В настоящее время климатология значительно расширила свои рамки, выйдя за пределы описательной науки, находившейся на стыке географии и физики на протяжении последних столетий. Растущий интерес к этой области обусловлен нашим пониманием непреднамеренного воздействия на климат Земли, который в последние годы претерпевает существенные изменения, все сильнее отклоняясь от привычных параметров. Первоначально внимание исследователей было сосредоточено на самих этих изменениях, затем на их причинах, сопутствующих последствиях и, наконец, на потенциальных методах реагирования. Разнообразные задачи требуют соответствующих инструментов и специалистов с уникальными навыками и компетенциями. Именно это многообразие и характеризует современную климатологию.
Климатологи собирают данные о характеристиках и параметрах ключевых климатических оболочек (атмосферы, гидросферы, биосферы, литосферы и криосферы), а также об обменных процессах между ними, используя разветвленную сеть наблюдений. И хотя именно как система глобальная система наблюдений за климатом сформировалась только в начале 1990-х годов, ее отдельные компоненты уже насчитывают десятки лет. В целом эра инструментальных наблюдений за климатом длится уже более 170 лет и включает различные наблюдения. Средства наблюдений непрерывно совершенствуются, повышается точность и охват, исследуются все более «тонкие» вещи. Например, потоки парниковых газов из экосистем, накопление тепла в океане, объем льда в ледниках, поглощающие свойства аэрозолей, расположение и интенсивность молниевых вспышек и т. д.
В XIX веке ключевыми данными служили инструментальные наблюдения с судов и метеостанций, тогда как сегодня преобладающим источником информации стали автоматизированные системы. К ним относятся как контактные наблюдения, осуществляемые автоматическими метеостанциями, буями, глайдерами, датчиками, устанавливаемыми на самолетах и беспилотных летательных аппаратах, так и методы дистанционного зондирования, использующие спектрорадиометры, радары, лидары и содары. Данные приборы размещаются как на поверхности Земли, так и в космическом пространстве, на борту спутников. Например, для изучения аномалий гравитационного поля Земли ученые изучили сокращение объема льда в Гренландском и Антарктическом ледовых щитах. А по тем или иным изменениям приходящего солнечного излучения в узких спектральных каналах климатологи фиксируют свойства аэрозолей, мельчайших твердых и жидких взвешенных в воздухе частиц, существенным образом влияющих на физику облаков, качество воздуха и климат планеты. Большую роль внесли длительные программы наблюдения за океаном и атмосферой, например программы ПИГАП (Программа исследования глобальных атмосферных процессов), «Разрезы» и другие.
Российские и советские ученые оказали значительное влияние на развитие климатологии. В частности, М. Ф. Спасский одним из первых предложил рассматривать оценку климата как задачу физики, А. И. Воейков создал одни из первых в мире климатических атласов и начал изучение энергетического баланса земной поверхности, а А. М. Обухов описал базовый закон турбулентности атмосферы. М. И. Будыко рассчитал тепловой баланс Земли и разработал одну из первых полуэмпирических моделей климата Земли, с помощью которой оценил условия равновесного климата ( подробнее см.ниже главу «Нужно кое-что объяснить»). Г. И. Марчук применил методы расщепления для численного моделирования погоды и климата, а С. С. Лаппо выявил существование глобальной термохалинной циркуляции в океане. Этот перечень не является исчерпывающим – для полного описания и анализа всех достижений российской климатологии потребовалось бы значительно больше места. В настоящее время научные группы из множества организаций Российской академии наук, Росгидромета и высшей школы проводят исследования в области климата и связанных с ним направлений, таких как адаптация и смягчение последствий.
