Об авторе: Дмитрий Викторович Чаликов – доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, лаборатория геофизических пограничных слоев Санкт-Петербургского филиала Института океанографии им. П.П. Ширшова РАН; Honorary Professor of the University of Melbourne.

Истинное моделирование климата должно строиться по сценарию сотворения мира

Существует естественный предел детерминированного прогноза погоды, который вряд ли когда-нибудь будет превзойден, даже с использованием данных из космоса.

«Не существует никаких убедительных научных доказательств того, что антропогенный выброс углекислого газа, метана или других парниковых газов причиняет или может вызвать в обозримом будущем катастрофическое прогревание Земли и разрушение ее климата».

Президент Национальной академии наук США профессор Фредерик Зейтц
в петиции, подписанной 15 тыс. ученых

Негативные проблемы глобальной экологии, конечно, существуют. И они созданы исключительно легкомысленной и преступной по отношению к Земле деятельностью цивилизации.

Инициирование идеи о глобальном потеплении, вызванном усиленной эмиссией углекислого газа, принято приписывать бывшему вице-президенту США Элу Гору. Это несправедливо. Еще в 70-х годах прошлого века советский метеоролог директор Главной геофизической обсерватории Михаил Иванович Будыко интенсивно эту идею пропагандировал. Он даже однажды делал на эту тему доклад на Президиуме Академии наук.

После доклада президент АН СССР, академик Анатолий Александров, отнесшийся, между прочим, к идее скептически, спросил, как это повлияет на климат Подмосковья (где у него, по-видимому, была дача). «О, все в порядке, – ответил Михаил Иванович. – В Подмосковье потеплеет, и, может быть, будут даже выращивать бананы». «А в Америке?» – спросил президент.

Сочувствовать тогда Америке не полагалось, как и сейчас, но Михаил Иванович сочувственно заметил, что в Америке станет похуже: количество осадков уменьшится, и урожаи упадут. «Помилуйте, Михаил Иванович, где же мы тогда зерно будем покупать?» – спросил президент. Ответа на этот бестактный и политически некорректный вопрос ученый не нашел.

Погода на 15 суток

На одном из докладов я спросил Будыко, как повлияет потепление на дисперсии аномалий климата, то есть на изменчивость и пространственную неоднородность погод. Он посмотрел на молодого специалиста и не счел нужным ответить. Именно об этом бестактном вопросе я пишу сейчас.

Когда-то я занимался математическим моделированием климата, правда, с довольно несовершенной моделью, но зато много читал и думал на эту тему. Думаю и сейчас, хотя занимаюсь другими вещами. Полагаю, что теперь могу выразить мои взгляды в более или менее связной форме, не претендующей пока на формальное научное изложение.

Главное затруднение, возникающее при изучении климата, состоит в том, что климатическая система – бесконечно сложная вещь в том смысле, что она нелинейна и многокомпонентна. Разные компоненты ответственны за разные периоды и интенсивность колебаний климата и погоды.

Между понятиями климата и погоды есть существенная разница. Когда мы смотрим на струю воды из крана, «климат» этого процесса, грубо говоря, – объем вытекающей воды. «Погода» этого процесса – многочисленные быстро меняющиеся флуктуации, струи, турбулентность на ее поверхности.

Как это ни странно, прогноз погоды – гораздо лучше сформулированная проблема, чем прогноз климата, и в определенном смысле – проще. Упрощая проблему, можно сказать, что прогноз погоды – это детерминированная задача. Не учитываемые прогностической моделью случайности частично устраняются ансамблевым моделированием – многократным повторением прогноза с возмущенными начальными данными и осреднением по ансамблю. Начальные условия и текущее состояние системы непрерывно корректируются огромным объемом спутниковой, аэрологической и наземной информации.

Сколько бы ни шутили на ту тему обыватели, мы определенно являемся свидетелями резкого улучшения краткосрочного прогноза погоды. Немалую роль в этом играет стремительное повышение мощности компьютеров, а также средств наблюдений и связи.

Главные препятствия в увеличении срока успешного прогнозирования – неустойчивость, проявляющаяся в неопределенности развития процесса в некоторые моменты времени (бифуркации). Неустойчивость – классическая проблема математики, проявляющаяся даже в отдаленных от математики разделах науки, скажем, в истории. Если бы в 1917 году Временное правительство было более решительно в пресечении большевистской активности всего лишь путем устранения ее руководителей, ход развития России и всего мира был бы намного более человечным.

Инерционный процесс моделируется сравнительно точно, но резкие смены режима трудно, если вообще возможно, предсказать. Поэтому существует естественный предел детерминированного прогноза погоды, который вряд ли когда-нибудь будет превзойден. Этот предел находится в районе около 10–15 суток.

