Новая математическая модель, над которой работают приглашенные преподаватели Научно-технологического университета «Сириус», ответит на важнейшие вопросы столетия. Что сильнее влияет на климат Земли – человек или солнечная радиация? Какой фактор нанесет непоправимый вред экологии? Будет ли наша планета пригодна для жизни через тысячу лет? Возглавляет исследование один из преподавателей образовательного модуля по математическому моделированию динамических систем НТУ, высокоцитируемый ученый, профессор Йенского университета имени Фридриха Шиллера Петр Галенко.
К каким глобальным изменениям климата нам готовиться в ближайшие десятилетия, сбудутся ли предсказания из фильмов-катастроф и как молодым ученым добиться мирового признания, ученый рассказал в интервью.
Как посчитать климат на суперкомпьютере
– Петр Константинович, вы строите объемные математические модели, чтобы проследить изменения климата на планете. Объясните, а как можно посчитать климат?
– Например, если рассматривать таяние и замерзание льда в Арктике и Антарктике, можно спрогнозировать изменения ледяного покрова. А далее уже можно представить, как эти изменения повлияют на региональный и глобальный климат планеты и какие последствия принесут. Усовершенствовав наши модели, можно делать точные прогнозы на длительный период.
– Как?
– У нас есть обычные дифференциальные уравнения, они показывают, как живая или неживая система реагирует на разные обстоятельства. Достаточно вспомнить знаменитый эффект бабочки, когда небольшая причина в прошлом приносит глобальные перемены. Например, рост микроскопической трещины: миллиметр в секунду, сантиметр в секунду, метр в секунду – происходит очень быстрое нарастание. Экспоненциальный закон выводится из обычных дифференциальных уравнений механики материалов. И теперь вспомним, что в рассказе Рея Брэдбери «И грянул гром» незначительное изменение в прошлом (посланный в далекое прошлое охотник наступил на маленькую бабочку) привело к полной смене устройства на Земле. Так вот, когда охотник раздавил бабочку и вернулся в настоящее, нарастание изменений было экспоненциальным. Такие уравнения динамики содержат, как правило, 3-4 переменных. Вы решаете уравнения, задавая некоторые параметры, и получаете портрет системы, видя изменения, которые в ней произойдут через десятки, сотни лет.
Готовиться ли к новому ледниковому периоду
– Вы сможете выдавать прогнозы как гидрометцентр?
– Сейчас достоверных долгосрочных прогнозов климата нет. В любом гидрометцентре считают по данным из соседних областей – будет анти- или прямой циклон и к какой температуре приведет. Но это работает максимум на неделю. Все долгосрочные прогнозы сводятся к климатическим моделям, и они пока не точны. Наш проект позволит давать качественный и, главное, количественный прогноз на полгода, год. Вполне возможно, мы сможем распространять эти данные на десятилетия. Но
– Кому и для чего такие данные будут полезны?
– Например, сможем предсказывать температурные колебания, которые влекут за собой таяние или намерзание арктических льдов. Можно будет точно определить, когда откроется и закроется Северный морской путь, и выстроить логистику всех грузов вдоль арктической зоны от Кольского полуострова до Камчатки. Еще мы хотим ответить на вопрос, вокруг которого кипят споры с конца 20 века. Что больше влияет на динамику изменения климата: внешние факторы или деятельность человека? Бесспорно, человечество меняет планету – это и выделение СО2, и вырубка лесов, и уничтожение целых видов животных. Но, с другой стороны, нарастает активность Солнца, его излучения и плазменных всплесков-выбросов в околосолнечное пространство, что естественным образом разогревает земное пространство. Для нас есть, пожалуй, два основных и конкурирующих фактора-первопричины: это деятельность человека и внешние факторы, связанные с работой Солнца. Климат действительно теплеет, но истинная причина этого до конца не ясна.
– Как же многочисленные исследования, которые подтверждают, что из-за деградации вечной мерзлоты в Арктике в атмосферу выделяется метан, приводящий к существенному потеплению климата?
– Это уже следствие. Но почему вечная мерзлота в Сибири стала таять? Какая причина для такого таяния все-таки первична? Может быть, это внешние факторы, такие как разогрев Солнца? Существует такое понятие «длинные солнечные циклы», 300-400 лет – это динамика изменения температуры и состояния короны Солнца. Она интенсивно активизируется каждый цикл, случаются интенсивные выбросы протуберанцев (выстрел солнечного вещества – плазмы на большую высоту, со скоростью более 100 километров в секунду - прим. ред.), которые выделяют много энергии, радиации, излученя. Это приводит к изменению магнитного поля и состояния атмосферы Земли. Специалисты астрономической обсерватории УрФУ построили модель поведения Солнца на 1 000 лет назад и на столько же вперед. Например, лет 350 назад предсказывается минимум солнечной активности, что должно было привести к похолоданию земного климата. Удивительно, но проверить правдоподобность прогноза помогла живопись. На картинах Рубенса или Брейгеля есть снег, лед, хотя сейчас в Нидерландах и Германии снега в таком объеме нет. Но он был регулярно и устойчиво 300-400 лет назад в средних широтах Европы. По летописям, а в Европе все скрупулезно записывалось, можно проследить изменение климата: за потеплением циклично идет похолодание. Сейчас по модели астрономов УрФУ идет разогрев Солнца. И он, по всей видимости, существенно сказывается на климате Земли – еще 60-80 лет будет потепление.
(1).jpg)
– Получается, после потепления климата нам нужно будет готовиться к похолоданию? Как в фантастических фильмах-катастрофах?
– Да, примерно так, как в тех голливудских фильмах, где цунами сносит полуостров, а Землю охватывает ледяной покров и люди живут в пещерах. Но, - это гипербола, конечно. Если серьезно, то по одной из моделей, которую нам еще предстоит опробовать на практике, похолодание произойдет уже в этом столетии в масштабе нескольких десятилетий. Потепление приводит к таянию вечной мерзлоты, выделяется метан, он влияет на озоновый слой, возникает парниковый эффект, льды тают интенсивнее. Что приводит к сильному притоку пресной воды в Мировой океан и влияет на направление течений. То есть дальнейшее увеличение уровня воды и опреснение Мирового океана может привести к радикальному смещению потоков, движущихся от экватора к полюсам, и перемене температур на планете. Смещение или даже остановка теплых течений, в частности Гольфстрима, приведет к похолоданию в Северной Америке и Европе. То есть рост температуры на Земле может достаточно резко смениться ее падением. Более точно можно будет сказать после нашего исследования.
– А насколько похолодает, уже можете сказать?
– Если сравнить среднегодовую температуру за последние 50 лет, то на Земле потеплело на 0, 3 градуса. Кажется, незначительно, но нет. Это уже привело к серьезным последствиям, и ученые по всему миру бьют тревогу. Льды тают в Гренландии, на Шпицбергене. Если, как мы предполагаем, среднегодовая температура понизится на доли или даже на градус, могут произойти радикальные изменения. Может вступить в конкуренцию разогрев нашего светила и океанические течения на Земле. Поэтому мы пробуем оценить вклад каждого компонента в похолодание / потепление земного климата.
– Можно ли идеи ученых по изменению климата проверять через вашу модель на эффективность. Такой научный оракул?
– Да, мы как раз такими предсказаниями и занимаемся. Другое дело, что у нас пока не так много данных, чтобы оценивать адекватность этих предсказаний. Это будет еще одним практическим применением нашего теоретического исследования. Например, можем посчитать что будет, если выбросов СО2 станет меньше, остановят вредные производства, или наоборот лес в районе Амазонки весь вырубят, а в Сибири или Австралии будут новые массовые пожары. Станет ли это дополнительным или ключевым фактором, влияющим на климат? С помощью нашей модели мы пробуем оценить и показать куда сместится климатический цикл за счет эффекта бабочки.
