Материалы портала «Научная Россия»

Земная атмосфера – уникальный и очень сложный организм

Земная атмосфера – уникальный и очень сложный организм
Игорь Иванович Мохов, академик РАН, научный руководитель Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН

Игорь Иванович Мохов, академик РАН, научный руководитель Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, заведующий кафедрой физики атмосферы физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

 

– Игорь Иванович, мы находимся в знаменитом Институте физики атмосферы, которому уже 63 года. Вы были его директором, сейчас – научный руководитель. Скажите, пожалуйста, несколько слов об истории института. Когда он возник, в связи с чем, какие были поставлены задачи.

– Институт был образован в 1956 году. В это время Геофизический институт АН СССР (ГЕОФИАН), первым директором которого был О.Ю. Шмидт, разделился на три – Институт физики Земли, Институт физики атмосферы (ИФА) и Институт прикладной геофизики. Первым директором ИФА до 1989 года был будущий академик Александр Михайлович Обухов.

Чем институт знаменит? В первую очередь - это исследования турбулентности атмосферы. А.М. Обухов был учеником А.Н. Колмогорова, автором и соавтором классических законов турбулентности. Под его руководством Институт стал признанным мировым лидером в исследованиях атмосферной турбулентности и других направлениях физики атмосферы. При этом, наряду с теоретическими, широким фронтом проводились экспериментальные исследования, включая экспедиционные и лабораторные.

Диапазон исследований, проводимых ИФА, достаточно широк: изучение динамики атмосферы как теоретическими методами, так и с помощью лабораторного моделирования; развитие новых дистанционных методов определения параметров атмосферы; изучение атмосферной оптики и акустики; исследование верхних слоев атмосферы, малых примесей и т.д.

С самого начала, когда наш институт был организован, ключевой задачей было применение для исследования природных процессов физико-математических методов. Сейчас ИФА – один из ведущих научных центров в мире в области наук об атмосфере.

А почему исследования турбулентности так важны?

– Это важно с разных точек зрения. Слово это латинского происхождения, означает беспорядочный, бурный. Исследования атмосферной турбулентности имеют и фундаментальное, и прикладное значение. Мы все сталкиваемся с турбулентными процессами регулярно. Достаточно вспомнить объявления в самолете о вхождении в зону турбулентности, когда самолет начинает трясти. Модельные оценки свидетельствуют, что при изменениях климата следует ожидать изменения риска так называемой турбулентности ясного неба. Проявляются различные атмосферные неустойчивости, струйные течения, вихревые и волновые особенности разных масштабов и интенсивности. Вообще земная атмосфера – очень сложный организм, законы которого требуют разносторонних исследований.

– Вы сказали – организм. Выходит, вы относитесь к ней как к живому существу?

– Наверное, да. Здесь можно провести аналогию с климатом. Мы знаем, что нормальная температура тела –36,6 градусов Цельсия. Чуть повысили – всего на полградуса, а тем более на градус, и человек чувствует себя некомфортно, а то и плохо. Казалось бы, в последние десятилетия температурные глобальные изменения были сравнительно небольшими – в пределах градуса, но это уже ощущается, особенно в экстремальных явлениях.

– Какие сейчас ключевые направления деятельности Института?

– Одно из важных направлений в Институте – исследование состава атмосферы и проблема загрязнения, анализ разных атмосферных примесей, в том числе в условиях мегаполиса. Речь идет как о локальных и региональных исследованиях, так и об исследованиях в масштабах всей страны и на глобальном уровне. Серия уникальных экспедиционных исследований выполнена с использованием легендарного вагона-лаборатории, который курсировал между Москвой и Дальним Востоком, от Сочи до Мурманска, исследуя содержание в атмосфере десятков различных примесей. На основе полученных данных было выяснено, каким образом загрязнена атмосфера российских регионов разными примесями вдоль трансконтинентального пути, как проявляются шлейфы городов.

