http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=e98a9445-fbe0-45d5-b774-aa0c35162ee3&print=1© 2024 Российская академия наук
На ком лежит вина за глобальное потепление? Как предсказать оттенки погоды на соседних улицах? Почему завеса дыма то и дело накрывает даже самые опрятные города Европы? Туман вокруг вопросов погоды и климата рассеивает Сергей Зилитинкевич. Год назад он возглавил лабораторию физики планетарных пограничных слоёв в ННГУ, созданную на средства мегагранта Правительства РФ размером 150 миллионов рублей. Её цель – изучить взаимодействие атмосферы, гидросферы и поверхности суши. STRF.ru уже публиковал обширный материал о теоретической подоплёке проекта. Теперь мы решили сосредоточиться на прикладных аспектах.
Справка STRF.ru:
Сергей Сергеевич Зилитинкевич – руководитель лаборатории физики планетарных пограничных слоёв Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского, директор по науке отделения атмосферных наук Хельсинкского университета, профессор-исследователь Финского метеорологического института, доктор физико-математических наук. Автор 8 монографий и более 160 статей в рецензируемых изданиях. Общий индекс цитируемости его работ превышает 2580, индекс Хирша – 26
Перегрев климатической машины
Прежде чем мы приступим к беседе о мегагранте, не могу не задать один сакраментальный вопрос. Вы верите, что в глобальном потеплении виновато нерадивое человечество?
– Глобальное потепление существует. Это факт. Но оно может быть антропогенным, а может и не быть. Доказательства и с той и с другой стороны не слишком убедительны.
Модели климата сложны, состоят из многих блоков, и в каждом присутствуют эмпирические подгоночные коэффициенты. Их приходится подбирать «на ощупь». Ни в коем случае речь не идёт о сознательной подгонке результатов. Но если модель простая, то сомнительная гипотеза сразу видна. А если модель сложная, разобраться, какой именно из механизмов ответственен за тот или иной результат, очень непросто.
Климатическая система – одна из самых сложных, какими занимается современная наука. По степени сложности и неизбежной неопределённости её можно сопоставить с мировой экономикой.
Так что говорить о предстоящих изменениях климата следует с большой осторожностью. Между прочим, палеоклиматологи обнаруживали периоды очень резких потеплений климата и в далёком геологическом прошлом, до появления человека.
И каковы альтернативные объяснения?
– Месяц назад я был на юбилейной конференции Центра климатических исследований имени Бьёркнеса. Один из самых авторитетных экспертов в области численного моделирования изменений климата, профессор Кильского университета Моджиб Латиф, сообщил своего рода сенсацию. По его словам, наблюдаемое сейчас быстрое потепление климата удаётся объяснить вне всякой связи с антропогенными выбросами углекислого газа. Возможная причина – долгопериодные колебания в системе циркуляций мирового океана и взаимодействие этих процессов с циркуляцией в атмосфере. Это объяснение в рамках одной из наиболее совершенных современных климатических моделей.
Но ведь качество воздуха ухудшается? И на климат влияет?
– Разумеется. Есть даже такой термин – «химическая погода». Ветер переносит загрязняющие вещества, пыль, аэрозоли. На аэрозольных частицах развиваются мельчайшие капельки воды, составляющие облако. Облака экранируют солнечную радиацию. Меняется погода, а значит – скорость и направление ветра. Таким образом, погода, климат и качество воздуха взаимосвязаны. До недавнего времени эти процессы в оперативных прогнозах рассматривались порознь. Ими даже занимались, а иногда и сейчас занимаются, разные институты.
В терминах вычислительной математики традиционный, раздельный, подход называют «оффлайн». А объединённый подход, учитывающий взаимодействия между физической и химической погодами, называют «онлайн». Особое внимание онлайн-подходу уделяет Датский метеорологический институт – именно так называется датская служба погоды. Главный специалист в этой области – Александр Бакланов. Сейчас он работает в Дании, а раньше трудился в Сибирском отделении Академии Наук СССР и в Кольском филиале Российской академии наук.
Какие механизмы помимо атмосферных управляют климатом?
– Три главных элемента «климатической машины» – атмосфера, океан и льды. Запасы тепла в океане несоизмеримо больше, чем в атмосфере. Поэтому температура в океане меняется медленно. На краткосрочный прогноз погоды изменения температуры в верхнем слое океана практически не влияют. Льды реагируют ещё неспешнее. А взаимодействия в системе «атмосфера – океан – лёд» протекают медленнее всего.
