Ученые подключают Урал и Сибирь к планетарной суперкомпьютерной модели

10:30, 19 августа 2020

Климатологи пытаются максимально точно предсказать последствия глобального потепления

Опыты ученые ставят с помощью приборов по контролю температурного режима почв. Фото: Виктор Валдайских.

Ученые Уральского федерального университета с европейскими коллегами провели верификацию ECHAM6-wiso — шестой и новейшей версии суперкомпьютерной модели глобальной циркуляции атмосферы. Модель создана в Институте общества Макса Планка в Гамбурге (Германия). Работа впервые проведена в регионе Урала и Западной Сибири; осуществлена в рамках стратегического проекта УрФУ «Мониторинг и прогнозирование состояния криосистемы Арктики».

От предыдущих версий ECHAM6-wiso отличается тем, что моделирует взаимодействие атмосферы с почвой, в том числе на глубине до 7,5 м. Модель с максимальным пространственным разрешением представляет собой сеть ячеек, каждая из которых отражает состояние атмосферы и поверхности Земли на участке площадью около 100 кв. км. Миссия модели — опираясь на базы ретроспективных данных (сформированы за несколько десятков лет) и на текущую информацию, выполнять детальные и надежные прогнозы климатических изменений, особенно в районах концентрации населения и инфраструктуры.

В ходе верификации использовались данные, полученные с помощью лазерных спектрометров PICARRO. Спектрометры установлены на арктических станциях в городах Лабытнанги (Ямало-Ненецкий АО, 2013 г.) и Игарка (Красноярский край, 2015 г.), круглогодично измеряют относительную концентрацию изотопологов (разновидностей молекул) воды в водяном паре в приземных слоях атмосферы. Спектрометры, развернутые на российской территории (еще один действует на острове Самойловский в дельте реки Лены), являются сегментом Панарктической сети непрерывного мониторинга изотопических трассеров атмосферного водного цикла. Несут информацию об изменениях в атмосферном водном цикле в результате климатических трансформаций. Суть верификации в том, что расчеты ECHAM6-wiso сопоставляются с графиками почасовых показателей, снятых со спектрометров, функционирующих в арктических регионах Сибири.

Другая группа сведений поступает с датчиков на пяти ключевых по основным типам почвы и растительности участках тундры и лесотундры Южного Ямала, в 100–200 км от Лабытнанги. Датчики, 7 лет назад погруженные в грунт на различную глубину до одного метра, ежечасно замеряют температуру и влажность, фиксируя процессы, происходящие на огромной территории Полярного Урала и Сибири. Таким образом ученые определяют интенсивность и факторы сезонного протаивания активного слоя вечной мерзлоты. К примеру, выяснилось, что значительный вклад в протаивание вносят не столько высокие температуры, сколько осадки: даже в прохладные, но дождливые периоды глубина протаивания больше, чем в жаркие и сухие.

«Результаты верификации показали, что ECHAM6-wiso более качественно воспроизводит данные с лазерных спектрометров в Лабытнаги и Игарке, чем предыдущая модель ЕСНАМ5-wiso, но неудовлетворительно воспроизводит сведения с датчиков на ключевых площадках Южного Ямала», — комментирует руководитель проекта «Мониторинг и прогнозирование состояния криосистемы Арктики», профессор кафедры астрономии, геодезии, экологии и мониторинга окружающей среды Вячеслав Захаров.

Причина, вероятно, в том, что модель настроена по ранее введенным в нее теплофизическим характеристикам грунта, характерным для других арктических регионов, полагает ученый.

«В кооперации с коллегами из института естественных наук и математики УрФУ и Института программных систем РАН мы подали заявку „Программно-аппаратный комплекс климатоэкологического мониторинга арктической криосистемы“ на мегагрант Правительства РФ. Если заявка получит поддержку, это позволит нам форсировать исследования и настроить параметры модели ECHAM6-wiso таким образом, чтобы она корректно воспроизводила данные, которые мы получаем в Сибири», — рассказывает Вячеслав Захаров.

В то же время верификация данных японского спутника TANSO-FTS/GOSAT, который осуществляет космический мониторинг концентраций в атмосфере углеродсодержащих парниковых газов, показала, что этот спутник корректно отображает результаты наземного зондирования атмосферы инфракрасным Фурье спектрометром в Коуровской астрономической обсерватории УрФУ (Свердловская область).

К сожалению, данные многолетнего мониторинга арктической атмосферы и почвы говорят об эскалации глобального потепления: в Арктике оно протекает вдвое быстрее, чем в целом по миру.

«Различные станции мониторинга действуют на Аляске, в Гренландии, на Шпицбергене. Собранные данные свидетельствуют о сильных изменениях температуры вечной мерзлоты, — констатирует Вячеслав Захаров. — В частности, на севере Аляски, как показывают измерения в скважине на глубине 20 м, полвека назад она составляла около −9 °С, сейчас — около −5,50 °С. Недалеко то время, когда потепление климата и увеличение осадков приведет к глубокому, на десятки метров, протаиванию вечной мерзлоты и разложению органических материалов. Высвобождение вследствие этого колоссальных объемов углекислого газа и метана даст сильный толчок дальнейшему потеплению».

По современным прогнозам, к 2050 году будут наблюдаться периоды, когда летом Северный Ледовитый океан окажется полностью свободным ото льда. Сокращение «ледяной шапки» Земли приведет к уменьшению отражающего эффекта и усилению нагрева океана. Учитывая, что в Мировом океане углекислого газа в 80–100 раз больше, чем в атмосфере Земли, а нагрев воды ведет к выбросу углекислого газа, это еще больше активизирует глобальное потепление.

Основная причина глобального потепления — растущий парниковый эффект, стремительное увеличение концентраций парниковых газов в атмосфере, поглощающих тепловое земное излучение в нижних слоях атмосферы. По словам Вячеслава Захарова, за последние полтора века содержание в атмосфере СО2 выросло в 1,5 раза, метана — в 2,5. Наука установила, что это рекордная динамика за 800 тысяч лет. Поскольку именно в предыдущие 150 лет человечество активно вырубало леса, строило и развивало города, возводило промышленные объекты и электростанции, производило автотранспорт, сжигало уголь, нефть и газ, ученые делают вывод, что ответственность за глобальное потепление лежит в первую очередь на антропогенном факторе.

«Выбросы не сокращаются и даже растут, несмотря ни на какие международные соглашения. Ситуация выглядит тупиковой. В связи с этим задача климатических моделей — уже не просто фиксировать проявления глобального потепления, а с максимально возможной точностью по времени и месту предсказывать его последствия, чтобы заблаговременно эвакуировать людей и демонтировать инфраструктуру. Поэтому наши исследования как часть большого международного проекта имеют, без преувеличения, мировое значение», — резюмирует Захаров.