В проводимых исследованиях выделяются три ключевых направления, в соответствии с которыми выстроена структура Института. Это отдел динамики атмосферы, который возглавляет академик РАН Георгий Сергеевич Голицын – он был директором ИФА в 1990-2008 годах, отдел состава атмосферы, который возглавляет член-корреспондент РАН Николай Филиппович Еланский, и отдел исследований климатических процессов, который возглавляю я. Соответственно, в этих отделах есть по три подразделения-лаборатории, которые занимаются более конкретной тематикой в рамках соответствующих направлений. Сотрудники ИФА работают в Москве и на трех институтских научных станциях – Звенигородской в Подмосковье, Кисловодской высокогорной научной станции и Цимлянской. 

Давайте поговорим подробнее о деятельности конкретных лабораторий, имеющих наиболее актуальную направленность.

– Все более актуальными становятся исследования примесей в атмосфере. Это связано с экологическими и климатическими проблемами. Атмосферные примеси разного происхождения влияют на здоровье населения. Большая роль отводится парниковым газам, что связано с климатическими изменениями. Измерения содержания а атмосфере метана и угарного газа на Звенигородской станции ИФА – в числе самых продолжительных в мире, начиная с 1970-х годов. В конце 1970-х годов начаты измерения атмосферных примесей на Северном Кавказе. В рамках экспедиций содержание газовых и аэрозольных примесей исследуется в атмосфере от полярных до пустынных регионов.

Какие регионы оказываются наиболее проблемными?

– Тут сложно сказать интегрально. Проблемы связаны не только с загрязнением атмосферы. Важнейшая мировая проблема 21 века – проблема доступности питьевой воды. Конечно, необходимо улучшение экологической ситуации в целом ряде промышленных регионов. С другой стороны, в последние годы при общем потеплении увеличивается риск массовых лесных пожаров в экологически благополучных таежных регионах без крупных промышленных объектов. При современном климате леса к востоку от Байкала обладают повышенной пожароопасностью, а при дальнейшем увеличении региональной температуры следует ожидать ещё более опасную ситуацию. Кроме того, в связи с естественными процессами есть повышенный риск в некоторых регионах погодно-климатических аномалий с формированием в весенне-летние месяцы засух и пожаров, как, например, летом 2010 года. Необходим разносторонний анализ региональных социально-экономических и экологических рисков. Разные экологические процессы с применением физико-математических методов анализируются и в ИФА. Используются модели разного уровня, в том числе для лесных и тундровых экосистем, конкретные модели для разных регионов. Получены интересные оценки для потенциала наших экосистем, как они могут эволюционировать при изменении климата.

Давайте остановимся подробнее на том научном направлении, которым вы занимаетесь. Что здесь есть важного и интересного?

– Круг моих научных интересов довольно широк, включая различные  задачи в области физики атмосферы, диагностики климатических изменений и их моделирования. Климатические изменения и их последствия – одна из ключевых глобальных проблем 21 века. Климатические исследования включают и анализ данных, и глобальное и региональное моделирование. С этим связаны не только фундаментальные задачи, но и прикладные – в связи с этим принимаются экономические и политические решения. Я являюсь координатором программы Президиума РАН “Изменения климата: причины, риски, последствия, проблемы адаптации и регулирования”.

Наша страна северная, и скорости климатических изменений в российских регионах сильнейшие. В России в целом в последние десятилетия теплеет у поверхности примерно в два с половиной раза быстрее, чем глобально. При этом у нас и изменчивость больше. Изменения средних климатических режимов не очень ощущаются, существенно более заметно и значимо проявляются изменения в статистике экстремальных региональных погодно-климатических аномалий. При этом надо понимать, что с глобальным потеплением могут быть связаны противоположные региональные аномалии. Экстремальная жара с пожарами на европейской территории России летом 2010 года сопровождалась отрицательными температурными аномалиями с осадками в сопредельных регионах - в Западной Сибири и восточно-европейских странах. Это связано со стационированием в атмосфере так называемых волн Россби.

В последние годы мы наблюдаем экстремальные изменения, аномалии, которые проявляются весной. Например, в 2017 году было аномально тепло в марте на всей территории России, а в 2018 – наоборот, было весьма прохладно.

– Это не случайность?