Нулевой момент

Согласно мнению одного из самых глубоких ученых в области геофизики, академика Андрея Сергеевича Монина, первичным определением климата за период в N лет является его определение как совокупности упорядоченной последовательности погод за весь период. На первый взгляд это определение неконструктивно и тавтологично, типа население – это совокупность индивидуумов (впрочем, уже последнее не так глупо, но это – из другой области).

Весь ансамбль погод как-то великоват. Однако в статистической механике ансамбль состояний объекта может с любой точностью характеризоваться набором интегральных характеристик: средняя величина, дисперсия, моменты высокого порядка, включая многоточечные моменты и т.д. Среди них самый простой – нулевой момент, то есть средняя по объему величина.

Компания NVIDIA объявила о планах по созданию самого мощного в мире суперкомпьютера для прогнозирования изменения климата.Система Earth-2, или Е-2, создаст цифровой двойник Земли.

 Наибольшую популярность среди последователей глобального потепления заслужил простейший нулевой момент, именно – средняя по глобусу температура в нижнем слое атмосферы. Не будем говорить, насколько эта величина хорошо вычисляется (тут тоже много нюансов), предположим пока, что хорошо. Гораздо важнее вопрос – насколько хорошо она характеризует климат? Эта величина комично напоминает классический показатель – среднюю температуру пациентов больницы, включая температуру обитателей морга (в нашем случае – температуру в Антарктиде). Диапазон изменчивости температуры всех обитателей больниц так велик, что нет смысла говорить о средней их температуре с точностью до 0,1 градуса Цельсия.

В свое время меня поразила чувствительность атмосферы в соединении с океаном (в смысле распределения его поверхностной температуры) к небольшим вариациям начальных условий и параметров модели (учет взаимодействия с поверхностью, особенно с океаном, атмосферная радиация, облачность и пр.). «Успехи» в математическом воспроизведении климата достигнуты в результате интенсивной подгонки под то, что известно. На самом деле достоверного моделирования климата в настоящее время практически не существует. Многочисленные подсчеты на 100 лет вперед неимоверно комичны.

Если бы Земля была покрыта не океанами, а в основном болотами или неглубокими озерами, прогнозы погоды и тем более климата стали бы намного более детерминированными. Климатическая система в этом случае не содержала бы инерционных компонентов и статистический режим был бы намного однороднее. Наличие инерционного компонента вносит в спектр новые временные моды и колебания. Для того чтобы их учитывать, необходимо включение в математическую модель блоков, описывающих физику инерционного компонента. На Земле такой главный компонент – океан: резервуар, характеризуемый громадной теплоемкостью и инерцией.

К сожалению, воспроизведение структуры и эволюции океана в настоящее время сильно затруднено. Причина этого – плохо известная физика связей между поверхностными и глубинными слоями океана, осложняемая его сильно устойчивой стратификацией. Океан в основном очень холодный: его глубины заполняют воды температурой около 4–5 градусов. Удивительно, не правда ли?

При этом нижние слои океана даже греются геотермальным теплом. Верхние слои в среднем на 10–20 градусов теплее, чем глубинные. Теплоемкость океана примерно в 4 тыс. раз больше теплоемкости атмосферы. Нетрудно понять, что незначительные вариации температуры океана могут выразиться в сильных колебаниях температуры атмосферы. Поскольку аномалии температуры океана неоднородны в пространстве, они порождают сильные неоднородности в температуре и динамике атмосферы.

Климат – это не средняя температура

Вряд ли человек может почувствовать, что среднегодовая температура воздуха у земли повысилась на 1–2 градуса. Потепление на 1 градус равносильно переезду к югу на 100 км (в Северном полушарии) – незначительное событие. Однако многие замечают, что погода стала гораздо более разнообразной, в частности увеличилось число случаев опасных явлений.

Вылавливание изменений средней температуры напоминает мне недавний результат по климатологии ветровых волн. Вычислили, что высокие волны повысили свою высоту за счет глобального потепления на 1 см! Любопытный результат, если учесть, что высокие волны имеют высоту около 10 м. Таким образом, предполагается, что относительная точность такого результата составляет 0,1%, что, разумеется, чушь, не заслуживающая обсуждения ввиду чрезвычайно низкой точности сведений о волнении. Этот пример очень сильно напоминает данные о глобальном потеплении.

Углекислый газ все время перемешивается, и его распределение очень однородно. Температура меняется по пространству и во времени на десятки градусов, эти колебания сопровождаются огромными вариациями всех метеорологических характеристик, так что приходится предполагать, что в климатической системе скрыты механизмы, преобразующие равномерное воздействие в хаос.

Можно надеяться, что адепты потепления уже придумали, каким образом равномерное по пространству и постоянное во времени слабое возбуждение может провоцировать генерацию локальных явлений и высокую неоднородность реакции атмосферы. Видимо, объяснение очень нетривиально, если оно вообще существует.

