Двое из трех лауреатов Нобелевской премии по физике этого года – климатологи. Это не первая в истории Нобелевская премия за деятельность, имеющую отношение к климату, но первая, когда отмечены ученые, непосредственно изучающие физику климатических изменений.
В этом году Нобелевская премия по физике была присуждена за "новаторский вклад в наше понимание сложных физических систем". Ее разделили три лауреата: Джорджио Паризи, Клаус Хассельман и Сюкуро Манабе. Итальянец Паризи – известный теоретический физик, прославившийся работами в области квантовой хроматографии, а позже увлекшийся тематикой так называемого спинового стекла – "хаотического" материала. Работы Паризи относятся к фундаментальной теории сложных систем.
А вот Клаус Хассельман и Сюкуро Манабэ – климатологи, область их научных интересов – математические модели, описывающие изменение одной конкретной сложной системы, климата Земли. Эти ученые заложили основы моделирования климата, предложенным ими подходам уже более 40 лет. Именно за их разработку Манабэ и Хассельман стали лауреатами Нобелевской премии по физике этого года.
О самих лауреатах, их работах и роли предложенных ими моделей в современном понимании климатических изменений Радио Свобода рассказал метеоролог, кандидат географических наук, доцент МГУ имени М.В. Ломоносова Павлел Константинов.
Человек с толстой тетрадью и связь погоды с климатом
– Я, можно сказать, нахожусь на расстоянии одного рукопожатия и от Манабэ и от Хассельмана, так как работаю в той же области и многие мои старшие товарищи с ними знакомы по проектам и конференциям. Мой научный руководитель, заведующий кафедрой метеорологии и климатологии географического ф-та МГУ имени М.В.Ломоносова профессор А.В. Кислов приводил нам в пример поведение Манабэ на конференциях, как идеальный стандарт работы. Манабэ сидел на конференциях с большой пухлой тетрадью и записывал в нее все, что казалось ему интересным из докладов от первого до последнего, не делая разницы между директорами институтов и аспирантами. По свидетельствам людей, работавших с ними непосредственно, они настоящие корифеи, живые классики нашей науки, при этом демократичные и очень скромные. Сами они никогда своих заслуг не подчеркивали.
Сюкюро Манабэ
Нобелевский комитет расставил фамилии лауреатов в порядке возрастания сложности в процессах, которые они изучали, и фамилия Манабэ идет перед фамилией Хассельмана. Если Манабэ использовал четкие и понятные уравнения движения, то Хассельман занимался хаотичными процессами. Манабэ впервые в мире создал работающий прототип модели реальной климатической системы, в которой были учтены все основные факторы. А Хассельман связал погоду и климат. Он с помощью модельных экспериментов и статистического анализа показал, как погода превращается в климат. Приведу пример, например, мы, глядя в окно, легко можем выбрать, что нужно надеть сегодня и не ошибемся: для дождя – плащ, для снега – пальто. Но когда сезон закончится, мы не всегда можем сказать сколько в нем было сухих дней, а сколько раз шел дождь или снег. И уж тем более не можем сравнить нынешний прошедший сезон с аналогичными сезонами за последние десять-двадцать-тридцать лет. Хассельман сумел показать, как погодная изменчивость влияет на климат. И при этом он ориентировался на модели Манабэ.
БОЛЬШЕ ПО ТЕМЕ: «Планета нагревается»: можно ли остановить глобальное потеплениеПочему именно климатологи?
До сих пор было несколько Нобелевских премий, которые затрагивали климатологию, но они прошли как бы, как очень точно подметил российский климатолог Александр Чернокульский, "по касательной" к нашей науке. Премия по химии 1995 года была вручена Паулю Йозефу Крутцену, нидерландскому специалисту по химии атмосферы за исследование озоновых дыр. Премия мира 2007 года была разделена на две равные части между Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК/IPCC) и Элом Гором "за их усилия по сбору и распространению знаний об антропогенном воздействии на изменение климата и определению основных принципов, которые необходимы выполнять для противодействия таким изменениям". В 2018 году премию по экономике разделили Пол Ромер и Уильям Нордхаус. Эти два ученые получили премию за интеграцию проблем изменения климата и технологических инноваций в долгосрочный макроэкономический анализ. А сейчас премия была дана за исследование атмосферных и океанологических процессов – то есть за климатологию в чистом виде. И это впервые. И это безусловно признание огромного значения нашей науки.
Мы, конечно, не знаем мотивы Нобелевского комитета. Но общая их стратегия такова: не все достойные получают эту премию, однако те, кто получает, точно являются достойными. И в этом конкретном случае премия действительно заслуженная. Причем, как выразился заведующий лабораторией взаимодействия океана и атмосферы Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН Сергей Гулев, заслужена она на все 200 процентов.
Кроме того, я предполагаю, что при выборе лауреатов сыграло роль также и то обстоятельство, что в этом году Манабе уже исполнилось, а Хассельману через две недели исполнится 90 лет. Они – ровесники, оба родились в 1931. И Нобелевский комитет безусловно осознавал, что наступила пора отметить их заслуги. Если бы осознание значимости этого направления пришло на 20 лет раньше, то, возможно, к нынешним лауреатам присоединился бы еще один исследователь – русский ученый Михаил Иванович Будыко, человек, который тоже стоял у истоков нашей науки. Но он был на 10 лет старше нынешних лауреатов и, к сожалению, скончался в 2001 году, не дожив до такого признания.
