Сара Драй - Воды мира. Как были разгаданы тайны океанов, атмосферы, ледников и климата нашей планеты

«Условные» модели предполагалось использовать для численного прогнозирования погоды. В конце концов, что такое прогнозы погоды, ради которых и создавались компьютеры, как не попытки представить воображаемое будущее? Разница между численными прогнозами и «погодными моделями» заключалась лишь в том, что модели были предназначены для понимания погодных процессов, тогда как прогнозирование служило неотложным практическим нуждам.

В Вудс-Хоуле Малкус применила эти новые идеи и новые вычислительные возможности для решения такой сложной задачи, как описание роста отдельных облаков. Опираясь на данные, собранные во время полетов на гидроплане, она создала первую численную модель, которая на основе серии физических уравнений описывала, как происходит формирование и развитие облака [208] David Atlas and Margaret LeMone, «Joanne Simpson 1923–2010,» Memorial Tributes: National Academy of Engineering 15 (2011): 368375; W. – K. Tao et al., «Research,» 4. . Это была новаторская работа – первая в своем роде попытка представить рост облаков в виде серии уравнений. И это было лишь начало. Изучение отдельных облаков только углубило интерес Малкус к действию, производимому конвекционным процессом в широких масштабах. Но временны́е и пространственные рамки глобальных и даже региональных атмосферных процессов требовали гораздо больших вычислительных мощностей, чем те, что были доступны тогда. И даже если бы вычислительные мощности позволяли, проблема была слишком сложна, чтобы решить ее только с помощью численного метода. Чтобы исследовать такие сложные модели, требовалось подходить к ним с точки зрения физики.

Но Малкус не собиралась отступать. Прежде всего она убедила присоединиться к ее проекту Герберта Риля, своего бывшего научного руководителя. Вместо того чтобы анализировать данные о тропических облаках, как прежде, они стали изучать всю тропическую зону, расположенную между 10° северной широты и 10° южной широты по обе стороны от экватора вокруг всей планеты. Раньше такое масштабное исследование было бы невозможно, но теперь благодаря данным, которые собирались с помощью самолетов и радиозондов и наносились на карты, Малкус и Риль смогли сформировать более четкую картину того, как атмосфера движется над земной поверхностью, – и выявить пробел в теориях общей циркуляции. Они наткнулись на него, отслеживая движение солнечной энергии, – как будто в игре в «испорченный телефон» из цепочки выпал один из игроков. Солнечная энергия каким-то образом перемещалась по планете, но где и как именно это происходило, оставалось неясно.

Солнце является источником всей энергии на Земле. Форма нашей планеты и угол падения на нее солнечных лучей определяют, сколько солнечной энергии получают разные ее части. На широтах выше 38° в обоих полушариях Земля теряет тепло. Энергетический радиационный баланс положителен только между 38° и экватором – примерно в тех широтах, на которых расположен Африканский континент. Но в целом планета поддерживает свою среднюю температуру на довольно стабильном уровне, то есть передает тепло из области близ экватора к полюсам – в противном случае она начала бы остывать. Ситуация осложняется тем, что любимые в прошлом мореплавателями тропические ветры пассаты, дующие на уровне моря, круглогодично перемещают воздушные массы в направлении экватора, а не от него. На тот момент ученые сходились во мнении, что тепло поднимается над экваториальными регионами вверх и переносится в направлении полюсов на больших высотах, однако точный механизм этого переноса оставался неясен. Тепло каким-то образом поднималось от поверхности экваториального океана – где вода эффективно поглощала его и отдавала обратно – в более высокие слои атмосферы, в тропосферу, где ветры переносили его к полюсам. Однако измерения показывали, что средние слои атмосферы – между поверхностью океана и тропосферой – не обладают достаточной энергией, чтобы обеспечить передачу тепла вверх. Проще говоря, эти средние слои были своего рода энергетической мертвой зоной. В этом и состояла загадка. Как горячий воздух попадал с поверхности моря в тропосферу?

Наряду с «моделями погоды», которые с помощью описывающих физические явления уравнений воссоздавали все более сложную картину атмосферных процессов, существовало еще одно направление исследований, развивавшееся примерно с 1920-х гг. [209] Nebeker, Calculating the Weather , 124; Jacob Bjerknes, «Practical Application of H. Jeffrey's Theory of the General Circulation,» Résumé des Mémoires Réunion d'Oslo (1948): 13–14; Victor Starr, «An Essay on the General Circulation of the Earth's Atmosphere,» Journal of Meteorology 5 (1948): 39–43. К нему-то и обратились Малкус и Риль. Это направление называлось учетом и анализом данных и было основано на идее, что иногда для лучшего понимания происходящих на планете процессов следует – ненадолго – отставить физику в сторону. Аналогично тому как счетовод, ведя тщательный учет всех операций, сводит баланс в бухгалтерской книге, исследователи старались учесть и просчитать все «операции» с теплом на Земле, способствовавшие поддержанию наблюдаемого теплового баланса. Единственным, что имело значение в этом подходе, было увеличение или уменьшение выбранной переменной, такой как количество тепла, угловой момент, количество углекислого газа или чего угодно другого (например, льда, озона, трития, метана либо серы).

Эти многообещающие исследования могли многое прояснить в понимании роли мелкомасштабных явлений, таких как вихри, в глобальных атмосферных процессах, однако до сих пор никому не приходило в голову исследовать возможную роль кучевых облаков в механизме более масштабных циркуляций. Именно этим и занялись Малкус и Риль. Их идея, основанная на изучении данных радиозондов и довольно смелом предположении, не подкрепленном данными в силу их отсутствия, заключалась в том, что тепло поднимается вверх от поверхности океана не повсюду, а в небольших ограниченных зонах, где возникают чрезвычайно мощные восходящие потоки воздуха. В этих колоннах, или «горячих башнях», названных так Малкус и Рилем потому, что поднимающийся в них вверх водяной пар конденсируется в капли с выделением значительного количества тепла, формируются поистине гигантские кучевые облака. Эти «братья-переростки» обычных пассатных кучевых облаков могут достигать в высоту 10 000 и даже 15 000 м. При этом они представляют собой относительно редкое явление. В любой отдельно взятый момент на всей планете может существовать всего несколько тысяч активных областей образования таких облаков, которые, подобно эскалаторам, переносят огромное количество тепла вверх через нижние энергетически мертвые слои атмосферы с их дующими в направлении экватора ветрами. «Самым поразительным выводом из этой работы, – резюмировали Малкус и Риль, – является тот факт, что для поддержания теплового баланса экваториальной ложбины и, таким образом косвенно, для передачи бóльшей части энергии к полюсам требуется всего около 1500–5000 активных облачных гигантов» [210] Herbert Riehl and Joanne Malkus, «On the Heat Balance in the Equatorial Trough Zone,» Geophysica 6, no. 3–4 (1958): 534. .