Передбачити майбутнє

Лауреатами цьогорічної Нобелівської премії з фізики стали Сюкуро Манабе зі США і Клаус Гассельманн з Німеччини, а також італієць Джорджо Парізі. Премію надано за новаторський внесок у розуміння складних фізичних систем.

У формулюванні Нобелівського комітету Джорджо Парізі здобув половину премії за «відкриття взаємодії безладу та коливань у фізичних системах на масштабах від атомних до планетарних». Роботи Джорджо Парізі пов’язані з вивченням невпорядкованих систем: фізикою елементарних частинок, зокрема квантовою хромодинамікою та моделлю спінового скла. Другу половину премії розділили Сюкуро Манабе і Клаус Гассельманн за «фізичне моделювання земного клімату, кількісну оцінку мінливості та надійне прогнозування глобального потепління».

Ця тема не омине жодного з нас — стрімкі кліматичні зміни вже відбуваються й супроводжуватимуть наше подальше життя. Клімат — це стан атмосфери, усереднений за період десятків років на певній території. Бурхливий розвиток термо- й гідродинаміки у XIX столітті призвів до того, що розуміння складного феномена формування погоди потребувало математичних моделей.

У роботі «Записка про температуру земної кулі й інших планет» (1827) Жозеф Фур’є (див. «Шлях тривалістю у 200 років») розглядає дуже спрощену модель для знаходження рівноважної температури, тобто теоретичної температури, яку мала б планета, що нагрівається тільки зіркою. У цій моделі Земля представлена абсолютно чорним тілом, яке обертається навколо Сонця. Розрахунки показали, що кількість сонячного тепла, яке отримує наша планета, виявляється недостатнім, щоб пояснити температуру її поверхні. Адже вона мала б становити –18 °C, що на 33 °C менше за реальну температуру в 15 °C. Фур’є, в час якого ще не знали про інфрачервоне випромінювання, припустив, що причина — в атмосфері, яка робить нашу планету теплішою. Ці ідеї розвинув британський фізик Джон Тіндаль, який досліджував поглинання інфрачервоного випромінювання різними газами. У своїй роботі в 1859 році він з’ясував, що водяна пара, метан, а також двоокис вуглецю сильно затримують випромінювання.

Вже 1 серпня 1860 року в Times опублікували перший в історії прогноз погоди від військового офіцера й командира експедиції «Бігль» Роберта Фіц-Роя. 24 метеостанції по всій Європі обмінювалися даними за допомогою телеграфу Морзе й так створювали погодні карти, на яких точки з однаковим значенням атмосферного тиску з’єднували лінією та малювали перші «шаблони» циклонів і антициклонів.

А математичну модель для прогнозування погоди в 1904 році першим написав норвезький математик Вільгельм Б’єркнес. Зокрема він виділив сім основних змінних, які описують атмосферу: тиск, температура, густина, вологість і три компоненти швидкості вітру, а також виписав сім рівнянь. Б’єркнес навіть розробив систему чисельних методів для розв’язання даної системи рівнянь. Але рівняння все одно виявилися надто складними, щоб їх розв’язати. Далі цю ідею підхопив англійський математик Льюїс Фрай Річардсон у роботі, яку він розпочав у 1913 році, до Першої світової війни, а опублікував уже після війни в 1922-му. Він спростив рівняння Б’єркнеса, використав найповніші набори даних про атмосферу та вручну зробив розрахунок зміни тиску для двох локацій у Європі для 20 травня 1910 року. Результат, який він отримав, був нефізичним — зміна тиску за 6 год становила майже 109 мм рт. ст. Причина — рівняння все ще залишалися дуже складними й потребували спрощень і удосконалення чисельних методів. Але попри некоректний результат, метеорологи підхопили ідею Річардсона.

У 1940 році радянський математик і гідромеханік Ілья Кібель уперше отримав практичний спосіб розв’язання рівнянь гідромеханіки, який було здійснено на арифмо­метрі. Причину невдачі Річардсона вчений пояснив такою фразою: «він намагався розрахувати одночасно і випадання дощу, і шум крапель, що падають».