Благодаря наблюдениям стало известно, что за последние десятилетия значительно возросла концентрация парниковых газов в атмосфере, в особенности углекислого газа, а также метана и закиси азота. Наблюдения за изменением изотопного состава СО 2 в атмосфере позволили уверенно атрибутировать причину этого роста — сжигание ископаемого топлива, в котором практически нет неустойчивого изотопа 14С. Об этом свидетельствуют также данные, полученные при мониторинге концентраций парниковых газов. ( подробнее см.ниже главу «Нужно кое-что объяснить»)Увеличение концентрации парниковых газов приводит к усилению парникового эффекта, что является подтвержденным фактом фиксируют мультиспектральные наблюдения за встречным длинноволновым излучением атмосферы. Благодаря развитой сети наблюдений ученые видят и результат этого усиления: потепление в нижних слоях атмосферы и на поверхности (например, 2023 год стал теплее второй половины XIX века на 1,45 ºC) и резкое выхолаживание в высоких слоях атмосферы.
Повышение температуры Земли, вызванное деятельностью человека и приводящее к увеличению концентрации парниковых газов 2 постоянно отклоняет планету от радиационного равновесия. Спутниковые системы фиксируют энергетический небаланс Земли: мощность приходящей лучистой энергии от Солнца составляет 340 Вт·м –2, а мощность излучения в космос составляет всего 339 Вт·м –2. Благодаря прогрессу в области систем мониторинга, удалось устранить этот дисбаланс и определить, как расходуется энергия в 1 Вт/м –2: ученые установили, в первую очередь, эта разница энергии идет на нагрев океана (около 90%).
Значительным прогрессом последних лет стало выявление факторов, обуславливающих увеличение скорости роста океана. Этот рост ускорился: если в 1990-х годах он составлял 2 мм в год, то в настоящее время достиг почти 5 мм в год. Ученые установили, в настоящее время наиболее значительный вклад в увеличение этого показателя вносит таяние ледников, особенно льда в Гренландии.
Постепенное таяние ледников приводит к утрате данных о климате прошлых эпох, изучение которых остается актуальным. Для этого ученые используют природные «архивы», предоставляющие ценные сведения о климате: изотопный состав годичных колец деревьев и донных отложений, состав воздуха, заключенного в ледяных пузырьках, и другие показатели.
Влияние океана, включая Арктику, на климатические изменения активно изучается в Институте океанологии им. П. П. Ширшова РАН, Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте, Тихоокеанском океанологическом институте им. В. И. Ильичёва ДВО РАН. Исследование гидросферы суши как компонента климатической системы осуществляется в Институте водных проблем РАН, Государственном гидрологическом институте, а ученые Института криосферы Земли СО РАН и Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН занимаются изучением криосферы и процессов, происходящих в вечномерзлых грунтах.
Ниже в главе представлены дополнительные примеры наблюдений «Нужно кое-что объяснить».
Моделирование и прогноз климата
В науке критически важным является умение формулировать и проводить эксперименты для подтверждения или опровержения выдвинутых гипотез. Поэтому климатология опирается не только на наблюдения и палеореконструкции. Для детализации отдельных аспектов функционирования климатической системы проводятся специализированные наблюдательные кампании. Например, еще в конце XIX века Ф. Нансен предположил существование трансполярного дрейфа в Арктике и проверил эту гипотезу, зафиксировав свой корабль Фрам во льдах моря Лаптевых и впоследствии освободив его в районе Шпицбергена.
Что, если потребуется проведение масштабного эксперимента? Например, для оценки влияния на температуру и циркуляцию, если ускорить вращение планеты, скажем, вдвое? Или снизить поток энергии от Солнца на 10%? Или увеличить концентрацию парниковых газов в атмосфере в два раза? Гидродинамические лабораторные эксперименты с вращающимися системами могут в некоторой степени прояснить реакцию циркуляции атмосферы. Но как оценить изменение глобальной температуры? Ведь второй планеты поблизости нет, чтобы провести на ней полноценный эксперимент.
