Интегральная модель климата

В атмосфере возникают многочисленные области циклонов или антициклонов. Мы легко можем представить себе метеорологическую карту, испещренную витиеватым узором линий, овалов, кругов. Мы много раз видели нечто подобное на экранах телевизоров. Теперь же ученые убедились, что в океане так же сложно распределяются области течений и водоворотов. Их чересполосица остается скрыта от наших взоров...

Итак, на поверхности моря волны бегут в одну сторону, а в его глубине — в другую. Под действием силы Кориолиса оба этих течения — глубинное и поверхностное — отклоняются в сторону, образуются водовороты. Если в данном месте на поверхность моря поднимаются потоки холодной воды, они остужают воздух и возникает циклонический вихрь, если теплой — формируется область антициклона (все зависит от местных атмосферных условий).

Итак, можно уверенно заявить, что роза ветров в этом районе меняется: воздушные потоки усиливаются или слабеют. Дело клонится к штилю или буре. Подобные процессы очень сложны.

Н.Н. Непомнящий. Сто великих загадок природы

От нерешенных задач исследования космической погоды и ее влияния на земную жизнь лежит прямой путь к составлению интегральных моделей климата Земли. Эта не решенная еще задача науки также, судя по всему, должна учитывать вариации солнечной активности, но это проблема отдаленного будущего, а пока следует сосредоточиться на «суперпозиции» моделей гидросферы и тропосферы.

Итак, уже ясно, что и погода, и климат определяются дыханием Мирового океана. И чтобы окончательно найти все глобальные атмосферные механизмы, лежащие в основе этого, метеорологи, гидрофизики и гидрологи уже много десятилетий проводят многолетние исследования. Помогает им весь арсенал современной науки и техники — от флотилий разнообразных научно-исследовательских судов до орбитальных гидрометеорологических обсерваторий. Собранные данные по идее должны позволить когда-нибудь составлять прогнозы погоды на несколько лет вперед. Впрочем, об этом уже много рассказывалось в предыдущей главе.

Сейчас же обратим внимание на ту роль, которую играет в схемах моделирования климата поведение океанов и атмосферы. На этом пути был достигнут большой успех, когда удалось предсказать приближение «Эль-Ниньо». Это очень необычное океанское течение, сравнимое с Гольфстримом, неожиданно возникает раз в несколько лет и так же неожиданно исчезает. Его появление, как правило, возвещает резкие климатические изменения: Северную Австралию и Юго-Восточную Азию охватывает засуха, а на Южную Америку обрушиваются мощные ливневые дожди. Трудно поверить, но в данном случае ученые четко спрогнозировали этот катаклизм более чем за год до его начала.

Этот пример убедил многих скептиков, что климатические исследования планетарной акватории вполне могут привести к достоверным долгосрочным прогнозам. Так в 90-х годах прошлого века родилась интернациональная программа гидрометеорологических исследований под претенциозным названием «Эксперимент по циркуляции Мирового океана». В ходе реализации этого проекта ученые из 30 стран мира уже 15 лет всесторонне изучают морскую и океаническую часть гидросферы. Надо признать, что никогда прежде наука не уделяла столько внимания водной оболочке нашей планеты, и это уже дало свои плоды — многократное увеличение информации.

Еще не так давно в научной среде бытовало мнение, что Мировой океан, несмотря на отдельные штормы, в целом являет собой нечто неизменное, неторопливое и спокойное. Его приливы и отливы медленно и равномерно накатывают прибрежные волны, повторяя одну и ту же картину изо дня в день, из года в год, из столетия в столетие. Однако эту модель, описывающую поведение 2/з земной поверхности, в конце концов решительно отвергли гидрологи и гидрофизики.

В новой концепции эволюции Мирового океана[1] нет места никакому однообразию и постоянству. Согласно современным воззрениям, моря и океаны интенсивно меняются у нас на глазах, но мы этого просто не замечаем. Именно такой представляют себе ученые глобальную модель гидросферы — включающей высокую изменчивость океанических процессов.

Все дело в масштабах океанических явлений, хотя практически все происходящие в гидросфере процессы гидрологи и геофизики научились моделировать в ограниченных лабораторных емкостях — гидродинамических бассейнах. Здесь можно построить самую сложную береговую линию, мощные насосы формируют аналоги морских течений, а специальные виброустановки создают небольшие волны от мертвой зыби до миниатюрного штормового шквала. Однако есть и трудномоделируемые факторы, например инерционная сила Кориолиса, вызванная вращением Земли вокруг своей оси. Любое волнение на океанских просторах повинуется действию и этой силы — волны и любые течения отклоняются от прямой линии. В Северном полушарии они поворачивают вправо, в Южном полушарии — влево.

