Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной? - Игорь Кароль

Итак, можно заключить, что пока еще не все ладно в «модельном королевстве», современные климатические модели имеют серьезные недостатки. Но если модели все же создаются, «значит это кому-нибудь нужно»?

Существование и развитие моделей неразрывно связаны с всесторонними наблюдениями за нашей климатической системой: данные измерений используются в качестве входных модельных параметров, они же служат мерилом качества работы моделей. Уникальность же моделей состоит в том, что они и только они (!) могут помочь: а) выявить и оценить основные механизмы формирования климата в условиях их комплексного постоянного взаимодействия; б) дать прогноз наиболее вероятных изменений климата в целом и отдельных его характеристик; в) проверить (не нанося какого-либо вреда окружающей среде!), какими последствиями чреваты для климата те или иные крупномасштабные человеческие акции.

Резюмируем сказанное: климатический мониторинг ответственен за поставку достоверных фактов и призван давать ответы на вопросы «что?», «где?» и «когда?», а предназначение моделирования – в истолковании этих фактов с позиции современных знаний и в ответах на вопросы «как?» и «почему?».

Остановимся на нескольких фактах, которые модели могут занести себе в актив. В 1970–80-е гг., когда основным объектом исследований была атмосфера (см. таблицу 5, с. 175), проводилось интенсивное модельное изучение формирования и поведения ее газовых составляющих. В то время основную часть общего объема поступающей информации составляли модельные результаты, поскольку возможности атмосферного мониторинга были крайне скудны. Как следствие, очень низкие, практически недоступные измерениям того времени концентрации атмосферных радикалов (гидроксила, атомарного кислорода и др.) определялись с помощью модельных расчетов, правильность которых подтвердилась дальнейшими измерениями. Тогда же именно модели предсказали наличие в атмосфере хлористого нитрозила ClONO2, который лишь впоследствии был обнаружен в пробах воздуха.

Чуть позже, во второй половине 1980-х гг., были развернуты исследования, посвященные возможным последствиям ядерной войны. Модельные оценки (до «натурных экспериментов», подтверждающих правоту моделей, к счастью, дело не дошло) показали, что в результате массового применения ядерного оружия в климатической системе установится режим «ядерной зимы», когда резкое увеличение концентрации аэрозоля (продуктов массовых пожаров) на продолжительный срок приведет к росту оптической толщины атмосферы, значительной трансформации в ней радиационных и динамических процессов и появлению в тропиках губительных для растительности низких температур.

Упомянутые примеры интересны только узкому кругу специалистов. Другое дело – предсказания климата будущего, они затрагивают каждого человека. Для обычного человека этот интерес ограничен, как правило, сугубо практическими вопросами: какую одежду взять с собой на курорт, стоит ли планировать лыжные каникулы под Петербургом ближайшей зимой или как уменьшить риск попадания в зону участившихся в последние годы природных катаклизмов. Но для моделиста сделанный им прогноз – это и очередной шаг в познании климата, и определенная ответственность, так как с учетом его прогноза зачастую принимаются важные хозяйственно-экономические, а то и политические решения. «Позвольте! – вправе возразить читатель. – О какой ответственности может идти речь, если моделисты не в состоянии, как было сказано выше, получить идентичные результаты даже при проведении вычислений разными моделями с одинаковыми параметрами». Что ж, если результаты отдельно взятой модели не вызывают доверия, можно рассмотреть комплекс результатов, полученных с помощью всех моделей (а их в мире – несколько десятков), участвующих, например, в программе их сравнения. Поскольку все они созданы на одних принципах, но независимо друг от друга, то эти результаты могут представлять собой статистический ансамбль, и, проведя их обработку по всем правилам математической статистики, мы получим наиболее вероятное значение («математическое ожидание») климатического элемента, например температуры воздуха или количества осадков, а также границы его вероятных изменений («среднеквадратическое отклонение»).

Успешность такого подхода уже нашла свое подтверждение. Из-за нелинейности климатической системы (этим термином кратко обозначают весь комплекс сложных взаимодействий между отдельными ее компонентами) модельные расчеты ее эволюции могут оказаться различными даже при малых возмущениях в начальных условиях (т. е. стартовых значениях модельных параметров). Поэтому в исследованиях реакции климатической системы на те или иные внешние воздействия (как в прошлом, так и в будущем) опять же важно использовать ансамблевый подход – повторять расчеты для одного и того же временного интервала при одном и том же внешнем воздействии, но стартуя от разных начальных условий.