Более логично предположить, что существуют механизмы, непосредственно вызывающие крупномасштабные колебания, а изменения глобально осредненной температуры должны быть отнесены к остаточным (residual) эффектам суммирования, возникающим за счет нелинейности процессов большой амплитуды. Здравый смысл говорит, что на самом деле климат – это не средняя температура, а в гораздо большей степени – набор состояний атмосферы и океана.

Междугодичная и пространственная изменчивости в шкале Цельсия на два порядка (102) превосходят микроскопические осредненные тренды, которые сами по себе вообще не являются погодообразующими. Огромные колебания, вызванные аномалиями распределения притоков тепла (например, от океана), делают эффекты климатических колебаний средней температуры просто слабым фоном. «Потепленцы» говорят: лето жаркое, зима теплая – это изменение климата за счет углекислого газа, а если и лето и зима холодные, то это тоже за счет глобального потепления, но оно похитрей будет. Уже и тропические циклоны, по мысли «потепленцев», зависят от повышения глобальной температуры на 2 градуса. И даже саранча это чувствует. И фригидность, и число сексуальных преступлений католических священников объясняются этими двумя градусами.

У нас исследовали будущее Финского залива, разумеется, в свете глобального потепления. Сказали сначала, что именно потепление вызвало появление каких-то вредоносных водорослей. Потом с разочарованием нашли, что водоросли занесли на днищах суда из неведомых стран.

Климат может потеплеть на 2 градуса или похолодать на 3, но человечество погубит не углекислый газ, а его глупость. Вздохи о климате мне напоминают когда-то случившуюся панику по поводу смертоносной озонной дыры, которая через некоторое время благополучно затянулась, а потом снова появилась. Потом поняли, что она просто флуктуирует.

Климат иногда бурлит, иногда затихает, и это было всегда. Причины этого есть, но они неизвестны и никто их по-настоящему не изучает. Если понимать климат как меру пространственной и временной изменчивости атмосферы, вполне можно предположить, что в этом смысле большие изменения климата могут происходить и при полном постоянстве средней по глобусу приземной температуре. Поскольку измерения распределены крайне неравномерно, можно быть уверенным, что обработка данных, содержащих большие дисперсии, вполне может показать какой-то тренд приземной температуры, не говоря уже о том, что сама нелинейность может порождать нулевую моду.

Климат – это дисперсия

Гораздо более естественно предположить, что климат – это в гораздо большей степени пространственная и временная дисперсия, статистический набор режимов, а не среднее состояние, которое плохо сформулировано и рассчитано и скорее всего не слишком важно. До сих пор метеорологи не могут объяснить гигантскую межгодовую изменчивость атмосферы. Иначе они давно научились бы давать надежный фоновый прогноз на срок более недели. Эти успехи, однако, незаметны, и именно их отсутствие заставляет относиться с большим подозрением к результатам гораздо более простым.

По мысли «потепленцев», глобальное потепление порождает много локальных явлений. Например, возникают положительные аномалии температуры в Арктическом бассейне, что выражается в сокращении площади и мощности ледяного покрова. Связать это явление прямо с глобальным потеплением затруднительно. Намного более естественный вариант объяснения состоит в том, что увеличился транспорт тепла Гольфстримом. Почему? Это уже другой вопрос, на который ответить непросто, поскольку он требует понимания механики циркуляционных систем океана вплоть до способности их детального математического моделирования, что в настоящее время невозможно. Так что дальше построения умозрительных качественных схем эта наука не продвинулась.

Тем не менее наиболее эффектными – и одновременно наиболее уязвимыми доказательствами глобального потепления за счет углекислого газа считаются численные эксперименты с глобальными моделями климата. Эти модели обычно включают модели атмосферы, океана и иногда материковых льдов.

Модели атмосферы хорошо разработаны для прогноза погоды. Этого нельзя сказать о моделях океана. Верхняя часть океана (толщиной около 200–300 м) тесно связана с атмосферой, но уже она в сотни раз более теплоемка, чем атмосфера. Эти слои океана сильно стратифицированы, поэтому их динамика и вертикальная проводимость тепла очень сложны. Это порождает бесчисленное количество подходов, ни один из которых нельзя считать хорошо обоснованным.

Тепловое и прочие взаимодействия с атмосферой подсчитываются по простеньким эмпирическим формулам, которые заведомо не могут давать точность выше 20%. Обмен теплом с глубинами океана еще более сложен. Существуют мнения, что заполнение океана холодной водой происходит в узких зонах и определенных фазах сезона. Физика и интенсивность этого процесса решительно неизвестны.

