Сучасний підхід у прогнозуванні кліматичної мінливості
© Getty Images
Вперше за довгий час лауреатами Нобелівської премії з фізики 2021 року стали діячі науки в галузі кліматології та чисельного моделювання стану атмосфери
Незважаючи на стрімкий розвиток техніки та вдосконалення обладнання, на сьогоднішній момент ми не можемо з достатньою точністю спрогнозувати, якою буде погода хоча б через 5 – 7 днів, але з певною впевненістю можемо говорити про тенденції зміни клімату на роки вперед. І це не парадокс чи якась прогалина у нашому розумінні природи. Чому це так, розібралися лауреати Нобелівської премії з фізики у 2021 році. Вона дісталася трьом вченим: половина пішла Джорджо Парізі (Giorgio Parisi) - за відкриття взаємозв'язку безладдя та коливань у фізичних системах від атомного до планетарних масштабів, решту дві чверті розділили між собою кліматологи Сюкуро Манабе (Syukuro Manabe) і Клаус Хассель за фізичне моделювання клімату Землі, кількісну оцінку мінливості та надійне прогнозування глобального потепління.
Атмосфера Землі є відкритою та нерівноважною системою. У ній одночасно протікає безліч процесів на різних часових і просторових масштабах. Вони визначаються величезним числом параметрів: інтенсивністю сонячного випромінювання (інсоляцією), хімічним складом, відбивною здатністю поверхні (альбедо) і так далі. Звідси й випливають основні складнощі з прогнозуванням її поведінки на найближчі часові інтервали, тобто побачити якісь закономірності, яких здавалося б немає на перший погляд.
Також читайте
Більшість наукових праць Джорджо Паризи, який отримав половину премії, присвячена взаємодії між елементарними частинками, особливо вивченню хромодинаміки та опису сильної ядерної взаємодії. Зокрема, він запровадив особливу метрику, яка описує безлад (захід хаосу) у будь-якій окремо взятій системі, та знайшов принципово новий підхід. Виявилося, що така метрика може бути застосована для нерівноважних систем будь-яких масштабів. Такою і є кліматична система Землі (планетарний масштаб). Як заявив Паризі: зрозуміти ліс, споглядаючи окреме дерево – неможливо. Порядок простежується лише на відповідному масштабі і йому не заважає хаос рівнем нижче. Тому шукати закономірності і в турбулентності, і в погоді можна — але не на рівні визначення цих безладів, а на рівні статистики та їхнього співіснування у загальному ансамблі.
Інші лауреати, які займалися фізикою атмосфери, вирішили поглянути питання пошуку закономірностей в безладних нерівноважних системах, максимально узагальнюючи. Сюкуро Манабе подивився на динаміку атмосфери і гідросфери на Землі не як на послідовність окремих станів погоди, що змінюють один одного, а як на єдину глобальну систему. З такої точки зору стає зрозумілою різниця між кліматом та погодою. Якщо уявити клімат як ліс, то є якийсь гіпероб'єкт, що існує в масштабі планети та темпі десятиліть. То для нього немає ні днів, ні погоди. Він просто змінюється – повільно та рівноважно. А погода – це окреме дерево. Властивості сусідніх дерев (погоди сьогодні, вчора та позавчора) явно перебувають у якомусь відношенні одне до одного, але природу цієї залежності, переходячи від дерева до дерева, зрозуміти неможливо.
Вибратися на той рівень, де вона стане зрозуміла, можна, відвівши погляд від погоди, як безладного шуму і перевівши його на клімат. Шум погоди заважає вивчати клімат. Але цей шум має періодичну складову — щоденні та сезонні коливання з різною періодичністю, а також стохастичну складову — тобто прямий наслідок нерівноважності системи, яка й ускладнює прогнозувати погоду 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 та хімічним складом атмосфери (основні фактори клімату). Все це зовсім не годиться для прогнозування погоди на завтра або на найближчі 2-3 дні, проте дозволяє зрозуміти, як розвиватиметься клімат загалом. Фізик побудував одну за одною кілька математичних моделей, дедалі більш складних за своєю структурою. У результаті, він першим ще в 70-х роках XX століття чисельно довів відгук кліматичної системи на зміну концентрації парникових газів, особливо вуглекислого газу та метану.
Клаус Хассельман, третій нобелівський лауреат, ступив ще далі. Спираючись на дані моделювання Манабе та деякі теоретичні викладки Паризі, він пов'язав два кліматичні масштаби один з одним: випадкові флуктуації погоди з повільною та детермінованою глобальною динамікою клімату і отримав т.зв. стохастичну теорію клімату, яка пояснила спектри багатьох кліматичних змінних та була використана у багатьох сучасних кліматичних моделях.
У розрахунках Хассельман показав, як випадкові флуктуації погоди впливають кліматичну систему. Зв'язавши між собою динаміку зміни «повільного» клімату та «швидкої» погоди, фізик встановив, що таку систему можна розглядати в термінах броунівської динаміки. З іншого боку, Хассельман запровадив метод т.зв.«відбитків пальців» (fingerprinting), що дозволяє серед безлічі природних факторів виділити антропогенні, що впливають на динаміку глобальної температури та клімату в цілому. Таким чином, вдається моделювати поведінку кліматичної системи з урахуванням втручання діяльності. Це дозволяє будувати довгострокові погодні прогнози.
Церемонія нагородження лауреатів запланована на 10 грудня. Однак через пандемію, викликану коронавірусною інфекцією COVID-19, пройде онлайн. Окрім нобелівських медалей, лауреати премії отримають 10 мільйонів шведських крон на всіх (близько 30 млн. гривень).
Автор: Ігор Кібальчич, кандидат географічних наук, синоптик.