Решение заключается в создании климатических моделей, которые можно рассматривать как цифровые копии климата, и проведении экспериментов непосредственно с этими моделями. Такие модели, развиваясь от простых концептуальных или энерго-балансовых, в наши дни доросли до моделей общей циркуляции атмосферы и океана, в которых с помощью конечно-разностных схем ( см.ниже главу «Нужно кое-что объяснить») для расчета гидродинамических процессов, переноса излучения, фазовых переходов воды и других параметров вычисляются соответствующие уравнения. Современные климатические модели, по своей сути, являются расширенными моделями прогнозирования погоды, имеющими несколько более низкое разрешение в атмосфере (десятки километров вместо километров). Однако они включают в себя дополнительные интерактивные компоненты, такие как растительность, глубинная океаническая среда, ледники и углеродный цикл, которые необходимы для климатических исследований, но не используются при прогнозировании погоды.
С климатическими моделями сейчас проводится большое количество экспериментов, в том числе ансамблевых (когда делается не один запуск модели, а десятки и сотни запусков), скоординированных между научными группами (модели сравниваются между собой). Исследуется роль облаков и аэрозолей в климате, роль парниковых газов и естественной изменчивости. В частности, модели показывают, учет исключительно природных факторов, включая колебания солнечной активности, характеристики орбиты и вулканические извержения, не позволяет объяснить нынешнее потепление климата. Однако, при рассмотрении как природных, так и антропогенных факторов, климатические модели демонстрируют достаточно точное воспроизведение потепления. Климатические прогнозы, основанные на моделях и созданные много лет назад, оказались успешными оправдываются: модельные расчеты, выполненные в 1970-х годах, успешно спрогнозировали повышение температуры, а более поздние исследования предсказали и рост уровня океана, и даже ускорение этого роста. Причем оправдались прогнозы, сделанные не только в исследовательских институтах, но и, например, в крупных корпорациях. В 2021 году С. Манабе и К. Хассельман получили Нобелевскую премию по физике за заслуги в области климатологии. Им присудили премию за физическое моделирование климата Земли, количественный анализ изменений и точное прогнозирование глобального потепления.
В России активно развивается численное моделирование климата, в частности, в Институте вычислительной математики им. Г. И. Марчука РАН (ИВМ РАН), Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова (ГГО), Гидрометцентре России, Институте физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН (ИФА РАН). В ИФА РАН также проводится активное исследование причин климатической изменчивости и взаимосвязи изменений климата с опасными погодно-климатическими явлениями. Аналогичные вопросы изучаются в Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН и ряде других организаций.
Анализ эффективности моделей прогнозирования изменений, проведенный за последние десятилетия, позволяет предположить и точность прогнозов на будущее. Эти прогнозы формируются на основе сценариев, учитывающих изменения солнечной активности, параметры орбиты и антропогенное воздействие. Представители общественных наук создали несколько возможных сценариев развития общества, при которых по-разному будет развиваться численность населения, урбанизация и образование, тип энергетики, транспорта, сельского хозяйства, что в итоге будет приводить к разным эмиссиям аэрозолей и парниковых газов. В итоге разные сценарии будут приводить и к разному отклику климатической системы: при сценарии устойчивого развития температура к концу века вырастет еще на полградуса, уровень океана поднимется на 40 см, а при сценарии активного использования углеводородов температура к 2100 году может подрасти еще на 3 ºC, уровень моря вырастет почти на метр.
Как реагировать на изменение климата?
Глобальные изменения климата обуславливают разнообразные последствия и сопряженные с ними риски. Климатология выходит за рамки традиционных научных направлений, вовлекая в сферу своих исследований не только естественные науки (физика, география, химия, биология), но и общественные (экономика, политология, социология) и медицинские дисциплины. Оценка последствий всегда учитывает контекст и конкретные объекты, поскольку влияние изменений климата рассматривается в отношении экономики страны, хозяйственной деятельности региона, города, предприятия, а также здоровья и образа жизни человека. Изменение климата может отражаться в различных аспектах повседневной жизни, начиная от сдвига дат отпусков и заканчивая необходимостью переселения в другие районы.
