Почему для борьбы с глобальным потеплением так важно иметь качественные климатические модели.
Достижения современной климатологии — науки, изучающей динамику изменения погодных условий, позволяют заглянуть в будущее и узнать, как глобальное потепление повлияет на мир. С 1960 годов подобные прогнозы создаются при помощи климатических моделей. Разбираемся, как они устроены и всегда ли можно им доверять.
Что такое климатические модели
Климатические модели — это компьютерные симуляции, используемые для анализа изменения климата планеты в прошлом и настоящем, а также для прогнозирования. Они состоят из трех макроблоков:
- Термодинамическая система, обменивающаяся энергией и веществами как внутри себя, так и с космическим пространством. Ее состояние регулируется физико-химическими законами, выраженными в виде дифференциальных уравнений.
- Климатически значимые химические процессы. Например, круговорот углерода в океане, озоно-кислородный цикл в стратосфере и так далее.
- Климатообразующие процессы — деятельность всех живых организмов на планете и ее влияние на погодные условия.
Первые климатические модели пытались создать еще в XIX веке. Но тогда не было компьютеров. Однако в начале XIX столетия появился хотя бы математический аппарат: было создано преобразование Фурье — алгоритм, который может представить сколь угодно сложную функцию как сумму простых функций (в идеале — бесконечного числа простых функций). Этот алгоритм сразу пригодился для предсказания приливов, это и была первая климатическая модель. Ученые создали аналоговый компьютер, то есть механическое устройство, где движение шестеренок выполняло ту же роль, что и процессор в современных компьютерах. Подобные устройства были невероятно сложны, и к концу XIX столетия их попытались применить и для предсказаний изменений в атмосфере. Однако настоящие модели вошли в практику лишь с 1950 годов, с изобретением первых электронных компьютеров.
Климатические модели позволяют изучить чувствительность климата к различным факторам с помощью экспериментов, которые не могут быть проведены в реальности. Например, что произойдет, если население планеты увеличится вдвое? А если все заводы в мире станут углеродно-нейтральными? Полученные результаты помогают создавать стратегии, способные замедлить темпы глобального потепления и предотвратить климатическую катастрофу.
Для глобального прогнозирования необходима внушительная вычислительная мощность, поэтому современные климатические модели запускают на массивных суперкомпьютерах. Так, в Met Office Hadley Centre — одном из ведущих центров Соединенного Королевства по изучению научных проблем, связанных с изменением климата, — установлены три суперкомпьютера Cray XC40, способные выполнять около 14 тысяч триллионов вычислений в секунду.
Модель движения аэрозоля, созданная в NASA на суперкомпьютере
Фото: NASA
Виды климатических моделей
Предшественниками климатических моделей являются модели энергетического баланса (EBM). Они прогнозируют не климат, а изменение температуры поверхности планеты. При выполнении расчетов EBM учитывают разницу между солнечной энергией, поступившей в нижние слои земной атмосферы, и теплом, выпущенным обратно в космос. Простейшие EBM можно запустить в электронной таблице, они содержат всего несколько строк компьютерного кода.
Самые сложные из существующих моделей климата называют General Circulation Model (GCM), или Global Climate Model. Они состоят из около 500 тысяч строк кода и в основном написаны на Fortran — научном языке программирования. GCM включают в себя несколько отдельных моделей экосистем: атмосфера, океан, суша и морские льды и другие. Каждую из этих моделей разрабатывают отдельно, а затем объединяют с остальными с учетом их взаимообмена теплом, влагой и электромагнитными импульсами.
Нобелевская премия за моделирование климата
Всего 30 лет назад ученые рассматривали климатические модели с большим скептицизмом. Сейчас их точность не вызывает сомнений, ведь прогнозы, составленные с 1970-го по 2007 год, уже сбылись. Группа ученых из Калифорнийского университета в Беркли изучила 17 моделей изменения глобальной температуры, созданных в этот период, и пришла к выводу, что 14 из них максимально точно соответствуют действительности. Это впечатляет, ведь в 1970-х ученые имели довольно мало доказательств повышения глобальной температуры.
В 2021 году специалисты по прогнозированию климата Сюкуро Манабэ и Клаус Хассельман получили Нобелевскую премию за вклад в защиту будущего планеты. Старший климатолог Принстонского университета Сюкуро Манабэ стал первым человеком, исследовавшим взаимодействие между вертикальным перемещением воздушных масс и радиационным балансом земной поверхности. Работа ученого заложила основу современных климатических систем. Профессор Института метеорологии Макса Планка в Гамбурге Клаус Хассельман, в свою очередь, доказал, что мы можем доверять климатическим моделям, несмотря на переменчивость погоды. Кроме того, ученый нашел связь между глобальным потеплением и выбросами парниковых газов.
Изображение: Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences
Климатические модели меняются — угроза глобального потепления остается
Ученый-климатолог и профессор Техасского технического университета Кэтрин Хейхо отметила, что за последние десятилетия климатические модели стали более совершенными и точными. Но в течение всего процесса модернизации они продолжали указывать на угрозу глобального потепления, что еще раз подтверждает ее реальность. Более того, некоторые катастрофические перемены могут наступить раньше, чем предполагалось ранее.
Так, выяснилось, что Арктика нагревается быстрее других точек планеты. За последнее десятилетие средняя температура этого региона поднялась на 1 °C. Если не уменьшить объем выбросов парниковых газов, к середине XXI века в Арктике станет теплее на 4 °C круглый год. В это время температура планеты поднимется на 2 °C — до уровня, часто упоминаемого как «точка невозврата». С учетом того, что в Арктике климатическая катастрофа наступит значительно раньше, чем где-либо еще, ученые уделяют наблюдению за этим регионом максимум внимания.
Искусственный интеллект предсказывает скорость таяния арктического льда
Из-за глобального потепления арктический лед начал таять с пугающей скоростью. За последние 40 лет его площадь сократилась вдвое, утраченная территория в 25 раз превышает размеры Великобритании.
Арктический лед является важнейшим компонентом глобальной экосистемы. Его потеря может привести к сокращению популяции белых медведей, а также к увеличению интенсивности цветения ядовитых водорослей. Если концентрация выделяемых ими токсинов станет слишком большой, погибнет рыба, от которой зависит продовольственная безопасность коренных народов Арктики. Из-за перемещения воздушных масс арктические льды влияют и на климат планеты. Так, их интенсивное таяние способно сделать лето в европейских странах более влажным, а зимы Северного полушария — экстремально холодными.
Чтобы прогнозировать изменения, происходящие с морским льдом, международная группа ученых во главе с Британской антарктической службой и Институтом Алана Тьюринга создала систему IceNet на базе искусственного интеллекта. Она позволяет узнать, как изменится состояние ледяного покрова Арктики в предстоящий сезон, и вовремя принять меры для смягчения последствий этих перемен.
Один из авторов проекта Том Андерссон отметил, что IceNet работает в тысячи раз быстрее традиционных методов прогнозирования, а погрешность системы составляет не более 5%. Она объединяет данные с метеорологических спутников и информацию, полученную благодаря климатическим моделям. Следующая цель — создать усовершенствованную версию системы, работающую в режиме реального времени. Это позволит как можно раньше узнать о рисках, связанных с быстрым таянием арктического льда.
Автор: Вера Жихарева
Фото на обложке: Felipe Dana / AP