Навесні 1950 року на першому електронному комп’ютері ENIAC група під керівництвом математика Джона фон Неймана та метеоролога Жуля Чарні здійснила перший успішний чисельний прогноз погоди. Розрахункова сітка містила 15 на 18 вузлів (736 км), а часовий крок — до 3 год. Ця подія стала поштовхом до стрімкого розвитку чисельних прогнозів погоди. Метеоролог Джозеф Смагорінський після роботи в команді ENIAC у 1953 році у 29-річному віці обійняв посаду очільника Бюро погоди США та став піонером чисельного прогнозування погоди. У його лабораторії опинилися майбутній нобелівський лауреат Сюкуро Манабе та Кірк Браян. Результат їхньої роботи — перша модель загальної циркуляції (General Circulation Model, GCM), яка враховувала взаємодію океанів (модель Браяна) та атмосфери (модель Манабе), її опублікували в роботі «Розрахунок клімату за допомогою комбінованої моделі океан — атмосфера» (1969). Модель враховувала вертикальний рух повітряних мас і утворення крапель у верхніх шарах атмосфери. Роздільна здатність сітки цієї моделі була 500 км на 500 км по горизонталі, а по вертикалі вона містила дев’ять шарів. Через шість років за допомогою цієї самої моделі в роботі «Вплив подвоєння концентрації CO2 на клімат згідно із загальною моделлю циркуляції» Манабе отримав результат, що подвоєння кількості вуглекислого газу призведе до зростання температури трохи більш ніж на 2°C.

Відтоді чисельні моделі погоди та клімату суттєво ускладнилися, а сітки сучасних моделей мають роздільну здатність у сотні разів кращу, розрахунки здійснюють на сотні років і виконують на потужних суперкомп’ютерах. Результати цих моделей є основою для формування звітів Міжурядової групи експертів з питань змін клімату (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC). Манабе був одним зі співавторів звітів IPCC, а сама організація у 2007 році отримала Нобелівську премію миру. Тому внесок Манабе вже було відзначено Нобелівською нагородою. 

Під час роботи з комп’ютерами було здійснено ще одне цікаве відкриття. Едвард Лоренц у 1963 році розв’язував спрощенні рівняння динаміки рідини й несподівано побачив, що навіть незначні зміни початкових умов призводять до абсолютно іншої динаміки поведінки системи. Такі системи назвали хаотичними. А ефект чутливості до початкових умов — «ефектом метелика».

Тому постало запитання: чи можуть математичні моделі робити прогнози клімату, якщо невеликі відмінності поточних параметрів здатні призвести до абсолютно іншого результату? Відповідь на це запитання та методологію, як врахувати сильну мінливість погоди в кліматичних моделях, дав другий нобелівський лауреат 2021 року — німець Клаус Гассельманн. Він розвивав теорію турбулентності та зробив істотний внесок у теорію взаємодії хвиль. Саме його науковий кругозір, який поширювався далеко за межі фізики, став джерелом революційних ідей, які він заклав у свою кліматичну модель. Вона включала погодні флуктуації, а не усереднювала їх, як це робили раніше. У 1970-х у роботі «Стохастичні кліматичні моделі. Частина I. Теорія» він розробив стохастичну зв’язану систему рівнянь океан — атмосфера — кріосфера — суша, яку розділив на атмосферну складову, що швидко змінюється, та повільну кліматичну складову (океан, льодовий покрив, рослинність суші тощо).

Клаус Гассельманн продемонстрував, що погодні флуктуації впливають на клімат так само, як при броунівському русі мікроскопічні хаотичні рухи молекул впливають на випадкові рухи домішок. Ця аналогія виявилася дуже потужною в розумінні взаємодії між різними фізичними масштабами кліматичної системи. Клаус Гассельманн і далі розвивав цю ідею та розробив фільтри «відбитки пальців», що дають змогу виокремлювати впливи різних природних і антропогенних чинників на зміни глобального клімату. Результати його досліджень використовували для встановлення зв’язку між викидами вуглекислого газу людиною й підвищенням температури в атмосфері. З часом такі «відбитки пальців», спричинені діяльністю людини, ставали дедалі виразнішими, що стало причиною зростання консенсусу серед дослідників клімату.

У рамках сучасної наукової парадигми вже немає дискусій щодо причетності людини до потепління. Ми спостерігаємо за стрімким таненням льодовиків, зростанням рівня океану, збільшенням екстремальних погодних явищ. Полярні регіони Землі відіграють ключову роль у цих змінах. Розуміння взаємодії між атмосферою, льодовим покривом та океаном у полярних регіонах є критично важливим для передбачення кліматичних змін, які на нас очікують.

Українські вчені з Національного антарктичного центру та Інституту проблем математичних машин і систем НАНУ разом з колегами з інших країн світу беруть участь у великому дослідницькому проєкті Горизонт-2020 «Полярні регіони в системі планети Земля: роль місцевих та регіональних полярних процесів у зміні полярного клімату та глобальної кліматичної системи». У рамках проєкту, який розпочався та триватиме чотири роки, науковці планують здобути нові знання про фізичні процеси, що відбуваються в Арктиці та Антарктиці, а результати досліджень PolarRES стануть внеском у Стратегію ЄС щодо кліматичних дій. 

—-

Авторка вдячна доктору фізико-математичних наук, професору Володимиру Мадеричу за консультації та поради в підготовці статті.