Давайте возьмем хорошую модель атмосферы и вместо океана присоединим к ней, скажем… слегка заросший пруд океанских очертаний глубиной в несколько метров. Пруд может нагреваться, охлаждаться, даже замерзать, но способности к созданию аномалий теплосодержания и переносу тепла из одного места в другое у него, понятно, ограничены. С такой упрощенной климатической системой посчитаем эволюцию климата Земли, например, на протяжении ста или даже тысячи лет. Анализ результатов покажет, что никаких особенных сюрпризов в такой системе не возникнет: погода будет более или менее ровненькая, разумеется – с циклонами и антициклонами, но без особых эксцессов. Главное, что один год будет статистически похож на другой. Это происходит потому, что в самой атмосфере нет долгопериодных собственных колебаний.

Глубокий океан кардинально меняет ситуацию. Поскольку он инерционен, он содержит много механизмов флуктуаций, которые выражаются в модификации поверхностной температуры, порождающих большие вариации теплообмена с атмосферой. Атмосфера энергично реагирует на эти вариации самыми разнообразными способами. Поэтому в реальной климатической системе возникает огромная пространственная и временная изменчивость с периодами до десятков лет.

В большинстве мест на Земле от однообразия погоды не заскучаешь. Так что, кроме сжигания угля и бензина, на Земле происходят гораздо более грандиозные природные процессы. Представления современного человека о причинах изменения климата напоминают поведение Гулливера, который после жизни с лилипутами, гуляя по Лондону, кричал прохожим, чтобы они посторонились, а то он их может задавить.

Страдания «за потепление»

Истинное моделирование климата должно строиться по сценарию сотворения мира. В качестве начального состояния принимается, что атмосфера и океан находятся в состоянии покоя и имеют равномерно распределенную температуру. Необходимо оговорить и другие детали, но мы их опустим для краткости. Включаем Солнце – и далее смотрим, что происходит. Возникает разность температур между экватором и полюсом, развиваются погодные процессы, в разных местах нагревается и охлаждается верхний слой океана.

Тем не менее – я в этом уверен – структура глубокого океана будет воспроизведена неверно: скорее всего он окажется теплее, чем реальный. Причина в том, что механизм формирования структуры глубинных слоев океана очень тонок и сложен и вдобавок требует для своего воспроизведения гораздо более мощные компьютеры, чем существующие в настоящее время. Если же правильная глобальная структура океана воспроизведена неверно, климат Земли будет также искажен. Из этого следует, что полагаться на математические модели для прогноза отдаленных последствий было бы легкомысленно.

Злые языки утверждают, что потепление климата на протяжении многих тысяч лет происходило много раз одновременно с повышением концентрации углекислого газа (напоминает вопрос – что первично: курица или яйцо?). Без привлечения внеземных пришельцев объяснить эти явления с антропогенных позиций трудновато.

Последний рубеж, защищаемый энтузиастами антропогенного потепления, основан на скорости потепления: никогда раньше так быстро климат не теплел, утверждают они. Речь идет о производной по времени от глобальной температуры. Можно задать встречный вопрос: вы располагаете достаточными данными для таких вычислений? Ведь период рекордно быстрого потепления, подкрепленный данными, у вас только один – последний. Климатическая история Земли известна с чрезвычайно низким разрешением и большими ошибками, так что сравнение производных по времени от глобальной температуры упирается в очевидный недостаток данных.

Один советский директор утверждал: «План холодильников в этом году перевыполнен на 2 тыс. процентов». Формально он был точен, но не сказал, что в прошлом году заводом был выпущен один опытный экземпляр (да и тот сломался). В таких трудных условиях вычисления производных по времени некорректно.

Угля действительно жечь много не надо. И вообще ничего не надо жечь и тем более выбрасывать. А то сидят мои сограждане у телевизора, страдают «за потепление», а ближайший лес завалили пластиковыми бутылками и пакетами.

Я бы сформулировал следующие выводы:

1) данные о глобально осредненной приземной температуре показывают ее рост на протяжении последних нескольких десятков лет;

2) медленный рост приземной температуры сопровождается значительным увеличением пространственной и временной дисперсии температуры и других характеристик;

3) дисперсия погодных характеристик является более показательной и практически более важной характеристикой климата, чем среднегодовая температура;

4) механизм трансформации медленных и равномерных изменений глобальной температуры в усиленный рост дисперсии погодных характеристик неясен;

5) режим погод тесно связан с распределением поверхностной температуры в океанах;

6) механизм формирования трехмерной структуры океана, ответственной за распределение поверхностной температуры, известен лишь качественно;

7) полноценное математическое моделирование климата не достигнуто из-за сложности моделирования океана;

8) режим погоды больше зависит от аномалий распределения температуры в океане, чем от средней температуры.

9) указания на уникальную быстроту роста приземной температуры неубедительны, потому что равномерно распределенные данные за длительные периоды, позволяющие проводить сравнения скорости изменений, отсутствуют.

В общем, если судно утонуло в шторме или урожай погиб в засухе, причины этого – шторм и засуха, а не содержание в атмосфере углекислого газа.