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

На этих семинарах были выработаны общий язык и общий набор интересов в области гидродинамики атмосферы и океанов. На них же родилась идея проведения летней школы для обучения аспирантов и молодых ученых. Осенью 1958 г. Джордж Веронис, Генри Стоммел и Виллем Малкус подготовили проект программы под названием «Теоретические исследования в геофизической гидродинамике». Джоан Малкус и Генри Стоммел были ее первыми консультантами, хотя Джоан перестала участвовать в ней после развода с Виллемом Малкусом, который продолжал активно сотрудничать с летней школой. Но Стоммел и Джоан Малкус олицетворяли собой дух этой геофизической дисциплины: оба стремились достичь физического понимания движения воздуха и воды, которое могло бы объяснить всю сложность мира самым простым из возможных способов.

В первой летней школе в Вудс-Хоуле, помимо сотрудников Океанографического института, приняли участие четыре аспиранта и шесть приглашенных лекторов. Вместо привычных лекций программа состояла в основном из семинаров, на которых исследователи рассказывали о своей текущей работе. Вопросы не просто разрешались, но и поощрялись, и упор делался не столько на предоставлении определенного набора знаний, сколько на совместном обсуждении молодыми и состоявшимися учеными актуальных исследовательских проблем. Стоммел и Алан Робинсон рассказали о своей недавно разработанной теории так называемого термоклина, или слоя воды, в котором происходит резкий скачок температуры. Джоан Малкус выступила с докладом по физике облаков. На семинарах царила атмосфера равенства. Выступления докладчиков можно было прерывать конструктивными комментариями и вопросами, и дух увлеченного научного поиска стирал все барьеры между студентами и преподавателями. Эта эгалитарная культура сохраняется и по сей день, когда летняя школа стоит на пороге своего 60-летнего юбилея.

Летние семинары по геофизической гидродинамике оказали огромное влияние на развитие нашего понимания того, как движутся океаны, льды и атмосфера. Но история науки о климате была в равной мере историей как упрощения, так и возрастания сложности. Каким бы важным достижением ни была схема Бретертона, она не могла соперничать по своей значимости с новым, куда более всеобъемлющим способом глобального видения, совмещавшим в себе простоту и сложность. Именно это глобальное видение – даже больше, чем завораживающее изображение голубого шара на фоне чернильно-черного космоса, – сформировало наше представление о климате Земли. Речь идет о моделях общей циркуляции – комплексных численных моделях, задача которых – воспроизвести динамику земной системы посредством расчета того, как сетка из многочисленных узлов реагирует на набор физических уравнений. Как и в борхесовском «достигшем совершенства» искусстве картографии, когда картографы сумели создать «карту Империи, имевшую размеры самой Империи и точно с нею совпадавшую», модели общей циркуляции стремятся охватить весь земной шар как можно более полно. Вместо бумаги при этом используются воображаемые сетки, разрешение которых повышается по мере увеличения доступной вычислительной мощности [377] В 1990 г., когда был опубликован первый доклад МГЭИК, пространственное разрешение (размер сетки) составлял около 500 км 2 . Расчетная сетка распространяется горизонтально по всей земле и вверх, на всю атмосферу. Из-за очень малой плотности атмосферы по сравнению с поверхностью планеты она нарезается еще мельче – обычно с шагом в 1 км. К 1996 г. горизонтальное разрешение сократилось вдвое – до 250 км 2 , к 2001 г. – до 180 км 2 , а к 2007 г. – до 110 км 2 (к 2020 г. – до 10 км 2 . – Прим. науч. ред .). . Время – еще один важный фактор в климатических моделях. Тогда как использование более широкого шага по времени позволило бы создать модели с гораздо более высоким пространственным разрешением, ученые, как правило, используют для расчета моделей временнóй интервал всего в 30 минут. Поскольку такие модели часто рассчитываются для столетних периодов и больше, это составляет 1 753 152 шага для каждой точки в сетке, для которой необходимо рассчитать серию так называемых параметров модели – значений температуры, скорости ветра, давления, влажности и т. д. Перемножение этих трех наборов чисел – количества шагов по времени, количества точек на сетке и количества параметров для каждой точки – дает колоссальный массив вычислений. Даже самые современные мощные компьютеры с трудом справляются с расчетом моделей общей циркуляции с самым высоким разрешением, используемых в настоящее время. Как правило, удвоение разрешения модели при расчете для столетнего периода увеличивает количество вычислений в десять раз [378] . https://eo.ucar.edu/staff/rrussell/climate/modeling/climate_model_resolution.html . Как прожорливые гиппопотамы, эти модели поглощают любой прирост вычислительной мощности, увеличивающейся в соответствии со знаменитым законом Мура.