В гидродинамическом бассейне моделируемое волнение, когда достигает преграды, например стенки бассейна, отражается от нее и накладывается на отставшие волны. Получается сложная волновая картина, которая хорошо известна в физике колебаний как интерференция. Между тем в морях и океанах необозримые волновые фронты ведут себя совершенно иначе. Достигнув суши, они просто огибают берега, а вблизи экватора неожиданно поворачивают в открытое море.

Намного сложнее описать взаимодействие гидросферы и тропосферы. Представим себе вполне идиллическую картину неохватной водной глади вдали от берегов, когда лишь легкий бриз струится вдаль, монотонно, за счет поверхностного трения подгоняя перед собой мелкие волны. Но вот вдали замаячил берег, и тихие волны сразу же превратились в шумный прибой, набегая друг на дружку и сбиваясь в пенные гребни. Океан как бы становится на дыбы вблизи препятствия и его уровень неожиданно поднимается в среднем более чем на 1 м. Здесь, у берега, образуются своеобразные подводные водопады и гигантские массы воды, скопившиеся под напором волн. Под давлением водной толщи в глубине возникают «обратные» или «откатные» морские течения.

Большую проблему в составлении интегральных моделей климата представляет отсутствие детальных карт морского рельефа, ведь для электронного моделирования требуются точные карты, составленные не по реперным точкам и отдельным линиям, а по большим площадям. Здесь большое значение имеет разработка сканирующих многолучевых эхолотов, охватывающих рельеф дна шириной в десятки километров. Эффективен и метод акустической голографии, который позволил изучить важные детали дна Мирового океана.

В наступившем XXI столетии междисциплинарные творческие коллективы ученых уже существенно продвинулись в теоретической разведке подходов к составлению интегральной модели климата. При этом широко изучается гидрофизика океана, в частности удивительные морские синоптические вихри, напоминающие атмосферные. Ученые отказались от прежнего представления океанских течений в виде широких, полноводных и глубоких потоков. В действительности морские течения больше напоминают сплетение вихрей, насыщенных громадной энергией. Такое представление позволяет составить целый ряд физико-математических моделей, прогнозирующих вихревую активность гидросферы. После синоптических были открыты и так называемые фронтальные вихри, закручивающие колоссальные объемы жидкости в спиральные течения. Подобные вихри были найдены вблизи всех главных течений Мирового океана: Куросио, Северо-Тихоокеанского, Гольфстрима. Только теперь океанографы узнали, почему раньше так трудно было выяснить точную траекторию Гольфстрима. Оказывается, это глобальное течение, начинающееся в Мексиканском заливе, разветвляется у берегов Европы на множество вихревых потоков, образуя своеобразную дельту.

Кроме масштабных глубинных процессов в гидросфере были открыты многочисленные, отличающиеся по структуре локальные глубинные противотечения и турбулентности в приповерхностных слоях океана, а также микротечения в системе тонкослойных придонных течений, вызванные изменчивостью солености и температуры. Большой объем информации получен о так называемых внутренних морских волнах, возникающих при вертикальной неустойчивости водных слоев в результате перепадов плотности воды.

Так последние гидрофизические исследования во многом изменили традиционные представления о вертикальной и горизонтальной рециркуляции водных масс в Мировом океане. Сейчас одной из главных задач остается анализ механизмов поверхностного волнения. Может быть, уже вскоре появятся единые модели поведения поверхности Мирового океана, включая штормы всех степеней, мертвую зыбь и полный штиль.

Для решения всех этих задач, сводящихся так или иначе к составлению интегральной модели климата, сегодня задействованы океанологические спутники, гидрологические суда и международная глобальная сеть плавучих автоматических станций, с помощью которых океанографы получают регулярную информацию о состоянии морей и океанов. Все это в сочетании со схемой сбора данных с помощью глобальной сети метеостанций наконец-то позволит выяснить, какие блюда готовит нам Мировой океан в своей кухне погоды.

Современное гидрологическое оборудование включает многочисленные автоматические приборные станции стационарного и мобильного исполнения. Эти новейшие модели плавучих буев собирают множество данных о параметрах подводных течений за долгий период, погружаясь на определенную глубину и дрейфуя. Периодически они всплывают и выходят на связь с метеоспутниками, после чего снова погружаются в глубину и продолжают вести наблюдения за подводными течениями. Не менее обширные массивы данных поступают с самих метеоспутников, которые за несколько месяцев обследуют обширную акваторию, следя за движением волн, поверхностных течений и температурой воды.