«Меняйте страну, а не климат»: в мире прошел Глобальный экологический страйк (фотогалерея)
Что такое модель
Если бы я говорил с бизнесменом или техническим специалистом, я бы сказал, что модель – это цифровой двойник, то есть некие явления, факторы, параметры, представленные в виде цифр. Например, в жизни мы говорим ветер сильный или слабый, а в модели мы должны присвоить ветру количественную оценку. Если бы я говорил с подростком, то я бы сказал, что модель – это виртуальная реальность, которая воспроизводит то, как живет наша планета. Детям такое определение очень понятно, они играют в компьютерные игры и с виртуальной реальностью хорошо знакомы. Мы в любой момент можем в этой виртуальной реальности что-то подкрутить и посмотреть, что из этого получится. Например, мы увеличиваем или уменьшаем в модели количество углекислого газа и смотрим, какой будет результат, то есть как это повлияет на климат: температуру, влажность, распределение осадков и так далее. Это очень похоже на то, что происходит в виртуальной игре.
Как все начиналось
Манабэ и Хассельман, похоже, никогда вместе не работали. Но, конечно же, каждый из них хорошо знал о достижениях и наработках другого благодаря научным статьям и конференциям. Оба начали свой научный путь в конце 50-х годов ХХ века, когда уже имелся ресурс вычислительной техники, необходимый для их исследований.
Идея прогнозировать погоду и климат при помощи математических формул к тому времени была уже не нова. Еще в 1922 году вышла знаменитая работа английского математика и метеоролога Льюиса Фрая Ричардсона, в которой он впервые в мире предложил перевести погоду на язык математики. Для этого он разбил весь земной шар на большие клетки и описал динамику циркуляции атмосферы для каждой клетки в отдельности. Более того, он даже описал и нарисовал "фабрику прогнозов" - некую гипотетическую лабораторию, в которой процессы в разных точках земного шара вычисляются отдельно для разных уровней, а потом сводятся в одну общую глобальную картину. По сути это было описание компьютерного моделирования еще до его появления. В его "фабрике прогнозов" моделирование осуществлялось не с помощью компьютера, а вручную. Конечно, первые попытки прогноза погоды были практически искусством ради искусства – слишком сложна кухня погоды, чтобы описать ее с помощью одних только арифмометров. Практического применения эти попытки не имели. Во-первых прогноз погоды на 12 ближайших часов требовал для расчета одной или полутора недель, полностью теряя свою актуальность и практический смысл. А во-вторых, неизбежные вычислительные ошибки приводили к неточности самого прогноза.
А в конце 50-х годов начался лавинообразный прогресс вычислительной техники, что позволило вернуться к предсказаниям погоды уже на новом уровне. Идеи Ричардсона были возрождены и в Америке и в Европе. С этого момента и начался век климатологии, а также океанологии и метеорологии, как ее составляющих, которые строятся на вычислительных моделях. Первые модели считались на компьютерах, мощность которых была меньше, чем мощность наших современных смартфонов. Но для того времени это были суперкомпьютеры. И оба нынешних нобелевских лауреата, и Манабэ и Хассельман, вошли в эту реку с самого начала. Это был очень правильный момент: они не ждали, но и не опоздали. И это безусловно сыграло роль в формировании их научных воззрений и возможности оставить такое обширное научное наследие.
БОЛЬШЕ ПО ТЕМЕ: О потеплении с оптимизмомРазвитие моделей
Первые компьютерные модели писались на том же языке, что и сейчас - на фортране (FORTRAN – Formula Translator). И эти первые модели являются предками всех современных моделей, которыми мы сейчас используем.
Еще до климатических моделей Манабэ русские ученые Михаил Будыко и Джозеф (Иосиф) Смагоринский создали модели в которых они рассчитали перераспределение солнечной радиации, и эффект альбедо – отражения солнечной энергии от поверхности земли. Уже с помощью этих моделей можно было количественно изучать определенные аспекты формирования климата. Но это первое моделирование могло предложить ответы только на отдельные очень специальные вопросы, хотя и очень важные. А Манабэ создал модели, в которых впервые появилась возможность учитывать водный баланс – выпадение осадков и изменение влажности воздуха. То есть его модели соединили температуру, солнечную радиацию и влажность. А это уже те параметры, которые дают возможность предсказывать и погоду и климат. С этого момента климатическое моделирование стало более полным - оно стало воспроизводить настоящую реальную картину, хотя пока еще и не очень подробную.
Клаус Хассельман
С тех пор развитие моделирования шло по двум направлениям. Во-первых, в модели включалось все большего количества процессов. Например, сейчас можно учесть выделения тепла зданиями в результате их отопления или влияние различных видов растительности на газовый баланс атмосферы. Во-вторых, возросло пространственное разрешение. При климатическом моделированни вся поверхность Земли по-прежнему делится на клетки (специалисты называют их ячейками), как это предложил еще Ричардсон. Но размеры этих клеток стали намного меньше. Если в первых моделях длина стороны ячейки составляла 5 градусов широты, а это приблизительно 556 км, то в современных моделях длину стороны ячейки можно сократить до первых километров, а иногда и до сотен метров. Поэтому теперь один большой город, например Москва, в моделях воспроизводится как сотни ячеек. Поэтому и прогнозы достигают большой точности. Сейчас путем моделирования можно решать очень сложные задачи, к которым раньше невозможно было подступиться. Например, моделирование процессов перемешивания воды в пресноводных водоемах, которое нужно для планирования распределения водных ресурсов или прогнозирование перемещения выбросов вулканов, которое необходимо для планирования маршрутов самолетов. Строго говоря эти задачи уже не являются чистой наукой, они необходимы для нашей повседневной жизни. И их решение стало возможным благодаря работе двух нобелевских лауреатов по физике 2021, Манабэ и Хассельмана, - рассказал Радио Свобода Павел Константинов.
БОЛЬШЕ ПО ТЕМЕ: Изменения климата и Крым: от засухи до ухода под воду