В климатологии все большее значение приобретает изучение механизмов адаптации, то есть способности приспосабливаться к изменяющимся климатическим условиям. В биологическом мире такая адаптация, как правило, носит реактивный характер: виды реагируют на уже произошедшие изменения и предпринимают действия в ответ. Общество и человек обладают возможностью действовать превентивно, упреждающе: корректно оценив прогнозируемые последствия и риски, ученые подсказывают, что можно сделать уже сейчас, чтобы снизить эффект от отрицательных последствий и усилить — от положительных. Например, климатологи делают прогноз изменения продолжительности навигационного пути на Северном морском пути, прогноз изменения ареалов растениеводства и урожайности, прогноз роста уровня океана и усиления штормовых нагонов, прогноз деградации многолетней мерзлоты и так далее. Имея такие прогнозы на руках, принимающие решения люди лучше понимают необходимость развития портовой инфраструктуры в Арктике, расширения сельскохозяйственных практик, укреплении берегов и так далее. Прогнозы климатологов по тем или иным рискам ложатся в основу планов адаптации регионов и отраслей.
В России адаптацией к климатическим изменениям занимаются специалисты из Всероссийского геофизического института, Института географии РАН, Института глобального климата и экологии им. академика Ю. А. Израэля (ИГКЭ). Сотрудники ИГКЭ также проводят исследования, направленные на оценку баланса парниковых газов между атмосферой и земной поверхностью. Измерение и оценка потоков парниковых газов выполняются и в других научных учреждениях, таких как Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН, Институт леса им. В. Н. Сукачева СО РАН, Институт космических исследований РАН, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова (МГУ) и ряд других организаций. Экономические последствия климатических изменений анализируются в Институте народнохозяйственного прогнозирования РАН и Высшей школе экономики.
Ученые получили возможность оценить риски в зависимости от степени глобального потепления, что стало значимым достижением последних лет было показано, риски возрастают пропорционально ожидаемому потеплению. Этот уровень, в свою очередь, определяется объемом парниковых газов, которые человечество продолжит выбрасывать в атмосферу. Поэтому наряду с изменениями климата происходит глобальный переход на низкоуглеродный путь развития: с каждым годом растет количество энергии, полученной от возобновляемых источников, вводятся новые практики в химической и металлургической отраслях, меняется транспорт, сельскохозяйственные практики. Много работ в последнее время ведется по усилению поглощения углерода экосистемами суши, по разработке систем прямого улавливания углерода из атмосферы. Низкоуглеродное развитие нацелено на сокращение этих выбросов и избежание опасно высокого уровня потепления. И в этой области в последние годы отмечается настоящий научно-технологический бум, в котором участвуют ученые разных направлений: энергетики, науки о материалах, химии, физики, биологии и т. д.
Ученые также рассматривают альтернативные сценарии развития событий: если переход к низкоуглеродной экономике окажется более длительным, чем ожидалось, а потепление не удастся остановить, то пересечение нескольких критических точек может повлечь за собой катастрофические последствия. Поэтому, на всякий случай оцениваются методы климатической инженерии — направленного воздействия на глобальный климат для получения запланированного результата. Например, есть расчеты по созданию аэрозольного «экрана» в стратосфере, или по воздействию на слоисто-кучевые облака над океаном. Такие исследования ведутся на теоретическом уровне и на уровне численных экспериментов с климатическими моделями: ученые оценивают эффективность методов и побочные негативные эффекты в надежде, что эти методы так и останутся лишь теоретическими и внедряться никогда не будут.
В России Институт атмосферной физики РАН, Московский государственный университет, Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН и другие организации традиционно проводят исследования атмосферных аэрозолей и продолжают их проводить в настоящее время. В этих учреждениях изучается роль аэрозолей в обменных процессах и их влияние на климат, включая климат городских территорий. В МГУ активно развивается направление городской климатологии. Физика верхней атмосферы и взаимосвязь процессов, происходящих в этих слоях, с климатическими изменениями изучается в Санкт-Петербургском государственном университете, Институте солнечно-земной физики СО РАН, Институте космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера СО РАН.
