ПОНЯТЬ КЛИМАТИЧЕСКИЙ ТРЕНД

Сотрудники недавно созданной совместной лаборатории наук о климате и окружающей среде Уральского федерального университета и Института математики и механики УрО РАН стремятся понять физическую суть процессов, протекающих в климатической системе Земли, особенно в Арктике, чтобы количественно прогнозировать глобальные и региональные изменения климата, в частности на территории Западной Сибири. Со стороны УрФУ лабораторией заведует доктор физико-математических наук Вячеслав Иосифович Захаров, со стороны ИММ — член-корреспондент РАН Владимир Васильевич Васин. В 2011–2013 гг. они сотрудничали в рамках Урало-Европейского арктического климатического проекта Минобрнауки РФ,  которым руководил всемирно известный французский палеоклиматолог и лауреат Нобелевской премии мира профессор Жён Жузель. На днях он приезжал в Екатеринбург на заседание международного академического совета УрФУ, который возглавляет. Жён Жузель также принял участие в работе научного семинара лаборатории физики климата и окружающей среды Института естественных наук и математики УрФУ, где обсуждались данные мониторинга изотопических трассеров водного цикла в российской Арктике, полученные сотрудниками в 2012–2016 гг.

О проблемах прогнозирования климата и последних результатах уральских исследователей — наш разговор с В.И. Захаровым и В.В. Васиным.

В.И. Захаров: Как известно, глобальное потепление наиболее быстрыми темпами идет в высоких широтах, и особенно это проявляется в Арктике. На севере Западной Сибири возникает угроза масштабного таяния вечной мерзлоты и ускорения термокарстовых процессов: земная поверхность проседает, образуются многочисленные провалы и термокарстовые озера. А ведь на этой территории располагаются нефте- и газодобывающие предприятия, стоят города и поселки. Негативные климатические процессы могут привести к разрушению их инфраструктуры. Торфяники и зона вечной мерзлоты в Сибири — это и крупнейшие резервуары биологического и геологического метана. Значительные изменения водного и углеродного циклов на нашей планете могут резко ускорить выход метана в атмосферу и спровоцировать беспрецедентное усиление процесса глобального потепления.

Вопрос сейчас заключается в том, сколько у нас осталось времени, чтобы смягчить негативные последствия этих процессов. Ответ на него могут дать только глубокие научные исследования в рамках широкой международной кооперации и тщательный анализ их результатов. По большому счету это проблема экономической и экологической безопасности России. Научно обоснованный количественный прогноз климатических трендов позволит правительству страны принимать адекватные социально-экономические и политические решения.

В.В. Васин: Исследование климатических изменений — сложнейшая суперкомпьютерная задача. В качестве атмосферной компоненты климатической модели MPI-ESM, разрабатываемой в Институте метеорологии им. Макса Планка, мы используем компьютерную модель общей циркуляции атмосферы ECHAM (в 2011 г. начинали с версии ЕСНАМ5, в настоящее время переходим к последней версии — ECHAM6). Европейские коллеги из Института полярных и морских исследований им. Альфреда Вегенера (Германия) адаптировали модель под наши задачи, включив в нее модуль изотопного состава воды, который позволяет вычислять детальные изменения этого состава в течение всего гидрологического цикла. Эта версия модели была названа ECHAM5-wiso, и ее параметры были настроены для ключевых участков территории Западной Сибири. Сравнение численных результатов, полученных на основе ECHAM5-wiso, с результатами математической обработки спутниковых и наземных измерений трассеров атмосферного водного цикла, выполненных уральскими учеными, показало, что климатическая модель ECHAM5-wiso адекватно описывает региональные экспериментальные данные.

В.В. Захаров: Этот показатель отражает процентное содержание изотопологов водяного пара в атмосфере. Напомню, что изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, различающиеся по массе ядер, поскольку они содержат разное количество нейтронов. Комбинации различных атомов-изотопов дают набор молекул-изотопологов.