Нужна ли ученому популярность
– У вас высокий индекс Хирша – 32. Вы можете дать советы молодым ученым: как добиться цитируемости в международной научной практике?
– В первую очередь, не гнаться за индексом цитируемости. Этот просто показатель физической активности ученого, зачастую не связанный с его реальным вкладом в науку. К примеру, у Григория Перельмана индекс цитируемости – ноль. Но он доказал теорему о топологии нашей Вселенной: это – глобальная теоретическая модель, согласованная с современной математикой. Его доказательство принципиально обогатило наше понимание о строении Вселенной в целом и по-настоящему продвинуло науку. С другой стороны, индекс цитирования нужен для некого ранжирования ученых и их деятельности, чтобы оправдать финансируемость научной группы, кафедры, университета. Но, с моей точки зрения, главное – баланс, чтобы вы успевали не только статьи писать, но и жить, заводить семьи, осознавать последние события культуры и науки в целом, куда мы движемся, увлеченно заниматься своим исследованием. Для индекса Хирша нужно научиться самостоятельности: писать, выступать на конференциях. Когда я был молодым ученым, заведующий лабораторией говорил: «Иди и делай доклад, пусть он будет слабым, пусть над тобой посмеются. Но после третьего, четвертого доклада ты сам перейдешь на новый уровень. И это будет главным для тебя самого». Поэтому делайте доклады, напишите никчемную статью, однако, после пяти таких кажеться никчемных докладов и публикаций вы станете лучше понимать вашу деятельность и излагать ее в статьях и интернете. Аналогично с языком. 95% всей научной литературы пишется на английском. И пусть ваш язык поначалу будет не совсем читабельным. Однако вы в конце концов увидите, что на 5-10 статье стали качественнее проводить исследования, лучше их описывать. Ведь, чтобы вас понимали и цитировали, вас должны читать. После изложения сути исследования и полученных результатов попробуйте придумать привлекающий внимание заголовок вашей работы. Сегодня важно уметь представлять высоконаучные результаты популярным языком.
– У молодых ученых есть шанс присоединиться к вашему проекту?
– Это было бы замечательно. Нам обязательно нужны молодые аспиранты и постдокторанты, причем по разным направлениям их возможных интересов и квалификации: от умения программировать до осмысления и формализации выводов теоретического моделирования. Кто-то имеет тягу к программированию, кто-то к построению моделей. Нам пригодится и тот, кого привлекают прогулки по тундре для снятия экспериментальных данных для моделирования. Ведь нужно будет вести измерения динамики вечной мерзлоты на Таймыре и Ямале. Можем пригласить к нам на стажировку в Германию по грантовым программам DFG или DAAD или через фонды, такие как фонд Александра фон Гумбольдта, программы «Ломоносов» или проекты РНФ. Вариантов может быть множество, главное – интерес со стороны молодого ученого.
О проекте
Масштабное исследование динамики арктического климата стартовало в 2011 году. Уральский федеральный университет выиграл мегагрант по 220 Постановлению Правительства России на проведение научных исследований под руководством ведущего палеоклиматолога Жана Жузеля. Проект был экспериментальный. Группа ученых три года изучала влияние потепления климата на таяние вечной мерзлоты. Затем проект «Многомасштабное математическое моделирование эволюции арктического льда: влияние на изменение климата» объединил несколько команд ученых под руководством профессора Галенко и получил поддержку Российского научного фонда (2016-2020 гг). В 2019 году РНФ признал его лучшим российским проектом среди научных работ в области математики, информатики и наук о системах за 2016-18 годы. Сейчас проект объединяет несколько команд ученых УрФУ (Екатеринбург, Урал), Университет Фридриха Шиллера (Йена, Тюрингия), Институт программных систем РАН (Переславль-Залесский, Ярославская область). Для дальнейших исследований будет разработан новый суперкомпьютер, ориентированный на решение специальных задач по динамике изменений климата.
