Климатические модели сложны, как и мир, который они отражают. Они одновременно моделируют взаимодействующие, хаотичные потоки атмосферы и океанов Земли и создаются на крупнейших в мире суперкомпьютерах.
Критики климатических моделей часто отмечают эту сложность и утверждают, что они слишком неопределенны. Поэтому трудно оценить нынешнее потепление или сообщить что-либо полезное о будущем.
Однако история климатологии говорит об обратном.
Самые ранние климатические модели давали конкретные прогнозы глобального потепления за десятилетия до того, как их удалось подтвердить или опровергнуть. Когда появились данные наблюдений, оказалось, что модели верны. Прогнозы предсказывали не просто среднее глобальное потепление, но и географические закономерности, которые мы наблюдаем сегодня.
Эти ранние прогнозы, начавшиеся в 1960-х годах, в основном исходили из Лаборатории геофизической гидродинамики, одной малоизвестной организации, базировавшейся недалеко от Принстона, штат Нью-Джерси. И многие из этих открытий принадлежат одному особенно проницательному и упорному специалисту по моделированию климата, Сюкуро Манабэ, удостоенному Нобелевской премии по физике в 2021 году.
Основанные на физике атмосферы и океана, модели Манабэ предсказали современный облик мира, а также заложили основу для современных климатических моделей и их способности моделировать климат в крупном масштабе. Хотя у прогнозов есть ограничения, именно этот успешный опыт дает уверенность в интерпретации наблюдаемых изменений, а также в прогнозировании будущих.
Прогноз № 1: глобальное потепление из-за CO2
Первое задание Манабэ получил в 1960-х годах в Бюро погоды США, в лаборатории, которая впоследствии стала Лабораторией геофизической гидродинамики. Нужно было создать точную модель парникового эффекта: показать, как парниковые газы удерживают тепло в атмосфере Земли. Поскольку без парникового эффекта океаны бы замерзли, это стало ключевым первым шагом на пути к созданию достоверной климатической модели.
Чтобы проверить расчеты, Манабэ создал очень простую климатическую модель. Она представляла глобальную атмосферу как единый столб воздуха и включала ключевые компоненты климата, такие как поступающий солнечный свет, конвекция от гроз и модель парникового эффекта.
Результаты моделирования глобального потепления, проведенного Манабэ в 1967 году, показывают, что по мере увеличения концентрации углекислого газа (CO2) поверхность и нижние слои атмосферы нагреваются, а стратосфера охлаждается.
Несмотря на простоту, модель довольно точно воспроизвела общий климат Земли. Более того, она показала, что удвоение концентрации углекислого газа в атмосфере приведет к потеплению на планете примерно на 3 градуса по Цельсию (5,4 градуса по Фаренгейту). Это соотношение парниковых газов к температуре получило название чувствительность климата.
Оценка чувствительности климата Земли, опубликованная в 1967 году, практически не менялась на протяжении многих десятилетий и отражает общую величину наблюдаемого глобального потепления. Сейчас мир находится примерно на полпути к удвоению концентрации углекислого газа в атмосфере, а глобальная температура выросла примерно на 1,2° по Цельсию (2,2° по Фаренгейту), практически в полном соответствии с прогнозом Манабэ.
Другие парниковые газы, такие как метан, а также задержка реакции океана на глобальное потепление также влияют на повышение температуры, но общий вывод остается прежним: Манабэ верно оценил чувствительность климата Земли.
Прогноз № 2: охлаждение стратосферы
Поверхность и нижние слои атмосферы в модели Манабэ нагревались по мере роста концентрации углекислого газа, но, что стало неожиданностью на тот момент, стратосфера при этом охлаждалась.
Температура в верхней области атмосферы, на высоте примерно от 12 до 50 км, определяется тонким балансом между поглощением ультрафиолетового солнечного света озоном и выделением теплового излучения углекислым газом. Увеличение концентрации углекислого газа приводит к тому, что атмосфера удерживает больше теплового излучения у поверхности, но при этом выделяет больше теплового излучения из стратосферы, вызывая ее охлаждение.