Нерешенные задачи
Хотя климатологические прогнозы, сделанные более четырех десятилетий назад, оказались точными, в этой области остается множество нерешенных вопросов. Например, движение воздушных масс в атмосфере описывается уравнением Навье—Стокса, которое входит в число величайших нерешенных математических задач («задач тысячелетия»).
Существуют также задачи, более непосредственно связанные с климатологией. К примеру, ученые до настоящего момента не могут точно определить диапазон чувствительности — реакции глобальной температуры на рост концентрации парниковых газов. Так, равновесная чувствительность температуры к удвоению концентрации СО 2 в атмосфере оценивается в диапазоне 2–5C°: не сужается этот диапазон ни в модельных расчетах, ни в палеоданных. Причины такого размаха кроются в десятках, а то и сотнях обратных связей, действующих в климатической системе на разных временных масштабах. Особую «головную боль» климатологам приносят обратные связи, обусловленные облаками: облака способны как согревать Землю благодаря парниковому эффекту – это можно почувствовать, сравнивая температуру воздуха в ясные и пасмурные зимние ночи, так и способствовать ее охлаждению посредством альбедного эффекта, который проявляется при сравнении температуры в ясные и пасмурные летние дни).
В последнее время климатологи уделяют повышенное внимание уделяют критическим точкам в климатической системе, прохождение которых может приводить к масштабным, ускоренным и зачастую необратимым климатическим изменениям. Например, такой точкой может служить прохождение точки стабильности ледника Западной Антарктиды, или прохождение точки перехода лесов Амазонии из поглотителей СО 2 в его эмитенты.
Несмотря на прогресс, остаются нерешенные вопросы в сфере климатического прогнозирования. Модели погоды и климата постоянно улучшаются, однако определенные аспекты прогнозов остаются неопределенными остается диапазон от двух недель до десяти лет. До двух недель неплохо (а в первые дни так и очень хорошо) прогноз погоды основан на начальных и граничных данных. Прогноз климата на более длительный период, начиная с десяти лет, демонстрирует удовлетворительные результаты как оценка отклика климатической системы на измененные граничные условия. Однако в промежуточных временных масштабах наблюдается недостаток информации: начальные данные в атмосфере теряют свою актуальность через две недели. Причина этого явления остается открытым вопросом, хотя некоторые ученые связывают его со временем полного обновления водяного пара в атмосфере, которое обычно составляет 10–14 дней, что и ограничивает предсказуемость погоды. В то же время, граничные условия не успевают существенно измениться. Для обычных пользователей допустимо использование инерционного прогноза, например, «эта весна будет похожа на предыдущую» или «следующий год будет таким же, как этот». Тем не менее, ученые продолжают работу над этой проблемой, и в настоящее время проводятся специальные эксперименты по декадному прогнозированию. В частности, в моделях учитывается информация от более медленных компонентов климата, которые обладают большей «памятью», чем атмосфера, – состояние океана, почвы и морских льдов.
Необходимо решить задачу, связанную с детализацией результатов климатического моделирования и точным воспроизведением процессов, происходящих в подсетях — областях, размер которых значительно меньше модельной сетки. К таким процессам относятся, например, образование облаков или опасные явления, такие как сильные ливни и шквалы. В решении подобных задач могут быть задействованы методы искусственного интеллекта, которые в настоящее время также широко применяются в климатологии.
