Вместе с доктором физико-математических наук, заведующей лабораторией динамики климата МФТИ и ведущим научным сотрудником Института океанологии РАН Ольгой Золиной разбираемся, как устроены климатические модели, где ученым помогает искусственный интеллект и можно ли управлять погодой.
Что происходит с климатом на планете
Глобальное потепление продолжается уже около 150 лет. Из-за деятельности человека в атмосфере увеличивается концентрация парниковых газов. Они, в свою очередь, удерживают часть тепла, которое излучается с поверхности Земли. В климатической системе накапливается дополнительная энергия.
Одно из последствий глобального потепления — повышение уровня моря, в том числе из-за таяния ледников. Другое — изменение частоты и интенсивности таких экстремальных явлений, как волны аномальной жары и холода, засухи, сильные осадки, наводнения, тропические ураганы и циклоны.
При этом сценария из фильма «Послезавтра», где климат Земли практически мгновенно меняется до неузнаваемости, ожидать не стоит. По словам Ольги Золиной, такое развитие событий противоречит законам физики.
Куда заметнее для человека резкие колебания погоды. Воздух может активнее переноситься с севера на юг и обратно, принося необычный холод или, наоборот, жару.
Ольга Золина:
«Мы все уже знакомы с такими резкими перепадами: вчера было плюс десять, сегодня стало плюс двадцать пять, потом опять плюс десять. Вот эта «нервозность» погоды и является следствием глобального потепления».
Насколько может потеплеть Земля
Одного точного прогноза не существует. Он зависит среди прочего от численности населения, количества потребляемой энергии и способов ее производства.
Поэтому ученые работают с возможными сценариями. При наиболее оптимистичном раскладе выбросы парниковых газов начинают снижаться и вскоре после 2050 года достигают нулевого уровня. Тогда средняя глобальная температура к концу века может повыситься примерно на 1,4 °C. При сценарии с очень высокими выбросами рост температуры может приблизиться к 5 °C. Для климатической системы это существенное изменение, которое может приблизить ее к переломным точкам — состояниям, после которых некоторые процессы становятся необратимыми или крайне трудно обратимыми.
Климатические модели не предсказывают единственное будущее. Они позволяют увидеть, как климатическая система может отреагировать на разные действия человечества.
Как устроена климатическая модель
В основе климатической модели лежат физические законы, описывающие движение воздуха и воды, температуру, влажность и другие процессы.
Ольга Золина:
«Модель климата — это система гидродинамических и физических уравнений, которая позволяет описать состояние нашей климатической системы по исходным данным и граничным условиям».
Одна из ее основ знакома всем еще из школьного курса физики — второй закон Ньютона, связывающий силу, массу и ускорение. К нему добавляются закон сохранения массы и закон сохранения энергии.
Всего базовая система включает семь уравнений, которые описывают процессы в атмосфере, океане и льдах. Компьютер решает их для огромного количества точек и вычисляет, как температура, осадки, влажность и ветер реагируют на внешнее воздействие. Так модель рассчитывает поведение климатической системы согласно законам физики.
Зачем климатологам искусственный интеллект
Климатические модели охватывают всю Землю, поэтому их пространственное разрешение ограничено. Например, одна ячейка расчетной сетки может иметь размер 100 на 100 км. В таком случае вся Москва фактически оказывается одной точкой.
Чтобы получить более детальную картину, ученые используют искусственный интеллект. Модели машинного обучения тренируют на массивах наблюдений, а затем с их помощью уточняют распределение температуры и других показателей на меньших территориях.
Ольга Золина:
«Меня слова «искусственный интеллект» не пугают. Если мы говорим о климате, то он абсолютно великолепен. Он очень быстро анализирует большие объемы данных и делает это намного лучше, чем любой даже самый опытный человек».
Так искусственный интеллект помогает перейти от сравнительно общей картины глобальной климатической модели к более подробной информации, необходимой для исследования отдельных регионов и городов.
Можно ли управлять климатом
Полностью управлять климатом человек не может, считает Золина. Для этого пришлось бы воздействовать на процессы планетарного масштаба и фактически «конкурировать с Солнцем». Но ученые изучают способы изменить количество солнечной энергии, которое достигает поверхности Земли.
Например, один из вариантов — распылять в стратосфере вещества, отражающие часть солнечного излучения.
«Среди рассматриваемых материалов есть даже алмазная пыль — буквально небо в алмазах, без шуток. Существуют и проекты космических конструкций, которые могли бы отражать или поглощать часть солнечного излучения. Однако возможность реализовать такие идеи в масштабе всей планеты пока остается под вопросом», — говорит эксперт.
Другой подход — воздействовать на климат отдельных территорий. Сотрудники лаборатории, например, моделировали возможность увеличить количество осадков в районе Красного моря. Усиление вертикальных потоков воздуха в модели привело к росту облачности и осадков. Пока это математический эксперимент, который позволяет проверить саму гипотезу.
Этот материал подготовлен в рамках «ГигаНауки» — совместного проекта Сбера и РБК о ключевых научных открытиях и технологических вызовах современности. Проект объединяет видеопрограммы и тексты о медицине, ИИ, биотехнологиях и других направлениях будущего. Важная часть «ГигаНауки» — интеграция нейросети ГигаЧат, которая помогает простым языком объяснять сложные научные темы.
Реклама, ПАО «Сбербанк», 18+ erid: 2SDnjdwvEA7