Версия для печати
Вернуться к списку

НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ СЕРГЕЯ ЗИЛИТИНКЕВИЧА

STRF.ru регулярно рассказывает о проектах, которые выполняются в нижегородских вузах под руководством ведущих учёных. В этот раз мы представляем «метеорологический» проект ННГУ, победивший во втором конкурсе мегагрантов, в ноябре 2011 года: «Взаимодействие атмосферы, гидросферы и поверхности суши: физические механизмы, методы мониторинга и контроля планетарных пограничных слоёв и качества окружающей среды».

После долгих лет работы в Европе профессор Сергей Зилитинкевич приехал в Нижний Новгород, чтобы создать лабораторию по изучению быстрых изменений климата и мониторингу окружающей среды

Планетарным пограничным слоем называют нижний слой тропосферы, в пределах которого на величину и направление скорости воздушных потоков влияет расстояние до подстилающей поверхности. Такой поверхностью может быть и твёрдая поверхность Земли, и поверхность океана. Руководителем нижегородского проекта стал крупнейший специалист по физике планетарных пограничных слоёв, профессор Финского метеорологического института Сергей Зилитинкевич, соруководителем – заведующий кафедрой электродинамики профессор Александр Кудрин. А 15 мая 2012 года ректор ННГУ профессор Евгений Чупрунов сообщил журналистам, что на средства мегагранта создадут лабораторию по изучению быстрых изменений климата и мониторингу окружающей среды.

Предыстория нового проекта связана с конференцией Frontiers in Nonlinear Physics, проводимой Институтом прикладной физики РАН. Зилитинкевич участвовал в ней два года назад и установил контакты с нижегородскими радиофизиками, так что идея совместного проекта по изучению планетарных пограничных слоёв возникла давно. В его поддержке сыграли роль и известность профессора Зилитинкевича в экспертном сообществе, и уровень развития радиофизической науки в Нижнем Новгороде, и не в последнюю очередь интеграция академической науки и высшей школы. Уже более двух десятилетий Институт прикладной физики РАН взаимодействует с университетом, и старт новой лаборатория – наглядная иллюстрация такого взаимодействия.

Нижегородские физики изучают гидросферу, а в последние годы и происходящее в верхнем слое океана, на границе раздела океан-атмосфера и в различных слоях атмосферы. Не остается без внимания ионосфера: развиваются методы её исследования, в том числе с помощью активного воздействия направленными пучками СВЧ-излучения. Теоретически и в натурных экспериментах исследуют и многочисленные феномены атмосферного электричества.

Что же касается планетарных пограничных слоев, то протекающие там процессы определяют местную погоду. Именно в этом слое распространяются в основном попадающие в атмосферу загрязнения. Человек проводит в нём фактически всю свою жизнь… При этом динамика планетарного пограничного слоя весьма сложна из-за большого разнообразия воздействующих на неё природных факторов. Внутри него высокая турбулентность потоков воздуха, возникающая из-за идущего с поверхности тепла либо из-за перепада в скорости ветра. Изучая физику процессов в планетарном пограничном слое, Сергей Зилитинкевич обнаружил весьма серьёзное расхождение теории и натурных экспериментов. Чтобы их сблизить, ему пришлось пересмотреть основы классической теории турбулентности, восходящей к работам выдающегося советского математика академика Андрея Колмогорова.

Справка STRF.ru:

Сергей Сергеевич Зилитинкевич – доктор физико-математических наук, профессор, директор по науке отделения атмосферных наук Хельсинкского университета, профессор-исследователь Финского метеорологического института. Специалист в области физики атмосферы, автор 8 монографий и более 160 статей в рецензируемых изданиях. Общий индекс цитируемости его работ превышает 2580, индекс Хирша – 26. Под его руководством выполнен и выполняется ряд европейских проектов по физике атмосферы

Я слышал, что начало Вашей карьеры в науке было совсем не безоблачным…

– Я учился на матмехе ЛГУ и специализировался по математической физике, хотя по характеру я более физик, чем математик. По окончании университета я скорее всего стал бы аспирантом профессора О.А. Ладыженской – если бы не мой интерес к философии. Был самоуверенным, заносчивым, спорил с преподавателями философии. Помнится, оспаривал их комментарии к Беркли и Юму... Я-то и того и другого читал, а они нет. Дразнил, одним словом. Философы обозлились и на госэкзамене по истории партии поставили мне двойку. Диплом я не получил, но меня подобрал очень симпатичный капитан первого ранга, профессор – метеоролог Иван Матвеевич Безуглый; я начал работать научным сотрудником в военно-морском п/я («почтовый ящик» – обозначение секретного НИИ в советское время – STRF.ru) и заниматься морской метеорологией с военными приложениями. Там я тщательно учил историю партии, благополучно сдал её и спустя год диплом всё же получил. За время работы в «ящике» я перезнакомился почти со всеми ленинградскими метеорологами, а когда наконец получил диплом, перешёл на работу в Главную геофизическую обсерваторию им. А.И. Воейкова. Вскоре я познакомился и с московскими физиками: А.М. Обуховым, А.С. Мониным и А.М. Ягломом. В то время Андрей Монин как раз уходил из ЦК КПСС (где исполнял обязанности заместителя заведующего отделом науки) и готовился стать директором Института океанологии АН СССР. Он согласился на мое предложение открыть в Ленинграде филиал этого института, а меня назначил руководителем. Так я окончательно от чистой матфизики перешёл к физике атмосферы и океана.