Неразрешенные проблемы лишь акцентируют значимость науки и научных знаний о климате, которые являются ключевым фактором при формировании климатической политики многих государств, включая Россию. Это положение отражено в Климатической доктрине Российской Федерации. Приспособление к изменениям климата является одним из приоритетных направлений научно-технического прогресса. ( подробнее см.ниже главу «Нужно кое-что объяснить»)В связи с этим значительная часть исследований выполняется в рамках масштабных программ, таких как Федеральная научно-техническая программа по экологическому развитию Российской Федерации и климатическим изменениям на 2021–2030 годы. Также реализуется Важнейший инновационный проект государственного значения, целью которого является создание и развитие Единой национальной системы мониторинга климатически активных веществ. Помимо этого, Национальный план адаптации к изменениям климата предусматривает реализацию мероприятий второго этапа до 2025 года, и создается сеть карбоновых полигонов – научно-исследовательских и образовательных площадок для разработки, испытания и подтверждения эффективности технологий количественной оценки потенциалов эмиссии и поглощения парниковых газов различными типами природных экосистем.
Климатология в настоящее время представляет собой область науки, имеющую как фундаментальное, так и прикладное значение. Она характеризуется потребностью общества и государства в ее результатах, междисциплинарностью, возможностью проведения теоретических исследований, экспериментов и наблюдений в реальных условиях, современным оборудованием, сильными научными школами и развитым международным сотрудничеством. Что еще необходимо для работы, приносящей удовольствие?
Требуется разъяснить некоторые аспекты, подкрепив их примерами и определениями терминов)
Примеры наблюдений:
1 ARGO — международный проект представляет собой масштабную наблюдательную систему, в реализации которой задействованы научные организации из более чем 30 стран. Она включает в себя сеть автоматических буев, соединенных спутниковой связью и наземными приемниками. Ядром проекта является флот, состоящий почти из 4000 буев, предназначенных для измерения морских течений, а также профилей температуры и солености в океане (на глубину до 2 км, у некоторых буев — до 6 км). В последние годы в мониторинг также включен химический состав морской воды.
2 Fluxnet — представляет собой всемирную сеть, включающую метеорологические мачты для мониторинга потоков парниковых газов в типичных экосистемах различных регионов. На данный момент функционирует более 900 станций, расположенных в большинстве регионов мира. В России новые станции Fluxnet разворачиваются в рамках программы « Карбоновых полигонов».
3 GRACE — это комплекс из двух аппаратов, движущихся последовательно друг за другом, с возможностью измерения расстояния между ними с исключительной точностью, что обеспечивает возможность определения вариаций гравитационного поля Земли.
4 Aeronet — международная система наземных станций дистанционного мониторинга свойств аэрозоля, восстанавливаемых по измерению ослабления солнечного света в ясные дни. Система включает более 600 станций, расположенных на всех континентах планеты (и на некоторых островах в Мировом океане).
5 RAPID — система мониторинга циркуляции воды в Атлантическом океане, а именно Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции, состоит из подводного кабеля во Флоридском проливе, сети заякоренных буев в открытом океане, датчиков давления на дне океана и данных, полученных с помощью спутниковых измерений.
6 Спутники Арктика-М — Спутниковые наблюдения являются одним из важнейших источников данных о климатических процессах. Обычно наблюдения осуществляются со спутников, находящихся на высокой геостационарной орбите (эти спутники синхронизированы с вращением Земли и, казалось бы, неподвижны над экватором, обеспечивая получение информации с интервалом до 5 минут, однако охватывают лишь ограниченную территорию) или на низкой околоземной орбите (эти спутники совершают обороты вокруг Земли, пролетая над всеми регионами, но имеют большую временную разрешающую способность). Интересное решение — использование высокоэллиптической орбиты, которая реализована, например, в российских метеорологических спутниках «Арктика-М». Она позволяет им быстро проходить над Антарктикой и оставаться над Арктикой.
8 Дрейфующие станции «Северный полюс» — советские ученые решили организовать регулярные исследования уникального дрейфа Фрама, зафиксированного во льдах. Для этого были созданы дрейфующие станции «Северный полюс», в которых принимали участие такие известные ученые, как Папанин, Федоров и Ширшов. Эти станции, размещавшиеся на многолетних льдинах в Арктике, позволили получить ценные данные в области океанологии, физики и динамики льдов, метеорологии, геофизики (включая наблюдения ионосферы и магнитных полей), гидрохимии, гидрофизики и биологии моря. В связи с таянием морского льда в последние годы стало труднее найти подходящую льдину для размещения оборудования, поэтому со 2 октября 2022 года наблюдения ведутся на современной станции (СП-41) — специально построенном научно-исследовательском судне, которое фиксируется во льду.