В конце 1980-х – начале 1990-х гг. была создана Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК). В ее задачу, в частности, входит координация всесторонних усилий, направленных на изучение эволюции климата. В регулярно издаваемых отчетах МГЭИК приводятся модельные оценки вероятных изменений основных климатических элементов в обозримом будущем, полученные с использованием вышеописанного подхода. Упомянем, что при подготовке последнего, вышедшего в 2007 г. отчета, МГЭИК использовала около 20 моделей глобального климата Земли. В частности, в отчете указано, что в период 1990–2007 гг. зафиксировано увеличение среднеглобальной температуры воздуха на 0,2 °C и именно такая величина была предсказана модельными оценками.

«Ну, хорошо, один раз совпало, – усомнится читатель, – но изменения климата напрямую зависят от содержания в атмосфере парниковых газов – CO2, метана и других. Понятно, их концентрации в моделях учитывают. Только кто может знать, сколько будет в атмосфере, скажем, того же метана через полвека – он же попадает туда и с газо– и нефтедобывающих установок, и из болот, и с рисовых полей, и даже от крупного рогатого скота… Как все это учтешь?» Действительно, эволюция содержания в атмосфере парниковых газов во многом определяет изменения климата, а то, какими будут их концентрации, зависит от интенсивности и методов хозяйствования ведущих мировых держав, а также от международных соглашений, регламентирующих выбросы таких газов в атмосферу. Неопределенность в этом вопросе очень велика, поэтому экспертами МГЭИК были разработаны несколько десятков сценариев эмиссии парниковых газов – от наиболее вероятных до весьма экзотических и в соответствии с каждым из них были сделаны модельные расчеты изменения климатических элементов вплоть до конца XXI в.

Относительно недавно было высказано опасение, что парниковое потепление поверхности океана со временем (через 100–200 лет, так как океан обладает много большей инерцией, чем атмосфера) способно изменить скорость водооборота в системе глубинных течений Мирового океана, и это может привести к отклонению течения Гольфстрим от Европы. Известно, что Гольфстрим «обогревает» Западную Европу, и, случись такое отклонение, оно может серьезно отразиться на европейском климате. Однако, как показали модельные расчеты, отклонение Гольфстрима от Европы не приведет тем не менее к климатической катастрофе, поскольку к тому времени уровень глобального парникового потепления перекроет ожидаемое похолодание Западной Европы от ухода Гольфстрима. Несомненно, случай проверить этот вывод представится еще очень нескоро, но констатируем: модели – единственный инструмент, позволяющий оценивать результат сложного многофакторного взаимодействия частей климатической системы.

Еще с советских времен известен такой анекдот. «Сладкая парочка» в составе Героя Гражданской войны В. И. Чапаева (руководитель) и его ординарца П. Исаева (ассистент) – оба в белых халатах – проводит научный эксперимент. Василий Иванович берет блоху и командует: «Блоха, прыгай!», после чего обращается к помощнику: «Петька, пиши – блоха прыгнула высоко». Снова берет блоху, отрывает ей одну лапу, повторяет команду и затем констатирует: «Петька, пиши – блоха прыгнула чуть-чуть ниже». Далее процедура повторяется, но каждый раз блоха лишается еще одной лапы. Наконец, когда удалена последняя лапа, приказ «Блоха, прыгай!» остается невыполненным. И Василий Иванович, слегка подумав, заключает: «Петька, пиши – блоха оглохла!». «К чему это?» – спросит читатель. А вот к чему. Важнейшим аспектом при работе с моделями является искусство правильно истолковывать полученные модельные результаты.

Допустим, модель успешно отработала и выдала безошибочные результаты в виде набора чисел, количество которых вполне соизмеримо с многомегабайтным объемом спутникового мониторинга. Поэтому прежде чем предстать «пред светлы очи» моделиста, этот набор чисел преобразуется в карты, графики, диаграммы. Графическое представление результатов сопровождается стандартным «сглаживанием» исходного набора, причем зачастую алгоритм этого сглаживания разработчику модели детально неизвестен. Другими словами, процедура обработки данных может «пройтись катком» по важному модельному результату и уничтожить его. Отсюда имеющийся риск (правда, небольшой) «выплеснуть с водой и младенца». Но вот перед группой моделистов – десятки карт, отражающих результаты проведенного модельного эксперимента. Каждый – физик и химик, гидролог и радиационщик, оптик и биолог – анализируют свою «зону ответственности», после чего наиболее опытный и знающий специалист – координатор – делает обобщающие выводы. Качество этих выводов целиком зависит от квалификации всех членов группы и ее «сыгранности». Как правило, усложняет ситуацию временной фактор: результаты должны быть подготовлены к определенному сроку (к крупной конференции, к заранее оговоренному моменту публикации сравнения модельных результатов и т. д.), а устранить обнаруженные «шероховатости» нет возможности, так как время, необходимое на проведение дополнительного или повторного расчета, составляет несколько месяцев.