– Подобные аномалии ожидаемы в связи с региональными особенностями климата и их изменениями. У нас страна снежная, а снег характеризуется высоким коэффициентом отражения солнечной радиации. С этим связаны сильные вариации радиационного режима, а соответственно и температурного. При климатических изменениях с вариациями снежного покрова связана сильная региональная климатическая изменчивость. Это один из механизмов. Другой механизм, который способствует региональной климатической изменчивости, связан с вихреволновой активностью в атмосфере, в частности со стационированием волн Россби, или комплексов антициклонов и циклонов в средних широтах. Согласно модельным оценкам при потеплении климата можно ожидать, что роль такой изменчивости может возрасти. Например, в начале 21 века проявились экстремально холодные зимы. Казалось бы, это противоречит глобальному потеплению. Однако наши модельные оценки еще в 1990-х годах показали, что при общем потеплении из-за роста содержания СО2 в атмосфере возрастает роль атмосферных блокирований (с которыми связаны экстремальные зимние морозы и летняя жара), особенно зимой над континентами. При этом следует отметить, что существует достаточно большая неопределенность в моделировании и предсказуемости сложных процессов формирования региональных климатических аномалий, связанных с атмосферными блокированиями. При необходимости адекватного учета влияния разных региональных и глобальных воздействий не всегда можно адекватно выделить ключевые.

– Почему?

– Потому что земная климатическая система, включающая атмосферу, океан, деятельный слой суши, биосферу, криосферу, очень сложна. Климатические изменения – результат сложного взаимодействия различных подсистем с разными характерными временами, с проявлением квазициклических процессов и климатических сдвигов - переходов между разными режимами. Для описания поведения земной системы с резкими сдвигами - переходами между разными климатическими режимами было введено понятие почти-интранзитивности. В том числе проявляются разные глобальные и региональные квазициклические процессы с периодами в несколько лет и несколько десятилетий. Этот год, например, у нас тоже особенный.

– Чем же он отличается от остальных?

– Сейчас год Эль-Ниньо. Эль-Ниньо – это явления, которые характеризуются положительными температурными аномалиями в тропиках Тихого океана. Существенно, что с этими, казалось бы, региональными явлениями связаны сильнейшие межгодовые вариации глобальной температуры у поверхности. В годы, когда проявляется Эль-Ниньо, обычно отмечается повышенная температура у поверхности нашей планеты. В противоположной фазе, Ла-Нинья, – температура у поверхности Земли обычно понижена. С этой точки зрения можно ожидать, что этот год будет более теплым, чем предыдущий.

– Вот как? Так к чему готовиться?

– В соответствии с долговременной статистикой следует ожидать, что 2019 год будет глобально теплым – теплее, чем 2018 год. Кстати, 2010 год, когда у нас летом на европейской территории была жара и пожары, также начался в фазе Эль-Ниньо, а закончился он в противоположной фазе Ла-Нинья. По статистике подобные годы характеризуются повышенным риском экстремально высокой температуры и засух в средних широтах европейской части России в весенне-летние месяцы. И летом 2010 года реализовался наименее благоприятный режим. Для 2019 года по модельным оценкам формирование к концу года фазы Ла-Нинья маловероятно, т.е. риск экстремально жаркого лета с засухой для европейской части России мал. При этом наиболее вероятно продолжение до конца года фазы Эль-Ниньо. В этом случае велик риск экстремально жаркого засушливого лета в средних широтах в азиатской части России, как в 2015 году. Это сказалось и на уровне Байкала.

Какие еще интересные исследования проводятся у вас в отделе?

– Важное значение имеют результаты анализа ключевых причинно-следственных связей в земной климатической системе на основе современных данных, палеореконструкций, и модельных расчетов с аналитическими оценками.

Особое значение имеют исследования  верхних слоев атмосферы. Сейчас отмечается глобальное потепление, но это потепление только у поверхности и в тропосфере (до высот не более 17 км). А выше – в стратосфере и мезосфере температура понижается. Эту тенденцию можно объяснить увеличением содержания в атмосфере парниковых газов. Согласно самым продолжительным (с конца 1950-х годов) в мире измерениям на уровне мезопаузы (около 90 км) на Звенигородской научной станции ИФА скорость понижения температуры в последние десятилетия была значительно больше скорости потепления у поверхности. Это имеет важнейшее значение для диагностики механизмов современных изменений климата.

