Моделирование климата

Моделирование климата

Научную основу для формирования представления о климате расширяли два технических достижения. Одним были спутники. США запустили первый метеорологический спутник в 1960 г., это позволило получить не только гораздо более целостное изображение Земли, но и более существенный и постоянно растущий поток данных.

Другим достижением была вычислительная техника, благодаря которой стала возможной новая дисциплина – моделирование климата. Своим появлением вычислительная машина во многом обязана случайной встрече на платформе железнодорожной станции неподалеку от военного полигона Абердин, штат Мэриленд, во время Второй мировой войны. Один молодой математик увидел человека с мировым именем в области науки и математики. Этого человека звали Джон фон Нейман. «Набравшись смелости», математик Херман Голдфайн решился завязать разговор. К его удивлению, фон Нейман, несмотря на его статус, оказался дружелюбным человеком. Но когда Голдфайн поведал фон Нейману, что участвует в разработке «электронной вычислительной машины, способной выполнять 333 операции умножения в секунду», разговор резко трансформировался из «расслабленной, благодушной беседы в нечто, напоминающее устный экзамен на степень доктора математики»²⁵.

Джон фон Нейман (урожденный Янош Нейман), родившийся в Будапеште, в 1930 г. эмигрировал в США, где стал наряду с Альбертом Эйнштейном одним из первых членов преподавательского состава Института перспективных исследований в Принстоне. Фон Нейман был одной из самых неординарных и творческих личностей XX в., причем не только одним из величайших математиков, но и выдающимся физиком, а также одной из самых влиятельных фигур в современной экономике (он разработал теорию игр и, как считается, «изменил способ проведения экономического анализа»). Помимо этого, его часто называют «отцом вычислительной машины», а также родоначальником ядерного сдерживания. (В 1956 г., когда он уже был тяжело болен, у него в палате в больнице Walter Reed Hospital собрались министр обороны и его заместители, командующий сухопутными войсками, командующий военно-морскими силами и командующий военно-воздушными силами, а также члены Объединенного комитета начальников штабов, чтобы услышать «последние советы и откровения».) Он также стал отцом современного моделирования климата, которое, в свою очередь, превратилось в основной инструмент диагностирования глобального потепления. Умер он в 1957 г., когда ему было 53 года²⁶.

Фон Нейман умел молниеносно выполнять сложные вычисления в уме. В шестилетнем возрасте он, увидев, как его мать мечтательно глядит в небо, спросил: «А что ты считаешь?» Взрослым он мог даже во сне решать математические задачи и, проснувшись в 3.00, выдавать готовый ответ. У него была способность видеть вещи в совершенно новом свете. Математик Станислав Улам отмечал, что в мыслительном процессе фон Нейман задействует очень много аналогий. Улам, один из его близких друзей, обменивался с ним соображениями относительно математических задач и рассказывал ему еврейские анекдоты. Улам подтрунивал над излишней практичностью фон Неймана и попытками использовать математику в самых разных практических аспектах. Как-то он сказал фон Нейману: «Что касается использования математики в стоматологии, вам, наверное, лучше остановиться».

По словам лауреата Нобелевской премии экономиста Пола Самуэльсона, у фон Неймана был «самый быстрый ум» среди всех, кого он встречал когда-либо. Глава Национальной физической лаборатории Великобритании назвал его «самым умным человеком в мире». Один из коллег фон Неймана так обобщил мнения многих, кому довелось работать с ним: «Несомненно, он заслуживает звания гения больше всех, кого я встречал»²⁷.

Та случайная встреча на платформе железнодорожной станции в августе 1944 г. позволила фон Нейману стать «отцом вычислительной машины». Фон Нейману нужен был механический компьютер для огромного объема расчетов, связанных с разработкой атомной бомбы, которой он и его коллеги занимались во время Второй мировой войны. Размышляя над тем, как превратить теоретическую концепцию цепной реакции в грозное оружие, они «изобрели современное математическое моделирование». Но для его практической реализации нужны были вычислительные машины²⁸.

