Сучасний підхід в прогнозуванні кліматичної мінливості

Наука 17:17 - 21 жовтня 2021

Вперше за довгий час, лауреатами Нобелівської премії з фізики 2021 року стали діячі науки в області кліматології і чисельного моделювання стану атмосфери

Сучасний підхід в прогнозуванні кліматичної мінливості

Фото: meteoprog.ua

Незважаючи на стрімкий розвиток техніки і вдосконалення обладнання, на сьогоднішній момент ми не можемо з достатньою точністю спрогнозувати, якою буде погода хоча б через 5 - 7 днів, але при цьому з певною упевненістю можемо говорити про тенденції зміни клімату на роки вперед. І це не парадокс або якийсь пробіл в нашому розумінні природи. Як пише  Ігор Кибальчич, кандидат географічних наук, синоптик,  на погодному ресурсі Meteoprog.ua, чому це так, розібрались лауреати Нобелівської премії з фізики у 2021 році. Вона дісталася трьом ученим: половина пішла Джорджо Парізі (Giorgio Parisi) - за відкриття взаємозв'язку безладу і коливань в фізичних системах від атомного до планетарних масштабів, інші дві чверті розділили між собою кліматологи Сюкуро Манабе (Syukuro Manabe) і Клаус Хассельман (Klaus Hasselmann) - за фізичне моделювання клімату Землі, кількісну оцінку мінливості і надійне прогнозування глобального потепління.

Атмосфера Землі є відкритою і нерівноважною системою. У ній одночасно протікає безліч процесів на різних часових і просторових масштабах. Вони визначаються величезним числом параметрів: інтенсивністю надходження сонячного випромінювання (інсоляцією), хімічним складом, здатність поверхні чи космічного тіла відбивати та розсіювати випромінення (альбедо) і так далі. Звідси і випливають основні складності з прогнозуванням її поведінки на найближчі тимчасові інтервали, тобто побачити якісь закономірності, яких здавалося б немає на перший погляд.

Велика частина наукових робіт Джорджо Парізі, який отримав половину премії, присвячена взаємодії між елементарними частинками, зокрема, вивченню хромодинаміки і опису сильної ядерної взаємодії. Зокрема, він ввів особливу метрику, що описує безлад (міру хаосу) в будь-якій окремо взятій системі, знайшов принципово новий підхід. Виявилося, що така метрика може бути застосовна для нерівноважних систем будь-яких масштабів. Такою якраз і є кліматична система Землі (планетарний масштаб). Як заявив Парізі: зрозуміти ліс, споглядаючи лише за окремим деревом - неможливо. Порядок простежується лише на відповідному масштабі і йому ніяк не заважає хаос рівнем нижче. Тому шукати закономірності і в турбулентності, і в погоді можна - але не на рівні визначення цих безладностей, а на рівні статистики та їх співіснування в загальному ансамблі.

Інші лауреати, які займалися фізикою атмосфери, вирішили поглянути на питання пошуку закономірностей в безладних нерівноважних системах, максимально узагальнюючи. Сюкуро Манабе подивився на динаміку атмосфери та гідросфери на Землі не як на послідовність змінюючих один одного окремих станів погоди, а як на єдину глобальну систему. З такої точки зору стає зрозумілою різниця між кліматом і погодою. Якщо уявити клімат як ліс, то є якийсь гіпероб'єкт, існуючий в масштабі планети і темпі десятиліть. То для нього не існує ні днів, ні погоди. Він просто змінюється - повільно і однаково. А погода - це окреме дерево. Властивості сусідніх дерев (погоди сьогодні, вчора і позавчора) явно знаходяться в якомусь відношенні один до одного, але природу цієї залежності, переходячи від дерева до дерева, зрозуміти неможливо.

Вибратися на той рівень, де вона нарешті стане зрозуміла, можна, відвівши погляд від погоди, як безладного шуму і перевівши його на клімат. Шум погоди заважає досліджувати клімат. Але у цього шуму є періодична складова - щоденні та сезонні коливання з різною періодичністю, а також стохастична складова - тобто прямий наслідок нерівноваги системи, яка і ускладнює прогнозування погоди на найближчі тижні.

Як показав Манабе, якщо розглядати клімат під таким кутом, то для нього вдається побудувати формальні фізичні моделі, які пов'язують динаміку зміни клімату в першу чергу з інтенсивністю випромінювання Сонця і хімічним складом атмосфери (основні кліматотвірні фактори). Все це абсолютно не годиться для прогнозування погоди на завтра або на найближчі 2-3 дні, проте дозволяє зрозуміти, як буде розвиватися клімат в цілому. Фізик побудував одну за одною кілька математичних моделей, все більш і більш складних за своєю структурою. У підсумку, він першим ще у 70-х роках XX століття чисельно довів відгук кліматичної системи на зміну концентрації парникових газів, особливо вуглекислого та метану.

Клаус Хассельман, третій нобелівський лауреат, ступив ще далі. Спираючись на дані моделювання Манабе і деякі теоретичні викладки Парізі, він пов'язав два кліматичних масштаби один з одним: випадкові флуктуації погоди з повільною і детермінованою глобальною динамікою клімату - і отримав т.зв. стохастичну теорію клімату, яка пояснила спектри багатьох кліматичних змін і була використана в багатьох сучасних кліматичних моделях.

У своїх розрахунках Хассельман показав, як випадкові флуктуації погоди впливають на кліматичну систему. Зв'язавши між собою динаміку зміни «повільного» клімату і «швидкої» погоди, фізик встановив, що таку систему можна розглядати в термінах броунівської динаміки. Крім того, Хассельман ввів метод т.зв. «Відбитків пальців» (fingerprinting), що дозволяє серед безлічі природних факторів виділити антропогенні, що впливають на динаміку глобальної температури і клімату в цілому. Таким чином, вдається моделювати поведінку кліматичної системи з урахуванням втручання діяльності людини. Це дозволяє будувати довгострокові кліматичні прогнози.

Церемонія нагородження лауреатів заплановано на 10 грудня. Однак, через пандемію, викликану коронавірусною інфекцією COVID-19, пройде онлайн. Крім нобелівських медалей, лауреати премії отримають 10 мільйонів шведських крон на всіх (близько 30 млн гривень).

Не пропустіть цікавинки!

Підписуйтесь на наші канали та читайте новини у зручному форматі!

ГОЛОВНЕ ЗА СЬОГОДНІ
Більше новин
0 коментарів