Молекула воды, как известно, состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Водород имеет два стабильных изотопа: протий — ¹H и дейтерий (D) — ²H. У кислорода три устойчивых изотопа: ¹⁶O, ¹⁷O и ¹⁸O. Молекула ¹H₂¹⁶O — самая легкая из всех изотопологов воды. Природная вода состоит в основном из таких легких молекул, однако и содержание в ней тяжелых изотопологов может быть достаточно существенным. Но самое главное, что изотопный состав воды — величина непостоянная. Для Мирового океана характерно стандартное соотношение легкой и тяжелой воды. Однако по мере ее движения из экваториальных и тропических широт к полюсам в ходе испарения, а затем конденсации, выпадения в виде дождя и снега и последующего стока по земной поверхности это соотношение меняется. Скорость испарения и температура конденсации у разных изотопологов молекулы воды разные. Тяжелая вода испаряется медленнее, а конденсируется быстрее. При каждом цикле испарения — конденсации газовая фаза объединяется тяжелым изотопологом, поэтому в Арктику и Антарктиду приходит легкая вода.

Трассер водного цикла позволяет определить, сколько фазовых переходов претерпела вода и как вообще она эволюционировала по мере движения от экватора к полюсам. Это уникальный инструмент проверки и подтверждения климатических моделей. Если модель воспроизводит наблюдаемые данные по изотопологам водяного пара, то можно быть уверенным, что она достоверно описывает все остальные климатические характеристики.

В.В. Захаров: Первый автоматизированный лазерный спектрометр PICARRO для непрерывного измерения изотопологов водяного пара в приземном слое атмосферы мы установили на территории астрономической обсерватории УрФУ в Коуровке в 2012 г. Это первая в России станция такого типа. Второй прибор разместили в 2013 г. в Арктическом научно-исследовательском стационаре Института экологии растений и животных УрО РАН (г. Лабытнанги), третий — в 2015 в Игарке, в лаборатории геокриологии Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова Сибирского отделения РАН (Якутск). Мы собирались установить PICARRO в Тикси, но нас опередили немецкие коллеги из Института полярных и морских исследований им. Альфреда Вегенера, поставившие прибор на острове Самойловском в устье реки Лены.

Чтобы надежно выявить климатический тренд, необходимо накопить ряды данных на протяжении нескольких циклов перемешивания атмосферы северного и южного полушарий. Один такой цикл составляет 2–2,5 года. Таким образом, чтобы делать какие-либо выводы, нужно измерять трассеры водного цикла как минимум в течение 10 лет по всей территории Арктики. Для этого нужно создать международную арктическую сеть фоновых станций со стандартизованным оборудованием. Сейчас такие измерительные приборы PICARRO  установлены в Гренландии, на Шпицбергене, на Аляске и в Канаде. В будущем мы планируем поставить PICARRO на Северо-восточной научной станции в поселке Черский в нижнем течении Колымы, и тогда можно будет говорить о полноценном российском сегменте международной панарктической сети мониторинга трассеров водного цикла.

В.В. Васин: Возможности ученых ограничивает и недостаточная мощность современных суперкомпьютеров. О трудоемкости климатического моделирования говорит тот факт, что разработка в рамках модели ECHAM6-wiso прогноза на 10 лет с использованием мощнейших мировых суперкомпьютеров потребует 10 месяцев непрерывных расчетов. 

Суперкомпьютерную модель климатических изменений в течение нескольких десятилетий разрабатывает огромная армия ученых, а коллектив совместной лаборатории наук о климате и окружающей среде УрФУ и ИММ совсем небольшой. Помимо названных руководителей в него входят кандидаты физико-математических наук К. Грибанов и Н. Рокотян, аспиранты И. Задворных, М. Хаматнурова, Е. Герасимов и Н. Денисова, младший научный сотрудник О. Стукова (УрФУ), кандидаты физико-математических наук Г. Скорик и П. Чистяков (ИММ УрО РАН). Однако уральские ученые получили первые обнадеживающие результаты, согласующиеся с данными спутниковых наблюдений и с моделями, разработанными немецкими коллегами.