Вскоре после той встречи на платформе фон Нейман, воспользовавшись влиянием, которое он имел как ведущий научный советник министерства обороны, приобщился к проекту создания вычислительной машины. К июню 1945 г. он написал 101-страничную работу, которая стала «технологической основой для мировой вычислительной индустрии». Затем фон Нейман приступил к проектированию и созданию опытного образца вычислительной машины в Институте перспективных исследований.

Но где использовать этот новый инструмент? Фон Нейман выделил «первую большую научную тему», при работе над которой он хотел бы использовать новые вычислительные возможности, – «феномен турбулентности», или, проще говоря, прогнозирование погоды. Он понимал, что моделирование ядерных взрывов и составление прогнозов погоды во многом схоже – и то, и другое были нелинейными задачами гидродинамики, в процессе работы над которыми необходимо выполнять огромные объемы вычислений с молниеносной скоростью²⁹.

Сложность погоды обуславливала потребность в скрупулезном математическом анализе, который фон Нейман обожал и который был возможен только при использовании вычислительной машины. Стратегическая важность вопроса делала его безотлагательным. Он опасался, что Советский Союз научится изменять погоду и развяжет «климатологическую войну» против США.

Стремясь получить финансирование для своего проекта по созданию вычислительной машины и для исследования климата, он подчеркивал, что скоростные вычисления «позволят составлять прогнозы погоды на неделю или даже больше». Впоследствии он руководил проектом по созданию машины MANIAC (математический анализатор, числовой интегратор и компьютер). Газета The New York Times назвала ее «гигантским электронным мозгом»³⁰.

К 1948 г. реализация проекта «Цифровая метеорология» уже шла полным ходом. Поиском математических формул, которые позволяли связать моделирование климата с новыми вычислительными возможностями, ведал Джул Чарни, математик и метеоролог. Он и его специалисты представляли законы физики, определяющие динамику переноса тепла и влаги в атмосфере, в виде последовательности математических алгоритмов для вычислительной машины. В начале 1950-х гг. группа Чарни получила первые модели климата, созданные при помощи вычислительной машины³¹.

Стремление фон Неймана получить полное представление о циркуляции и турбулентности в атмосфере привело к созданию все более сложных моделей функционирования атмосферы планеты, т. е. моделей движения воздуха в мире. Они получили известность как модели общей циркуляции. Такие модели должны были иметь глобальный характер, потому как у Земли только одна атмосфера. Разработчики стремились сделать свои модели как можно более реалистичными, т. е. как можно более сложными, чтобы получить более четкое представление о том, как функционирует мир.

Моделирование климата было делом очень сложным, трудоемким и определенно новаторским. «Вычислительная техника в то время была такой маломощной», – вспоминал Сюкуро Манабе, один из ведущих специалистов по разработке климатических моделей, пришедший в GFDL из Токийского университета. – Если мы вводили всю информацию сразу, вычислительная машина не могла ее обработать. Она зависала, и приходилось все начинать сначала».

Но уже в 1967 г. Сюкуро Манабе и Ричард Везерольд, сотрудники принстонской лаборатории, в своей научной работе, впоследствии получившей широкую известность, высказали предположение, что удвоение содержания углекислого газа в атмосфере вызовет рост температуры на планете на три-четыре градуса. К этой теме они обратились совершенно случайно. «Я хотел поглядеть, насколько чувствительна модель к облачности, водяному пару, озону и углекислому газу, – сказал Манабе. – Поэтому я стал изменять содержание парниковых газов, облачность – короче говоря, игрался. Стало ясно, что углекислый газ имеет важное значение, как оказалось, я изменил именно ту переменную, что нужно, и сорвал джекпот. В то время никого особо не беспокоило глобальное потепление… Некоторые даже считали, что приближается ледниковый период».

И хотя Манабе считал, что «это его лучшая научная работа», в середине 1970-х гг. он совершил еще несколько прорывов в области моделирования. Все эти годы точность моделей, которые становились все более сложными, все еще тестировалась на данных, полученных со спутников. И тем не менее гипотеза о том, что удвоение содержания углекислого газа вызовет рост средней температуры на планете на три-четыре градуса, стала постоянным атрибутом дискуссии о глобальном потеплении. А также запалом³².

Данный текст является ознакомительным фрагментом.