Для построения интегральной модели климата необходимо всю гидросферу разбить на ячейки, содержащие набор параметров, характеризующих состояние той или иной ее точки и разместить их в узлах пространственной сетки. Затем надо составить набор уравнений, описывающих, как и в какие моменты времени одни ячейки пространственной сетки влияют на состояние соседних с ними точек.

Очевидно, что решить такую систему уравнений совсем не просто, и единственный выход — обработать данную математическую модель на мощной электронно-вычислительной системе. Только так можно получить весьма приближенный оптимальный машинный алгоритм, позволяющий вычислять с учетом введенных начальных и граничных условий, что может происходить с погодой в определенный момент времени.

Сейчас самый большой электронный обсчет интегральной климатической модели ведется в отношении гипотезы глобального потепления. Исходным пунктом развития ситуации было выбрано таяние Гренландского ледникового щита и сильное опреснение окружающих вод.

Интегральная модель климата тут же предсказала сильные нарушения глобальной циркуляции морских течений, в частности Гольфстрима, который начнет замедляться, а затем и вовсе прекратит свое существование. Это отразится на средней температуре в Европе, которая понизится до Ю °С. В Гренландии начнется обратный процесс стремительного роста ледников, которые вместе с арктическими льдами будут стремительно продвигаться на юг. В конце концов сильно похолодает во всем Северном полушарии. Даже на Аравийском полуострове средняя температура воздуха упадет на несколько градусов. В дальнейшем, по мере восстановления ледникового щита Гренландии, ситуация начнет стабилизироваться, и в течение пары столетий Гольфстрим полностью восстановит свое течение. Впрочем, Мировой океан так велик, а наблюдениями пока еще охвачена лишь малая его часть. Для повышения точности подобного электронного моделирования требуются обширные компьютерные интерполяции.

В соответствии с интегральной моделью климата гидросфера нашей планеты играет роль глобального климатического регулятора, поскольку вода обладает высокой теплоемкостью. В природе при охлаждении крупных водоемов, морей и океанов накопленная в воде теплота поступает в окружающее пространство, сглаживая большие перепады температур воздуха зимой и летом.

Различные компьютерные модели климата показывают, что похолодание и потепление часто балансируют вблизи некоторого равновесия, но каждое сильное возмущение в тропосфере или гидросфере нарушает эту стабильность. Нет сомнения, что климат сейчас как-то изменяется в результате деятельности человека, и на гидросферу нашей планеты действует множество трудно учитываемых факторов искусственного происхождения. Например, разработка шельфа Мирового океана приводит к массовым выбросам нефти и газа, меняются местные течения. Между тем до сих пор достоверно не известно, как нефтяная пленка изменяет поглощение углекислого газа водной поверхностью и как десятки, если не сотни малых океанических течений влияют на возникновение такого грандиозного природного явления, как Эль-Ниньо....

Грядущие изменения климата на нашей планете описываются десятками гипотез, изложенных в сотнях обширных научных работ, где климатологи, геофизики, гидрологи и метеорологи рисуют нам погодные картины ближайшего и далекого будущего. Тут можно встретить самые разные сценарии климатических изменений, но во всех случаях учет определяющего влияния Мирового океана бесспорен. Пока еще неясно, что нас ждет впереди: влажная духота теплой Гондваны или пронзительные снежные вихри нового ледникового периода? Ясно только одно: некие глубинные процессы в земной гидросфере уже определили глобальные изменения атмосферы, и климат на нашей планете начал меняться. Понятно и то, что как-то воздействовать на процессы перераспределения тепла в планетарном масштабе человечество сможет далеко не скоро, поэтому главная задача сегодняшнего дня — это всестороннее изучение важнейшей составляющей земной гидросферы — Мирового океана.

Мы пока далеки от понимания всех многоуровневых связей гидросферы и тропосферы. Эти связи иногда объединяют в новое междисциплинарное понятие «климатосфера», которое позволяет проследить все взаимосвязи сложных процессов, начинающихся на Солнце и продолжающихся в глубинах Мирового океана. Однако сам факт создания интегральных климатических моделей показывает, что человечество близко подошло к порогу активного воздействия на природу. Ради этого множество климатологов, геофизиков, гидрологов и метеорологов несут вахту в Арктике и Антарктике, на высокогорных ледниках и дрейфующих льдах и даже на космических орбитах.

  • [1] Мировой океан — основная часть водной оболочки Земли, составляющая 94,1 %всей ее площади. Океан окружает материки и острова и характеризуется общностью солевого сос тава. Континенты и архипелаги разделяют Мировой океан напять больших частей (океанов): Атлантический, Индийский, Северный Ледовитый. Тихий и Южный.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >