Рис. 24. Система метеорологических спутников Земли в 2004 г.
* EUMETSAT – Европейская организация по эксплуатации метеорологических спутников
Дополняет атмосферный мониторинг система радиолокационных наблюдений (наблюдений с помощью метеорологического радиолокатора), поставляющая сведения о полях облачности и связанных с ними явлениях погоды (гроза, град, ливневые осадки и др.) в радиусе до 300 км. В нашей стране функционирует более 100 радиолокационных станций в окрестностях аэропортов и больших городов. Наблюдения по полной программе проводятся 8 раз в сутки или даже чаще (при сложной метеорологической обстановке). В результате обработки и анализа первичной радиолокационной информации получают карты облачности и явлений погоды, на которых отмечаются горизонтальные размеры и вертикальная протяженность облачности, направление и скорость перемещения облачных систем, грозовые явления.
Важные сведения о состоянии нижнего слоя тропосферы поставляют также наблюдения, организуемые на различных высотных сооружениях (мачтах, вышках, башнях). Впервые такие наблюдения были проведены в 1908 г. в Париже на Эйфелевой башне. В России одной из наиболее высоких (536 м) является Останкинская телебашня в Москве, на которой метеорологические измерения производятся на 8 уровнях высоты (от 15 до 503 м). Аналогичные наблюдения осуществляют в Обнинске (высота башни 310 м), в Хабаровске, Иркутске и Новосибирске. С помощью приборов, установленных на этих башнях, регистрируются температура, влажность воздуха, скорость и направление ветра.
В ряде стран получил распространение метод горизонтального зондирования атмосферы с помощью аэростатов (трансзондов), переносимых ветром на одной постоянной заданной высоте. Научная аппаратура аэростатов состоит из приборов, позволяющих измерять плотность, давление и температуру воздуха, напряженность электрического поля, содержание озона и других примесей. Важным достоинством трансзондов является возможность с их помощью изучать направление и скорость воздушных течений. В США и Франции разработаны специальные программы массовых запусков аэростатов совместно с искусственными спутниками Земли.
В дополнение к сети метеорологических и аэрологических станций, наблюдающих за атмосферой и тесно связанными с ней отдельными элементами поверхности суши и вод (осадки, температура и влажность почвы и т. д.), существуют другие науки о Земле, «ответственные» за мониторинг прочих составляющих климатической системы. В частности, изучением различных видов вод суши занимается гидрология. Существует сеть станций (постов), обеспечивающая гидрологические наблюдения за поверхностными (реки, каналы, озера, болота, водохранилища, оросительные системы) и подземными водами. Этой сетью руководит Государственный гидрологический институт в Санкт-Петербурге. В настоящее время гидрологический мониторинг в России ведется почти на 3000 постах. Примерно 2700 из них расположены на реках, а около 300 – на озерах и водохранилищах. Реперными (опорными) являются половина этих постов, почти неизменных в последние десятилетия. В крупных гидрологических обсерваториях имеются приборы для измерения скорости испарения воды.
Метеорологические и гляциологические (ледниковые) наблюдения ведутся на полярных станциях – стационарных и подвижных (экспедиционных). Большинство из них находится в ведении Арктического и Антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) в Санкт-Петербурге. ААНИИ ведет также исследования морей Северного Ледовитого океана с его островами и российской части побережья в Восточном полушарии. Широко известна работа станций на дрейфующих льдинах, ведущаяся в нашей стране с 1937 г. (знаменитый дрейф на станции «Северный полюс-1» четырех зимовщиков во главе с И. Д. Папаниным).
Упомянем и о наблюдениях в океане, проводимых с помощью кораблей, а также с использованием дрейфующих буевизмерителей для мониторинга состояния Мирового океана и долговременного прогноза погоды (международный проект ARGO, стартовавший в 2000 г.).
Для изучения климата обобщаются результаты всех видов метеорологических наблюдений. Первоначально вычисляются средние месячные и годовые значения метеорологических величин, и подсчитывается число случаев различных атмосферных явлений. Данные наблюдений за многолетний период подвергаются климатологической (статистической) обработке. Рассчитываются средние многолетние значения метеорологических величин, характеристики их изменчивости и динамики (средние квадратические отклонения, корреляционные и спектральные функции и др.), составляются одномерные и многомерные статистические распределения у земли, в почве и на различных высотах в атмосфере. Эту информацию помещают в климатические и агроклиматические справочники. Она используется для исследования климата, его изменений и проверки моделей климата. Систематические обобщения радиолокационных и спутниковых наблюдений, увы, отсутствуют, несмотря на наличие большого материала. Однако выполнен ряд научных работ по данным этих наблюдений, например построены карты облачности по миру, ледовых полей в Арктике, полей осадков и др.
Теперь о мониторинге факторов, формирующих климат. Наблюдения за такими факторами и их анализ приобретают сегодня особое значение, так как их состояние и изменения определяют характер и время наступления ожидаемых изменений климата атмосферы и у земной поверхности. Ранее мониторинг наиболее важных из этих факторов (содержания основных парниковых газов в атмосфере, температуры поверхности океана, радиационных свойств подстилающей поверхности) вообще не проводился. Наблюдения за солнечной радиацией и аэрозольной мутностью атмосферы велись на ограниченном числе станций, их результаты редко использовались в климатических исследованиях. Время от времени проводились экспедиционные обследования материковых и горных ледников, измерения же площадей снежного покрова и морских льдов в Арктике и Антарктике начались лишь недавно.
В последние десятилетия были созданы службы и системы измерений количественных характеристик основных климатоформирующих факторов, а также центры по сбору и анализу результатов. Международная сеть наземных станций по измерениям содержания парниковых газов ныне включает в себя станции разного «класса» – от больших обсерваторий до пунктов отбора проб приземного воздуха в специальные сосуды с последующим измерением содержания в них парниковых газов (производимым в централизованных лабораториях и обсерваториях). На таких станциях, расположенных на разных широтах, но в основном на островах в океане и на побережьях материков, измерения производятся 2–3 раза в неделю или даже ежедневно. Их результаты часто усредняются по месячным и сезонным периодам и направляются в банки данных, а также публикуются в специальных отчетах (например, отчетах CMDL–Climate Monitoring and Diagnostics Laboratory, США). На многих станциях измеряются также мутность атмосферы (количество аэрозолей), потоки радиации, общее содержание озона и других газов, влияющих на потоки радиации в атмосфере.
Измерения в сети наземных станций производятся с 1960– 70-х гг., и уже имеются 40–50-летние ряды данных. С начала 1970-х и в 1980-е гг. начаты измерения содержания озона в единичном столбе атмосферы (см. Словарь терминов) и концентраций ряда радиационно-активных примесей почти во всей глобальной атмосфере с помощью различных дистанционных приборов, установленных на специальных спутниках. Ряды этих данных короче, чем ряды, полученные наземными станциями, обычно хуже их точность, но зато таким образом обеспечивается почти глобальный охват всей поверхности Земли, прежде всего – океанов и полярных областей.
С помощью спутников измеряются также радиационные характеристики атмосферы и подстилающей поверхности Земли, в частности альбедо, потоки коротко– и длинноволновой радиации на разных уровнях атмосферы. Особое значение имеет спутниковая информация о состоянии и изменениях таких частей климатической системы, как поверхность морей и океанов, площади морского льда, материковые и горные ледники. Ныне с помощью спутников удается осуществлять мониторинг изменения площадей и, главное, высот поверхности ледников. Это позволяет определять, например, баланс массы льда Гренландии, районы ее роста в середине острова и таяния на его берегах, объем талой воды, поступающей в Мировой океан.
У читателя может возникнуть вопрос: если спутники – эдакие современные Фигаро – успевают и «здесь» и «там» собрать и передать на Землю обширную информацию о климате, причем объем этой информации лавинообразно нарастает, для чего зря растрачивать силы? Не целесообразно ли свернуть хлопотные и требующие немалых затрат программы измерений с метеозондов и самолетов, морских судов и телебашен? Да и наземные измерения сократить, оставив разве что реперные станции, раз уж так важны длинные однородные ряды наблюдений. Если спутники исправно поставляют всю необходимую информацию, то зачем дублировать ее из других источников? Поступить таким образом было бы крайне опрометчиво. Во-первых, спутники не могут обеспечить нас абсолютно всей информацией. Как уже отмечалось, далеко не все климатические характеристики поддаются непосредственному измерению. Для их мониторинга приходится прибегать к различным уловкам, основанным на знании физических законов. А это автоматически накладывает определенные ограничения на применимость таких уловок. Например, измерения концентрации диоксида азота NO2 (важного парникового и озоноактивного газа) производятся только при «низком» Солнце – на восходе или закате. По аналогичной причине невозможно измерить содержание озона в окрестности полюсов. Во-вторых, выход из строя спутника (а такое время от времени случается) привел бы к невосполнимой потере данных и прерыванию ряда наблюдений. Другие спутники не решают проблему замещения, поскольку, как вы помните, согласованность данных, полученных с разных спутников, далека от идеала. И, наконец, в-третьих, на спутниках существует «дрейф» приборов. Примитивный аналог такого «дрейфа» – ситуация, когда ваши часы отстают или убегают вперед. С каждым днем их показания будут все больше расходиться с истинным временем. Но если для исправления показаний часов достаточно немного передвинуть стрелки, «передвинуть стрелки» на спутниковом приборе возможно разве что в фантастических романах. С другой стороны, спутник – слишком дорогая «игрушка», чтобы забыть о ее существовании при выявлении подобного дефекта. И установить дефект, и устранить его помогают как раз наземные измерения, выполняющие функцию «эталонных» часов. Регулярное сравнение наземных и спутниковых измерений позволяет определить момент начала их несоответствия, а далее делать необходимую поправку на систематическую ошибку спутникового прибора.
Невозможно оставить без внимания еще один вид измерений. Со времени появления в Антарктиде научных станций там (а также в Гренландии) проводится изучение проб льда (ледовых кернов), извлеченных с многометровых, а теперь уже даже километровых, глубин. Этот лед содержит пузырьки воздуха, оказавшиеся «законсервированными» еще с тех пор, когда данный пласт льда находился на поверхности и соприкасался с атмосферой. Современный анализ пузырьков и их ледового «контейнера» позволяет определить состав атмосферы того периода, концентрацию некоторых компонентов воздуха, а также его былую температуру. Но если такие измерения отличаются вполне удовлетворительной точностью, то о возрасте самого ледового керна судить по ним весьма затруднительно. Сколько раз путешествующие «в глубь веков» герои фантастических романов «промахивались» на один – два века, оказавшись не в той эпохе, в какой ожидали. Таков же удел полярников, совершающих «визит» в глубь льда, а по сути – в глубь времен, причем чем «длительнее вояж», тем труднее установить, «в какое время» они попали. Может возникнуть вопрос: зачем вообще нужны такие измерения: ценных рядов из них не составишь, какой эпохе они соответствуют, непонятно и пр. Как уже говорилось выше, палеоизмерения – наш единственный шанс докопаться до ответа на вопросы, связанные с эволюцией климата планеты, ее причинами и механизмами. Даже сохранившиеся хроники не содержат (и не могли содержать!) количественных характеристик былых природных явлений. Так, количественно оценивать температуру люди начали, по историческим меркам, недавно, с 1724 г., когда была впервые введена температурная шкала Фаренгейта (уже позже появились температурные шкалы Реомюра – в 1730 г.; Цельсия – в 1742 г. и Кельвина – в 1848 г.). Так что, случись какой-либо термический катаклизм даже в Средние века, его отголоски дошли бы до нас в летописях сообщениями типа «этот год был дюже холоден».
Накопленная на сегодняшний день информация во всем ее многообразии позволяет более или менее полно судить о состоянии климата в настоящем и отчасти в прошлом. Однако, разумеется, она не может ответить на вопрос, как будет меняться климат в будущем.
Единственным инструментом, способным оценить, какие изменения климата грядут, являются климатические модели. И от качества таких оценок, а главное, выводов, сделанных на их основе, зависит направление развития мировой политики и экономики (вспомните бурную полемику, развернутую вокруг подписании Киотского протокола, ограничивающего выбросы в атмосферу парниковых газов), а также здравоохранения, комплекса природоохранных мероприятий и много другого, определяющего нашу с вами жизнь.
Глава девятая Гадание по… науке
Модельные исследования климата
Задавались ли вы когда-нибудь вопросом: «Для чего существует та или иная наука, какова ее “сверхзадача”? Химия? Физика? Математика? Проведи мы такой опрос, уверены, мнения бы разделились. С климатологией в этом плане дело обстоит намного проще. Основное ее предназначение – в ответе на вопрос о климате в будущем. Обычному человеку нет дела до того, что было с климатом двадцать (сто, тысяча…) лет назад, да и климат сегодняшний (ведь его уже не изменишь!) интересен лишь через призму его грядущих изменений. Тут и извечное человеческое любопытство («что там ждет впереди?») и вполне прагматичный расчет: на предполагаемые изменения есть время адекватно отреагировать («предупрежден, значит, вооружен»).
Под решение объявленной «сверхзадачи» выстроена структура современной климатологии (да простят нас коллеги – метеорологи, гидрологи и др., это нисколько не принижает значимость их труда). Всесторонние измерения дают нам представление о прошлом и настоящем климата Земли. Анализ их результатов позволяет определить и оценить причины климатических пертурбаций. А знать эти причины нужно именно для того, чтобы правильно предсказать, как под их «патронажем» изменится климат в будущем.
Известный швейцарский физик В. Паули (1900–1958) шутил, что когда он предстанет перед Богом, то спросит Всевышнего о двух вещах: об уравнении объединения всех физических полей и об описании атмосферных процессов и будто бы услышит в ответ: «Уравнение – пожалуйста, а вот в атмосферных процессах я и сам ничего не могу понять». Львиная доля этой шутки приходится на истину.
Скажем прямо: абсолютно точно учесть протекающие в атмосфере и океане взаимовлияющие друг на друга процессы во всем многообразии и даже просто их пересчитать вряд ли возможно. Однако впадать по этому поводу в пессимизм все же не стоит. Лишь сравнительно небольшое количество таких процессов решающим образом сказывается на глобальном климате Земли. Остальные же участвуют только в формировании климата регионального (например, падение содержания озона над Антарктидой каждой весной, разумеется, проявляется при формировании антарктического климата, но неощутимо для климата, скажем, Евразии). Таким образом, если мы сможем корректно учесть вышеупомянутые основные процессы (а их список более или менее хорошо известен), то получим качественно правильную общую картину формирования глобального климата. Но для того чтобы эта картина оказалась более подробной и достоверной, придется заметно расширить набор учитываемых процессов, тем самым многократно осложнив себе задачу. Решать подобные задачи стало возможным только с появлением мощной вычислительной техники, позволяющей создавать сложные комплексные климатические модели и проводить огромный объем модельных вычислений.
Однако между словом и делом здесь дистанция огромного размера. Практически каждый из нас, вооружившись справочниками и внимательно прочитав воспоминания бывалых альпинистов, может вполне квалифицированно рассказать, как надо покорять Эверест, но многие ли в состоянии подкрепить свой рассказ личным примером? В который раз уже приходится констатировать чрезвычайную сложность климатической системы.
Даже если самонадеянно предположить, что нам известны все без исключения климатообразующие механизмы и их количественный вклад в изменение климата, то итоговое его изменение не есть результат механического сложения всех упомянутых вкладов (согласно принципу Ле Шателье, итоговое изменение всегда меньше такой «механической» суммы, но вот насколько меньше?). «Собака зарыта» в огромном количестве положительных и отрицательных обратных связей, где-то усиливающих, где-то ослабляющих действие основных климатообразующих механизмов. Учесть все их хитросплетения значительно сложнее, чем, к примеру, успешно противостоять в лесу туче мошкары, вознамерившейся одновременно атаковать каждый квадратный сантиметр твоего тела. Для ревнителей абсолютно точных решений ситуация безысходная, но если удовлетвориться решениями приближенными, все складывается гораздо оптимистичнее. Для этого нужно «всего-то» создать модель, правильно описывающую основные процессы и явления в их взаимодействии. Согласно словарю иностранных слов, «модель – схема, изображение или описание какого-либо предмета, явления или процесса в природе и обществе, изучаемые как их аналог».
Существуют две разновидности климатических моделей – аналоговые (статистические) и детерминистские. Аналоговые модели используют архивы данных измерений климатических элементов (температура воздуха, воды и почвы, скорость и направление ветра, интенсивность осадков, тип и балл облачности и др.) в данной области в течение продолжительного времени. Это «черный ящик», в котором устанавливаются статистические связи между «входящими» изменениями климатоформирующих факторов (обычно в большом регионе) и «выходящими» климатическими элементами в какойто его части или в отдельной точке – на метеостанции. Например, установив скорость увеличения приземной температуры Западной Сибири в период 1976–2010 гг. (см. прямую на рис. 2) и предположив, что она и далее будет расти с той же скоростью, мы легко определим ее значение в г. Омске в 2030 или 2040 г. По своей сути аналоговые модели являются диагностическими, т. е. численно отражают существующее и зафиксированное измерениями положение дел, но они мало пригодны для прогнозирования и «работают» только при сохранении связей в климатической системе региона в рассматриваемый период времени.
Приведем «гастрономическую» аналогию. Положим, вам предстоит отсутствовать пять дней. Дома остается ваш достаточно взрослый ребенок, который обожает сосиски и в среднем за обедом съедает по три штуки. Спрогнозировав расход, вы оставляете в холодильнике 15 сосисок. Если размеренный уклад жизни вашего чада сохранится – всё в порядке. А если условия хозяйствования поменяются? И отсутствие родительского контроля повлечет за собой повышенную активность, а с ней – усиление среднестатистического аппетита до размера волчьего?