Кстати, ключевые для мегагранта ННГУ проблемы описания пограничных слоёв и происходящего в них турбулентного движения тогдашним метеорологам представлялись не столь уж важными. В прогнозе погоды практиковался синоптический метод, в большой степени основанный на эмпирических закономерностях и требующий подчас хорошей интуиции. Численный же прогноз рассматривался как сфера более-менее чистой науки, как задел на будущее. Однако существовало понимание того, что всё это когда-нибудь, конечно же, понадобится. Действительно, в 60-х – 70-х годах уже появились ЭВМ, и уравнения, описывающие погоду, уже можно было решать численно. Но в целом подобная деятельность казалась скорее академической. Разумеется, когда речь заходила о распределении примесей, загрязняющих атмосферу, турбулентность нельзя было не учитывать…

В наши дни прогноз погоды – сложнейшая технология. Разрешение по горизонтали может достигать 1 км х 1 км. Такой уровень стал возможен благодаря колоссальному прогрессу в развитии систем наблюдения со спутников и мощности компьютеров; именно по этой причине оказались востребованными исследования по физике турбулентности и пограничных слоёв. Стало технически возможным учесть в расчетах – а стало быть и прогнозировать – тонкие черты погоды, в том числе и её экстремальные, опасные проявления.

Но вернёмся к моей административной «карьере». Должность руководителя филиала академического института позволяла мне публиковать свои лучшие работы не только в отечественных журналах, но и в англоязычных. Как руководитель я собственноручно подписывал письма на бланке института, в которых указывалось согласно существовавшим в то время правилам, что мои статьи ничего нового не содержат. Все отправляемые в печать статьи, разумеется, сопровождалась также экспертными заключениями об отсутствии в них информации закрытого характера (что было истинной правдой). Я публиковался в международных журналах и на свои статьи получал отклики из Европы, США, Австралии… Масштаб толщины ночных пограничных слоев, введённый в одной из моих работ 1972 года, стал известен как «масштаб Зилитинеквича». Для моей дальнейшей биографии эта известность оказалась полезной.

Поясните, пожалуйста.

– Речь идёт о формуле для определения высоты планетарного пограничного слоя. Понятие планетарного пограничного слоя ввёл ещё в начале XX столетия шведский математик Экман применительно, однако, не к атмосфере, а к океану. Формулу, определяющую толщину пограничного слоя, впервые получил в 1935 году шведско-американский ученый Россби. В его формуле учитывалось вращение Земли. Согласно Россби толщина пограничного слоя зависит от двух факторов: от степени турбулизации и от силы Кориолиса, как раз и обусловленной вращением Земли. До конца XX века формула Россби оставалась едва ли не единственной оценкой толщины пограничного слоя в атмосфере и океане. Мне же удалось в «масштабе Зилитинкевича» поймать различия между состояниями атмосферы ночью и днем, и формула стала своего рода моей «торговой маркой».

В самом начале 90-х я приехал как приглашенный профессор в Гамбургский университет. К тому времени уровень численного моделирования атмосферных процессов вырос чрезвычайно. В оперативных моделях атмосферы пришёл черёд пограничным слоям и турбулентности. Мне повезло – тот раздел физики, которым я занимался, оказался весьма востребованным.

В пределах пограничного слоя и вещество, и энергия переносится по вертикали в основном за счёт турбулентных движений воздуха. В Ваших статьях отмечается, что теория турбулентности в настоящее время находится на этапе смены парадигмы. Что имеется в виду?

– Классическая парадигма основана на концепции «прямого каскада» предложенной в 1941 году Колмогоровым. Она удовлетворительно описывает турбулентность, не осложнённую расслоением по плотности, что обычно и происходит в случае инженерной турбулентности. Согласно этой концепции, гидродинамическая неустойчивость течения приводит сначала к образованию крупных вихрей. Эти вихри оказываются неустойчивыми и, разрушаясь, порождают вихри меньшего размера, те тоже неустойчивы, и так далее. Мельчайшие вихри «размываются» молекулярной вязкостью, и их кинетическая энергия переходит в тепловую – происходит диссипация. В теории турбулентности это и называется «прямым каскадом».

В геофизической же турбулентности вступают в игру силы плавучести, которые Колмогоров не рассматривал. А в этом случае нередко возникает «обратный каскад»: мелкие вихри сливаются, порождая всё большие и большие по размеру структуры. Иначе говоря, происходит самоорганизация турбулентности, а возникающие при этом структуры переносят энергию и вещество более эффективно, чем обычная колмогоровская турбулентность. Разумеется, это требует пересмотра классической теории, что собственно и означает «смену парадигмы».

Вы приехали в Европу из Советского Союза. Вам легко было принять новые «правила игры»?