Пограничники погоды
Как работа вашей лаборатории в Нижнем Новгороде поможет точнее предсказывать погоду?
– Не так давно, каких-нибудь 40 лет назад, прогноз погоды строился на основе системы правил синоптической метеорологии, полученной путём систематизации опыта метеорологических наблюдений.
Сейчас практикуется прогноз, основанный на численном решении уравнений динамики атмосферы. Вначале пространственное разрешение при численном прогнозе было очень грубым – измерялось десятками километров. При этом на картах погоды удавалось уловить лишь крупномасштабные черты.
Современные наблюдательные системы и суперкомпьютеры позволяют достичь очень высокого разрешения – вплоть до покрытия всей планеты сеткой со стороной ячейки в один километр и даже меньше.
Однако, как выяснилось, столь высокое разрешение входит в конфликт с современным описанием физических процессов в планетарных пограничных слоях. Приходится совершенствовать это описание, чем мы и занимаемся.
С кем из метеорологов вы взаимодействуете?
– С европейскими службами погоды – финской, датской, шведской, французской, но пока не с Росгидрометцентром.
Кто работает в лаборатории ННГУ?
– Мы тесно сотрудничаем с отделением геофизических исследований Института прикладной физики РАН. В целом в работе лаборатории принимают участие около 100 человек. Примерно половина из них – молодые учёные, не старше 35 лет. Среди участников 12 докторов наук. Мы собирали команду с расчётом на взаимно дополняющие квалификации и опыт работы, с тем чтобы совместными усилиями метеорологов, физиков и математиков решить междисциплинарные задачи теории, необходимые для улучшения прогнозов погоды и климата.
Под покровом турбулентности
Внутри пограничного слоя происходит интенсивное турбулентное перемешивание воздуха. В свободной атмосфере турбулентность, как правило, несоизмеримо слабее.
Высота планетарного пограничного слоя меняется от десятков метров до 2–3 километров, в зависимости от интенсивности турбулентности. Она увеличивается с усилением скорости ветра и в результате развития конвекции над нагретой поверхностью.
В городах загрязнение воздуха наиболее сильно сконцентрировано именно в планетарном пограничном слое
Как именно планетарный пограничный слой влияет на локальные черты погоды?
– Раньше считалось, что атмосфера контактирует с земной поверхностью непосредственно. Однако исследования последних лет показывают, что всё несколько сложнее. Велика роль процессов на верхней границе атмосферного пограничного слоя. От толщины слоя и от того, насколько велика в нём турбулентность, зависит температура и степень загрязнения воздуха вблизи поверхности.
Старое и новое видение проблемы контакта атмосферы с земной поверхностью
От чего зависит толщина пограничного слоя?
– Скорость ветра в пограничном слое с высотой резко усиливается. Кроме того, в дневное время солнечное излучение нагревает земную поверхность. Оба эти фактора приводят к развитию турбулентности. Ночью, а в высоких широтах и днём, земная поверхность сильно охлаждается. Это приводит к устойчивому состоянию планетарного пограничного слоя. Оно влечёт частичное подавление турбулентности и как следствие – снижение толщины пограничного слоя. А чем тоньше слой, тем он чувствительней и к тепловым воздействиям, и к выбросам загрязняющих веществ.
В чём это выражается?
– Представьте, что в безветренную холодную погоду планетарный пограничный слой, скажем, над Нижним Новгородом сократился до 100 метров. Что произойдёт? Весь дым и выхлопные газы от автомобилей будут накапливаться в пределах нижней сотни метров. Если это продлится несколько часов, произойдёт катастрофическое загрязнение воздуха. Подобное случалось даже в таком чистом городе, как Хельсинки.
Ещё один пример «работы» пограничного слоя: допустим, усиливается парниковый эффект и к земной поверхности поступает несколько больше тепла, чем обычно. Если турбулентность сильна, то пограничный слой растёт. Тепловое воздействие распределяется по всей его толще и практически незаметно. А при слабой турбулентности такое же воздействие проявит себя гораздо сильнее: ровно настолько, насколько различаются толщины слоёв. Именно поэтому полярные области, в которых толщина пограничного слоя может снижаться до 15–20 метров, особенно чувствительны к изменению климата.