Дистанционное зондирование: Значительная часть данных о климате и процессах, происходящих в климатических оболочках, получена благодаря информации, полученной с помощью методов дистанционного зондирования — как активных, так и пассивных. В случае активного зондирования, прибор генерирует и отправляет сигнал (например, лидары излучают световые импульсы, содары — звуковые волны, а радары — радиосигналы), после чего регистрируется отраженный сигнал. Анализ этих сигналов позволяет, с использованием метода обратной задачи, определить характеристики среды. При пассивном зондировании приборы фиксируют излучение в различных диапазонах длин волн (в широких или узких спектральных полосах, в разных диапазонах – видимом, инфракрасном, микроволновом и т.д.), и дальнейший анализ строится на основе сравнения полученных данных с эталонными. Приборы могут быть установлены как на спутниках, так и на наземных станциях. Часто применяются комплексные решения, сочетающие различные методы, например, на спутнике EarthCare, запущенном в мае текущего года для изучения облаков и аэрозолей, установлены и радар, и лидар, и пассивный зондировщик.
Изотопный состав углерода и климатические изменения: феномен «эффекта Зюсса»: В природе встречаются три изотопа углерода — они стабильны 12С и 13С и неустойчивый 14С, период полураспада которого составляет 5700 лет. В середине 1950-х годов ученый Ханс Зюсс выявил изменение изотопного состава углекислого газа, а именно — уменьшение содержания изотопов 14С и 13С. В процессе фотосинтеза деревья демонстрируют большую склонность к поглощению более легкого изотопа углерода ( 12С) и учитывая время полураспада 14С, в ископаемом топливе 13С и 14Содержатся в меньших количествах по сравнению с другими компонентами климатической системы. Снижение концентрации этих изотопов в атмосферном углекислом газе 2 —является ключевым фактором, обуславливающим увеличение концентрации СО 2 — обусловлено именно сжиганием ископаемого топлива. Данный эффект получил название «эффект Зюсса».
Ледниковые керны: Ледниковые керны – это цилиндрические образцы льда, добытые из ледников, которые содержат ценные сведения о климате прошлых эпох. Особенно важную информацию о газах, находящихся в хорошем перемешивании (например, CO2), можно получить из анализа пузырьков воздуха, заключенных в этих кернах 2 или СН4) их изучение позволяет воссоздать состав атмосферы, откатившись на тысячи лет назад. Однако из-за особенностей образования льда и продолжительного заключения пузырьков воздуха, точность реконструкции уменьшается для более древних периодов. Важным достижением стало создание непрерывной реконструкции концентрации парниковых газов в атмосфере за последние 400 тысяч лет, основанной на ледниковых кернах, извлеченных в Антарктиде на станции Восток. В настоящее время получена более продолжительная реконструкция, охватывающая 800 тысяч лет, благодаря данным со станции EPICA Dome-C.
Модели климата: Модели климата прошли путь от первоначальных концепций (например, модель Эратосфена, определившая пять климатических поясов) до энерго-балансовых, в которых температура рассчитывается на основе соотношения входящей и исходящей энергии. Затем последовали модели общей циркуляции атмосферы и океана, использующие численное решение уравнений гидродинамики, и, наконец, модели земной системы. В этих моделях, помимо динамики атмосферы и океана, проводятся расчеты и в смежных областях: углеродный цикл, перенос радиации, трансформация аэрозолей, химия атмосферы, интерактивная растительность и т. д.
Конечно-разностные схемы: Используемые схемы (включая явные, неявные и другие) позволяют найти приближенное решение дифференциальной задачи, трансформируя ее в конечное множество простых уравнений. Подобный подход, по сути, отображает гладкую функцию как совокупность коротких линейных сегментов.
