного» климата и «быстрой» погоды, физик установил, что такую систему можно рассматривать в терминах броуновской динамики. Кроме того, Хассельман ввёл метод т.н. «отпечатков пальцев» (fingerprinting), позволяющий среди множества естественных факторов выделить антропогенные, влияющие на динамику глобальной температуры и климата в целом. Таким образом, удаётся моделировать поведение климатической системы с учётом вмешательства деятельности человека. Это позволяет строить долгосрочные климатические прогнозы.
Церемония награждения лауреатов запланирована на 10 декабря. Однако, из-за пандемии, вызванной коронавирусной инфекцией COVID-19, пройдет онлайн. Кроме нобелевских медалей, лауреаты премии получат 10 миллионов шведских крон на всех (около 30 млн. гривен).
Автор: Игорь Кибальчич, кандидат географических наук, синоптик.