– Надо сказать, что я приехал в Германию в последние счастливые годы в жизни науки. Работал в институте им. Альфреда Вегенера – это немецкий институт, аналогичный российскому Арктическому и Антарктическому институту. Рядом с моей комнатой находились кабинеты двух заместителей директора. Мы вместе пили чай, и они сетовали: опять большие деньги прислали… ими надо как-то распорядиться, на что-то израсходовать. Но случилось объединение западной и восточной Германии, избыток денег остался в прошлом, стиль жизни стал быстро меняться. Старые профессора ворчали: всё захвачено умельцами писать заявки. По-своему они, наверное, были правы… но происходившее было абсолютно неизбежно. Бессмысленно жаловаться на то, что мы стареем. Ворчать неконструктивно, пришлось учиться писать заявки. Фактически на моих глазах за короткое время сменился образ жизни европейского профессора.

На фоне действующих в Европе программ финансирования научных исследований как выглядит программа мегагрантов?

– При всех достоинствах этой программы выделение столь значительных для российской науки средств фактически всего лишь на два года и два месяца мне представляется непрактичным.

В рамках программы «Идеи» Европейского исследовательского совета (European Research Council) я руковожу ещё одним проектом, формат которого очень похож на формат мегагрантов. По этой программе размер гранта составляет 2,5 миллиона евро, но не на два года, а на пять лет. При этом обычно еще 2,5, а то и 3 миллиона евро добавляет университет или научный центр, в котором реализуется проект. А за пять лет коллектив сработается, так что дело не заглохнет и после окончания проекта. Должен сказать, что и с точки зрения содержания, и даже по названию мои два последних европейских проекта и проект в ННГУ очень близки. Так, проект, выигравший грант программы «Идеи» и реализуемый в Финском метеорологическом институте, называется «Атмосферные пограничные слои: природа, теория и роль в климатической системе».

Первые два десятилетия эпохи больших проектов и «охоты за грантами» условия, которые выдвигали организаторы европейских конкурсов, были ориентированы на немедленный практический выход предлагаемой работы. Национальные же научные фонды и в Германии, и в скандинавских странах, куда я перебрался в 1998 году, этому правилу не следовали и фундаментальную науку «разрешали». Мораторий на фундаментальную науку продолжался довольно долго, но под давлением научной общественности был в итоге снят. В 2003 году впервые объявили конкурс инновационных индивидуальных грантов под общим названием «Кафедра имени Марии Кюри». Всего было открыто полтора-два десятка кафедр по разным направлениям. Такой грант (о тех же пограничных слоях) удалось получить и мне; и соответствующая кафедра была открыта в Хельсинском университете.

В России тоже существует политика переноса научных исследований в университеты. Как Вы к этому относитесь?

– Сейчас в Европе активно обсуждается кризис университетской науки… В большинстве европейских университетов наука «делается», как правило, на небольших кафедрах силами одного-двух профессоров и нескольких аспирантов. Профессор уходит на пенсию, освободившееся место заменяет его ученик. Тематика сохраняется десятилетиями – независимо от её востребованности. Регулярно печатаются статьи, ни у кого не вызывающие особого интереса… Вряд ли это может служить образцом для подражания. И в Европе, и в США возникло понимание ценности научных центров, похожих на институты Российской академии наук.

– Насчет секретарш не знаю, а вот про Сингапурский университет могу рассказать, как некоторые его представители повышают этот рейтинг. Как-то меня пригласили прочитать там лекцию, оплатили дорогой билет, поселили в дорогой гостинице, заплатили гонорар и перед отъездом просят: «Не откажите в любезности, вам же не составит труда, в следующей публикации напишите в графе «благодарности» (acknowledgments), что работа частично выполнена во время вашего пребывания в Сингапурском университете».

Ну да, Вы вполне могли написать что-то в самолёте или в номере гостиницы…

– Разумеется. И никому нисколько не жалко включить такую фразу в «благодарности». Они часто приглашают иностранцев читать лекции, нобелевских лауреатов приглашают. В результате по официальной статистике в Сингапурском университете работает чуть ли не двадцать нобелевских лауреатов. Менеджмент действительно виртуозный…

В идеальном варианте какими Вы видите результаты нижегородского проекта?

– В начале ХХ века Вильгелм Бьеркнес поставил задачу – превратить метеорологию из описательной науки, какой он её застал, в полноправный раздел физики. Это достигнуто: современная метеорология в значительной мере и есть «физика погоды и климата». Сектор с таким названием имеется, например, в Международном центре по теоретической физике в Триесте. И это достижение должно быть закреплено в университетском образовании. Я очень надеюсь, что в нашем проекте мы не ограничимся обещанным, то есть развитием новых разделов теории и методов наблюдения геофизической турбулентности и планетарных пограничных слоёв в интересах понимания «климатической машины» и улучшения прогнозов погоды, качества воздуха и изменений климата, но и создадим новую кафедру. Причем создадим её именно на радиофизическом факультете ННГУ, идеально подходящем для интеграции новых разделов атмосферной физики.