Начальные и граничные данные: Для построения прогноза погоды необходимо учитывать начальные и граничные условия, которые определяют поведение системы уравнений, решаемых в числовых климатических моделях. В климатических проекциях ключевую роль играют граничные условия, отражающие характер внешнего воздействия, такого как изменения в солнечном излучении, параметры орбиты, вулканическая активность, поток аэрозолей и концентрация парниковых газов, вызванные деятельностью человека.
Усвоение данных: В моделях прогноза погоды ключевую роль играет блок обработки данных наблюдений. Он отсеивает недостоверную информацию и преобразует большое количество числовых данных, поступающих из различных источников, в поле начальных условий, с которого начинается работа прогнозной гидродинамической модели.
Меры адаптации: Существует несколько способов приспособления объектов к климатическим условиям — это могут быть как «жесткие» решения, включающие технические разработки («серые мероприятия») или решения, использующие природные процессы («зеленые мероприятия»), так и «мягкие» меры (поведенческие, административные, законодательные подходы). Эффективность каждой меры различна, и часто целесообразно использовать комплексный подход. К примеру, для уменьшения воздействия жары на жителей города можно устанавливать кондиционеры (в первую очередь в общественном транспорте и социальных учреждениях), увеличивать площадь зеленых насаждений, создавать водные объекты, проводить просветительскую работу среди населения, разрабатывать мобильные приложения с соответствующей информацией, корректировать отпуска врачей, график работы, выполняемой на открытом воздухе и так далее.
Прогноз Будыко: Советский академик Михаил Иванович Будыко являлся одним из наиболее авторитетных климатологов мира в XX веке. Его научные интересы включали в себя исследование теплового баланса Земли, разработка первой энерго-балансовой модели (с помощью которой он рассчитал сценарий «Белой Земли» – планеты, полностью покрытой льдом или снегом), а также предложения по различным методам воздействия на региональный (например, нанесение сажи на арктический лед) или глобальный (введение сульфатных аэрозолей в стратосферу) климат. В начале 1970-х годов Будыко, опираясь на разработанную им энерго-балансовую модель сделал и достаточно точный прогноз изменений глобальной температуры, как функции роста концентрации СО 2, этот прогноз до сих пор вызывает споры. Будыко сделал его, предполагая, что объемы производства энергии будут увеличиваться на 4–6% в год. В расчетах не был учтен вклад других парниковых газов, таких как метан, а также не было оценено охлаждающее воздействие аэрозолей, которые, вероятно, частично компенсируют друг друга.
«Остановка Гольфстрима»: Замедление (и потенциальная гипотетическая остановка) Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции является одной из важнейших проблем климатической системы. Этот процесс обусловлен усилением таяния морских льдов в Арктике и снижением образования соленых вод в море Лабрадора. В средствах массовой информации это явление часто неверно называют «остановкой Гольфстрима» (хотя Гольфстрим, будучи поверхностным течением, лишь слабо связан с глубинной циркуляцией), что стало особенно заметно после выхода фильма «Послезавтра».
Использование искусственного интеллекта в климатологии: Методы искусственного интеллекта уже давно применяются в климатологии, находя применение в распознавании и классификации объектов и паттернов, таких как поиск определенных объектов в данных спутниковых наблюдений. Они также используются для повышения детализации результатов моделирования, например, для уточнения пространственного разрешения прогнозов и воспроизведения мелких процессов подсеточного масштаба. Кроме того, искусственный интеллект применяется в прогнозировании погоды и климата, например, в сверхкраткосрочном прогнозе опасных явлений с использованием данных погодных радиолокаторов, или в декадном прогнозе при моделировании динамических рядов данных. В целом, климатология давно является наукой, основанной на данных, и в ней используются большинство существующих методов статистического анализа.
Опубликовано при финансовой поддержке гранта Министерства науки и инноваций Российской Федерации в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» (номер 075-15-2024-571) и всемерной поддержке Физтех-Союза)