Тепловая карта показывает похолодание в стратосфере. Стратосфера, начинающаяся на высоте 10–15 километров над поверхностью и простирающаяся до высоты 50 километров, охлаждается в течение последних 20 лет на всех широтах, в то время как атмосфера под ней нагревается.
Охлаждение стратосферы фиксировалось на протяжении десятилетий с помощью спутниковых измерений. Это характерный признак потепления, вызванного углекислым газом, поскольку потепление, вызванное другими причинами, такими как изменения солнечного света или циклы Эль-Ниньо, не приводит к охлаждению стратосферы.
Прогноз № 3: арктическое усиление
Манабэ использовал модель в качестве основы для прототипа квазиглобальной модели, которая охватывала лишь часть земного шара. Она также включала лишь верхние 100 метров океана и не учитывала влияние океанических течений.
В 1975 году Манабэ опубликовал результаты моделирования глобального потепления с помощью квазиглобальной модели и вновь подтвердил похолодание стратосферы. Но он также сделал новое открытие: Арктика нагревается значительно сильнее, чем остальная часть земного шара, в два-три раза.
«Арктическое усиление» — это устойчивый наблюдаемый признак глобального потепления и в последующих моделированиях. Потепление в Арктике, помимо этого, означает сокращение площади арктических морских льдов, что стало одним из наиболее заметных и ярких показателей изменения климата.
Прогноз № 4: контраст температур между сушей и океаном
В начале 1970-х годов Манабэ работал над объединением своей атмосферной модели с первой динамической моделью всего мирового океана, созданной океанографом Кирком Брайаном.
Примерно в 1990 году Манабэ и Брайан использовали совместную модель атмосферы и океана для моделирования глобального потепления в условиях реалистичной континентальной географии, включая влияние полной циркуляции океанических вод. Они пришли к ряду выводов, в том числе к наблюдению, что суша в целом нагревается сильнее океана, примерно в 1,5 раза.
Как и в случае с усилением температуры в Арктике, контраст между сушей и океаном подтверждается данными наблюдений. Его также можно объяснить с точки зрения базовых научных принципов: это похоже на то, как в жаркий солнечный день сухая поверхность, например, асфальт, нагревается сильнее, чем влажная, например, почва.
Контраст имеет последствия для жителей суши, то есть нас, поскольку каждый градус глобального потепления усиливается на суше.
Прогноз № 5: задержка потепления Южного океана
Возможно, самый большой сюрприз моделей Манабэ преподнес регион, о котором большинство из нас редко задумывается: Южный океан.
Этот обширный, отдаленный океан опоясывает Антарктиду, и благодаря отсутствию суши в этих широтах, здесь беспрепятственно дуют сильные восточные ветры, которые постоянно выталкивают глубинные океанические воды на поверхность.
Манабэ и его коллеги обнаружили, что, когда концентрация углекислого газа в атмосфере увеличивалась, Южный океан нагревался очень медленно, поскольку поверхностные воды постоянно пополнялись поднимающимися глубинными водами, которые еще не успели нагреться.
Эта задержка потепления Южного океана также подтверждается при наблюдении за температурой.
К чему все это ведет?
Рассматривая работы Манабэ более чем полвека спустя, становится ясно, что даже ранние климатические модели отражали общие черты глобального потепления.
Климатические модели Манабэ предсказали закономерности за десятилетия до того, как они были подтверждены данными: арктическое усиление было смоделировано в 1975 году, но достоверно подтвердилось только в 2009 году, в то время как стратосферное охлаждение было смоделировано в 1967 году, но однозначно зафиксировано лишь недавно.
Конечно, климатические модели имеют ограничения. Например, они не могут предсказывать точные региональные изменения климата, как хотелось бы. Но тот факт, что климатология, как и любая другая область, имеет множество неизвестных, не должно мешать нам пользоваться тем, что уже известно.
Сообщение Прогнозы Манабэ: как климатическое моделирование предсказывает будущее появились сначала на Идеономика – Умные о главном.