Целый ряд значимых оценок изменений климата и риска формирования климатических аномалий получен для российских регионов, для Арктики. Сделаны, например, количественные оценки перспектив Северного морского пути при возможных изменениях климата в 21 веке с использованием численных расчетов с ансамблем современных климатических моделей. Согласно полученным модельным оценкам, транзит из Западной Европы в Юго-Восточную Азию Северным морским путем может стать  к концу 21 века экономически более перспективным, чем через Суэцкий канал, даже в зимние месяцы.

В числе других климатических аномалий в российских регионах мы анализировали причины формирования рекордного амурского наводнения 2013 года с оценкой риска возможного повторения подобных катастрофических событий. Это рекордное наводнение произошло в результате уникального сочетания целого ряда различных эффектов. Первопричиной, как и во время летней жары 2010 года на европейской территории России, послужило атмосферное блокирование над Тихим океаном. Существенно, что это произошло в сезон  восточно-азиатского муссона. При этом  температура Тихого океана в его западной части в средних широтах Северного полушария летом этого года была рекордной. Это связано с соответствующей фазой Тихоокеанской десятилетней осцилляции. Кроме того, сказалось влияние повышенного снегозапаса, накопленного за зиму в бассейне Амура. Это  не противоречит общему потеплению, так как увеличение влагоемкости атмосферы при потеплении способствует общему увеличению интенсивности и количества зимних осадков в регионе. Зимние осадки – это снег, и пока температуры отрицательные, снегозапас растет.

Уникален регион озера Байкал. В последние годы отмечалось понижение его уровня. С использованием данных наблюдений и модельных расчетов мы анализируем, в какой степени это связано с естественными процессами, в том числе с циклическими процессами, и в какой – с антропогенными факторами. Для региона Байкала при продолжении общего потепления возрастает риск лесных пожаров, особенно при уменьшении количества осадков в теплые сезоны.

При изменениях климата меняется стратификация атмосферы, при этом меняются условия генерации циклонов и антициклонов, режим облаков. В последние десятилетия, например, в связи с общим потеплением усиливаются конвективные процессы в атмосфере, с ростом роли конвективных облаков, в том числе грозовых. При сильном прогреве поверхностных слоев моря возможно развитие режима супер-конвекции с экстремальными осадками, как произошло в причерноморском Крымске в 2012 г. С увеличением влагоемкости атмосферы при потеплении увеличивается вероятность экстремально сильных осадков. Возрастает риск формирования в российских регионах атмосферных смерчей.

Можно ли подобные процессы предсказывать, чтобы избежать каких-то катастрофических последствий?

– Современные модели демонстрируют колоссальный прогресс. Кстати, когда мы анализировали режим засухи с пожарами на европейской территории России летом 2010 года с использованием модельных расчетов, то для одного из модельных прогонов было выявлено, что именно в 2010 году было получено столь экстремально длительное блокирование около двух месяцев. Это свидетельствует о потенциале современных моделей.

Но, тем не менее, система настолько сложная, что всегда остается неопределенность. Стопроцентный климатический прогноз невозможен в принципе. Можно привести пример с аттрактором Лоренца. Эдвард Лоренц – метеоролог с математическим образованием – предложил простейшую модель конвекции в атмосфере – систему трех нелинейных уравнений, для которой выявлена сложнейшая динамика и практическая непредсказуемость траекторий. Это свидетельствует о том, что даже для простейших атмосферных моделей, не говоря уже о реальной земной системе, динамика исключительно сложна и непредсказуема.

– Ураганы, циклоны, массивные пожары и наводнения – это же не просто природные явления, а бедствия, в результате которых страдают люди. Наверное, надо искать какие-то пути решения этих проблем.

–  В 1987 году был предложен Монреальский международный протокол к Венской конвенции об охране озонового слоя 1985 года – с целью защиты озонового слоя. В 1992 году была принята Рамочная конвенция ООН об изменении климата, на основе и в развитие которой в 1998 году был сформулирован Киотский протокол с целью сокращения выбросов в атмосферу парниковых газов. Ключевую роль в его инициализации сыграла ратификация протокола Россией в 2004 году. Действие Киотского протокола (2008-2012 гг.) – первая международная попытка ограничения выбросов в атмосферу парниковых газов с целью предотвращения глобального потепления. Это имело важное политическое значение, но климатический эффект предложенных протоколом ограничений эмиссий парниковых газов был слабым – на уровне современной климатической изменчивости. В дальнейшем был целый ряд неудачных попыток организовать новое международное соглашение. В 2009 году была принята Климатическая доктрина Российской Федерации, в дальнейшем был принят Комплексный план реализации Климатической доктрины Российской Федерации до 2020 года.  

В 2015 году было принято Парижское соглашение, в соответствии с которым каждое государство должно вносить свой вклад в ограничение эмиссии парниковых газов, чтобы сдержать глобальное потепление. Россия подписала Парижское соглашение, но пока не ратифицировала. В настоящее время в России уточняется Национальный план адаптации к климатическим изменениям.

Важно, чтобы человечество было способно к позитивным решениям на глобальном уровне и на уровне каждой страны. Хотя, даже если мы сейчас прекратим все эмиссии, потепление в нашей инерционной климатической системе продолжится, хотя и медленнее. Помните, как у Булгакова? Аннушка уже разлила масло.

– Ничего нельзя изменить?

– Можно снизить темпы этого роста. От человечества зависит многое.

– Как вы думаете, человечество когда-нибудь научится управлять климатом?

– Варианты управления климатом еще в 1970-е годы предлагал российский ученый Михаил Иванович Будыко. Предлагалось искусственно распылять аэрозоль в стратосфере с охлаждающим эффектом для земного климата по аналогии с действием вулканических извержений.

– Частицы серы? Ведь этот метод потом пропагандировал академик Израэль.

– Да, Юрий Антониевич Израэль, а также нобелевский лауреат Пауль Крутцен основывались на идее, предложенной ранее М.И. Будыко. Подобный эффект проявляется в случае “ядерной зимы”. Следует отметить серьезнейшие противопоказания, в том числе экологические, для использования такого метода борьбы с потеплением. Мы в свое время оценивали с глобальной климатической моделью ИФА РАН последствия подобного геоинжиниринга. Получили, что если начинать процедуру корректировки климата, то необходимо это постоянно поддерживать. В случае прекращения последствия могут быть хуже, чем в случае бездействия.

– Иначе говоря, на данном этапе развития человечество совсем не готово к таким вмешательствам.

– Наше вмешательство уже сейчас такое активное, что может привести к последствиям, которые мы даже не прогнозируем. И наша задача – не усиливать своё вмешательство, а минимизировать его. Надо очень осторожно относиться к нашему хрупкому и пока единственному дому.

– Во многих академических институтах говорят о том, что надо быть бережными, что мир вокруг нас чрезвычайно хрупок и уязвим. По отношению к атмосфере мы тоже можем так сказать? Её можно разрушить?

– Важно понимать, что воздействия на земные экосистемы приводят к необратимым изменениям. В настоящее время уже отмечается сокращение биоразнообразия. Рэй Бредбери в своем научно-фантастическом рассказе “И грянул гром” приводит пример, к каким непредсказуемым последствиям может привести гибель одной бабочки. Загрязнение атмосферы чревато серьезными проблемами для здоровья, и можно догадываться, как это может сказаться через поколения.

– Наука об атмосфере радует нас какими-то новыми открытиями или всё уже известно?

– Известно, конечно, далеко не всё. Например, в последние годы было обнаружено новое геофизическое явление – кратеры на Ямале. Там много небольших озер, происхождение которых может объяснить этот феномен. Мы предложили модельное объяснение, с чем может быть связано формирование таких кратеров, которые быстро превращаются в озера – в течение двух лет. Это связано с тем, что Ямал – это регион с вечной мерзлотой, которая быстро тает. Наше объяснение образования этих кратеров связано с деградацией метангидратов. Это кластеры изо льда и метана, которые могут деградировать при потеплении, и метан при этом может прорываться наружу. Однако метангидраты обычно образуются при определённом температурном режиме и при повышенном давлении – обычно на глубине в две-три сотни метров. А кратеры на Ямале сравнительно неглубокие. Метангидраты неглубокого залегания могли образоваться 90 тысяч лет назад, когда здесь был ледовый щит. Ледовый щит отступил, а метангидраты неглубокого залегания сохранились под сравнительно нетолстым слоем вечной мерзлоты. При нынешнем потеплении крышка из слоя деградирующей вечной мерзлоты перестает удерживать разлагающиеся метангидраты, что приводит к прорыву газа в атмосферу.

Возникает вопрос, почему метангидраты неглубокого залегания на Ямале и в сопредельных регионах не прорвались в оптимуме голоцена около 6 тысяч лет назад, когда согласно разным реконструкциям было теплее? Проявление этих кратеров может быть индикатором, что мы уже достигли (или даже превысили), по крайней мере на региональном уровне, потепления оптимума голоцена.

А как вы думаете, антропогенный фактор может стать могильщиком уникального объекта – планеты Земля, которая его породила?

– На этот вопрос трудно ответить однозначно. Глобальные и региональные оценки зависят от временных горизонтов и от сценариев возможных изменений. При этом к любым изменениям надо быть готовым.

Речь о гибели Земли как планеты может идти на масштабах миллиардов лет – это связано с эволюцией Солнца как звезды. Однако нельзя исключать опасность необратимого разгона парникового эффекта с превращением Земли в безжизненную планету. Пример – Венера.  

Если рассматривать Землю на временах сотен тысяч лет, то мы находимся в межледниковье с максимальными значениями температуры в пределах 100-тысячелетнего ледникового цикла, задержавшись в этой фазе – так называемом голоцене – более чем на 10 тысяч лет.  Без учета возможного антропогенного потепления в ближайшие десятки тысяч лет на Земле должен был наступать очередной ледниковый период, как это было в течение последнего миллиона лет. Но этого не происходит. Более того – мы теплеем с большей скоростью. Причем скорость потепления существенно больше, чем потенциальная скорость скатывания в ледниковый период. При учете антропогенных выбросов парниковых газов согласно модельным оценкам возможно продолжительное (на десятки тысяч лет) затягивание фазы межледниковья. При этом (в зависимости от сценария) есть потенциальная опасность превышения критического уровня для начала  необратимого разгона парникового эффекта. Таким образом, все оценки существенно зависят от уровня антропогенных воздействий.

– То есть, от нашего поведения?

– Да, в зависимости от этого возможны разные сценарии. Не случайно предложено в общей геохронологической шкале выделить отдельно связанный с антропогенной деятельностью антропоцен. Стоит отметить, что есть немало скептиков, в том числе в нашей стране, считающих, что роль антропогенного фактора преувеличена. Однако согласно расчетам с лучшими современными моделями и результатам анализа данных без учета антропогенного фактора современные изменения климата объяснить невозможно.

Игорь Иванович, как вы думаете, земная атмосфера, которой Вы посвятили свою научную жизнь, это уникальное явление? Может ли быть нечто подобное во Вселенной?

В курсе теории климата я рассказываю студентам про уникальные условия формирования земной климатической системы в сопоставлении с режимами других планет. Безусловно, земная система уникальна. При этом, конечно, можно надеяться, что во Вселенной мы не одни. Но повторение земной истории невероятно. Сочетание факторов, которые привели к формированию жизни на нашей планете, – удивительное и неповторимое явление. Очень важно сегодня это понимать. Ведь есть реальная опасность необратимого разгоняющегося парникового эффекта, который приводит нас к сценарию безжизненной Венеры. К этому надо серьезно относиться, даже если запас устойчивости представляется значительным. Это может стоить человечеству слишком дорого. С точки зрения изменений климата мы живем в интереснейшее время, но и ответственность за будущее Земли высока.

 

игорь иванович мохов научный руководитель института физики атмосферы им ам обухова ран

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий

Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия". Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.