В.В. Васин: Другое направление исследований лаборатории — решение обратных задач дистанционного зондирования атмосферы спутниковыми и наземными инфракрасными Фурье-спектрометрами высокого разрешения. Никита Рокотян провел цикл экспериментов по зондированию углеродсодержащих парниковых газов в атмосфере на наземной Фурье-станции в Коуровке синхронно с измерениями японского спутника GOSAT. Георгий Скорик разработал программу решения обратной задачи наземного зондирования для восстановления относительного содержания тяжелой воды в атмосфере по ее спектрам пропускания солнечного света и недавно обновил ее, усовершенствовав алгоритм. Альтернативный вариант программы для определения концентрации парниковых газов в атмосфере по спутниковым данным создает Павел Чистяков. Используя специальные (регулярные) методы решения обратных задач, которые относятся к классу некорректно поставленных (неустойчивых к погрешностям), математики стремятся свести к минимуму влияние ошибок измерения. Моделированием на суперкомпьютере «Уран» с использованием ECHAM занимается Нина Денисова, которая недавно вернулась после полуторамесячной стажировки в Институте полярных и морских исследований им. А. Вегенера (Германия).

По ходу исследовательской работы возникает также много технических задач — например, чтобы отремонтировать прибор, иногда приходится отправляться в дальние путешествия. Непросто организовать сбор и доставку из Лабытнангов проб осадков для анализа на соотношение тяжелой и легкой воды. Но вся эта рутинная работа в конечном счете направлена на решение глобальных проблем.

В.В. Захаров: Хотя в некоторых регионах, в том числе на Урале, последние зимы были холодными, глобальное потепление никто не отменял. Региональные похолодания возможны и в будущем, например, из-за изменения «маршрута» теплого Гольфстрима, вследствие чего Европа может «замерзнуть». Однако общий тренд последнего столетия — неуклонное повышение среднегодовой приземной температуры атмосферы Земли и рост осадков, и, как уже говорилось, наиболее выражен он ближе к полюсам — в Арктике и Антарктике. Еще один красноречивый показатель — масштабное таяние горных ледников. Тысячелетние ледники Гималаев, Памира, Тянь-Шаня, Альп и других горных систем значительно растаяли за последние 40 лет.

В.В. Захаров: Мы склоняемся к точке зрения профессора Жёна Жузеля, который многие десятилетия занимается реконструкцией климата Земли на основе анализа пузырьков воздуха в ледяных кернах Антарктиды и Гренландии. Он обратил особое внимание на то, что содержание углекислого газа в атмосфере Земли, варьировавшееся в последние 800 тысяч лет в диапазоне от 180 ppmv (минимальная концентрация в ледниковые периоды) до 290 ppmv (максимальная — в межледниковые), в 2013 г. достигло 400 ppmv, а концентрация метана выросла в 2,5 раза! Такой колоссальный скачок в концентрации ключевых парниковых газов в земной атмосфере произошел за последние примерно 150 лет — очень короткий по геологическим масштабам промежуток. Поскольку концентрация в атмосфере таких парниковых газов, как CO₂ и метан и температура приземного воздуха образуют систему положительной обратной связи, это означает, что наблюдаемые палеоклиматологами циклы похолодания и потепления к настоящему времени оказались разорванными. Быстрое увеличение этого разрыва свидетельствует о том, что на климатические процессы помимо естественных факторов — солнечных циклов, активности вулканов — очень существенное влияние оказывает человеческая деятельность. Вопрос о дальнейшем изменении климата на нашей планете остается открытым и далеко не праздным, и ученые призваны дать на него аргументированный ответ.