Модели общей циркуляции добились заметных успехов в воспроизведении некоторых составляющих климатической системы, таких как крупные океанические и атмосферные течения, пульсирующий рост и таяние ледяных шапок, распределение углекислого газа в атмосфере. Но другие явления – особенно те, что существуют в небольших пространственных или временны́х масштабах, – охватить гораздо труднее, даже с помощью самых мощных компьютеров. На 2007 г. разрешающая способность таких моделей составляла около 100 кв. км. Все, что имеет меньший размер – облака или небольшие океанические вихри, – просеивалось через эту сетку. А поскольку облака играют ключевую роль в глобальной климатической системе, ученым пришлось поломать голову, чтобы придумать другой способ, как включить их в свои модели. Сделать это удалось с помощью параметризаций – математических обобщений, описывающих суммарное влияние облаков. Это полезный инструмент, и его использование дает лучшие результаты, чем игнорирование таких мелкомасштабных явлений, но его эффективность довольно ограниченна. Сложность этих моделей общей циркуляции (которых существуют десятки, что еще больше усложняет дело) такова, что исследователи климата начали опасаться, как бы не заплутать в дебрях смоделированных миров и не забыть о том, что цель этих моделей – понять реальную планету [379] Nadir Jeevanjee, «A Perspective on Climate Model Hierarchies,» Journal of Advances in Modeling Earth Systems 9, no. 4 (August 2017): 1760. .

Существуют и другие климатические модели, которые находятся на противоположном конце воображаемого спектра. Эти простые модели предназначены для того, чтобы не столько имитировать земной климат, сколько предоставить полезную среду для его изучения. Хорошим примером может служить модель энергетического баланса, которую Джоан Симпсон и Герберт Риль использовали для открытия «горячих башен». Основанные на противоположном, по сравнению с моделями общей циркуляции, подходе – убрать все, что можно, оставив нетронутыми лишь ключевые составляющие климатической системы, – эти модели также очень эффективны. Эта старая традиция уходит корнями в работы таких ученых, как Кролл, Феррелл и Джеймс Томсон. Часто такие модели носят гипотетический характер и используются не для имитации Земли, а для того, чтобы поиграть с воображаемыми ее альтернативами. Взять, например, модель водной планеты, разработанную океанографом Джоном Маршаллом [380] См., напр.: David Ferreira, John Marshall, Paul O'Gorman, and Sara Seager, «Climate at HighObliquity,» Icarus 243 (2014): 236–248. . Маршалл решил узнать, каким был бы климат Земли, если бы всю ее поверхность покрывала вода. Создав соответствующую модель и позволив ей развиваться на протяжении 5000 виртуальных лет, он обнаружил, что на его аквапланете в итоге установился определенный климатический режим, а на обоих полюсах образовались ледяные шапки. Маршалл повторил эксперимент четыре раза, каждый раз добавляя одну полоску – простейшим образом аппроксимируя сушу, которая нарушает движение потока воды вокруг планеты. Используя четыре простые вариации, Маршалл сумел показать важность распределения массы суши для циркуляции океана и для климатического режима, а также определил условия, при которых планета переживала фиксированные ледниковые периоды, флуктуирующие ледниковые периоды или же погружалась в перманентное состояние «снежного кома».