За моделиране на климата на Земята и надеждно прогнозиране на глобалното затопляне

Всички сложни системи се състоят от много различни взаимодействащи части. Те са изследвани от физици от няколко века и може да бъде трудно да се опише математически – те могат да имат огромен брой компоненти или да се управляват случайно. Те биха могли също да са хаотични, като времето, където малки отклонения в първоначалните стойности водят по-късно до огромни разлики.

Климатът на Земята е един от многото примери за сложена система. Сюкуро Манабе и Клаус Хаселман са наградени с Нобелова награда за физика през 2021 г. за тяхната новаторска работа за развитие на климатични модели. А Джорджо Паризи е удостоен за откриването на взаимодействието на хаоса и колебанията във физическите системи от атомни до планетарни мащаби.

Сюкуро Манабе демонстрира как се увеличават концентрациите на въглероден диоксид в атмосферата водят до повишаване на температурите на повърхността на Земята. През 60-те години той ръководи развитието на физически модели на климата на Земята и е първият човек, който изследва взаимодействието между радиационен баланс и вертикален транспорт на въздушни маси. Неговата работа поставя основите на разработване на климатичните модели.

Около десет години по-късно Клаус Хаселман създава модел, който свързва времето и климата, като по този начин се отговаря на въпроса защо климатичните модели могат да бъдат надеждни, въпреки че времето е променливо и хаотично. Той също така разработи методи за идентифициране на специфични сигнали, пръстови отпечатъци, които са естествени явления и човешки дейности отпечатват в климата. Неговите методи са използвани, за да докажат, че повишената температура в атмосферата се дължи на човешките емисии на въглероден диоксид.

Преди двеста години френският физик и математик Жозеф Фурие изучава енергийния баланс между слънчевата радиация към Земята и радиацията от Земята. На повърхността на Земята получената слънчева радиация се трансформира в изходяща радиация – „тъмна топлина“, която се абсорбира от атмосферата, като по този начин я нагрява. Атмосферата е защитната роля сега се нарича парников ефект. Това име идва от приликата му със стъклото на оранжерия, които пропускат нагряващите лъчи на Слънцето, но улавят топлината вътре. Излъчващите процеси в атмосферата обаче са далеч по-сложни. Задачата остава същата като тази, поета от Фурие – да се изследва балансът между късовълновата слънчева радиация, идваща към нашата планета, и изходящата дълъгълнова, инфрачервена радиация на Земята.

Доълнителни изследвания бяха осъществени от много климатолози през следващите два века. Съвременните климатичните модели са невероятно мощни инструменти не само за разбиране на климата, но и за разбиране на глобалното затопляне, за което хората са отговорни. Тези модели се основават на законите на физиката и са разработени от модели, които са били използвани за прогнозиране на времето. Времето се описва с метеорологични величини като температура, валежи, вятър или облаци и се влияе от това, което се случва в океаните и на сушата.

Климатичните модели се основават на изчислените статистически свойства на времето, като средни стойности, стандартни отклонения, най-високите и най-ниските измерени стойности и т.н.
Установяване на ролята на въглеродния диоксид като Парниковия ефект е от съществено значение за живота на Земята. Той регулира температурата, защото парниковите газове в атмосферата – въглероден диоксид, метан, водни пари и други газове първо поглъщат инфрачервеното излъчване на Земята и след това освобождава тази абсорбирана енергия, загрявайки околния въздух и земята под него.

Парниковите газове всъщност съставляват много малка част от атмосфера на Земята, т.е. до голяма степен азот и кислород – те са 99 % по обем. Въглеродният диоксид е само 0,04 % по обем. Най-мощният парников газ е водната пара, но не можем да контролираме концентрацията
на водни пари в атмосферата, докато можем да контролираме тази на въглероден диоксид. Количеството водни пари в атмосферата е силно зависимо от температурата, което води до механизъм за обратна връзка. Повечето въглероден диоксид в атмосферата го затопля, което позволява повече водни пари да се задържат във въздуха, което увеличава парниковия ефект и прави температурите още по-високи. Ако нивото на въглеродния диоксид спадне, част от водната пара ще се кондензира и температурата ще се понижи.

Важна първа част от пъзела за въздействието на въглеродния диоксид дойде от шведския изследовател и Нобелов лауреат Сванте Арениус. Между другото, това е неговият колега, метеоролог Нилс Екхолм, който през 1901 г. е първият, който използва думата парник при описване на атмосферното съхранение и повторно излъчване на топлина. Арениус развива физиката, отговорна за парниковия ефект до края на XIX век – това изходящо излъчване е пропорционално на абсолютната температура на излъчващото тяло (T) до четвърта степен (T⁴).
Колкото по-горещ е източникът на радиация, толкова по-къса е дължината на вълната на лъчите. Слънцето има повърхностна температура 6000°C и излъчва предимно лъчи във видимия спектър. Температурата на земната повърхност е само 15°C, излъчва отново инфрачервено лъчение, което е невидимо за нас. Ако атмосферата не погълне тази радиация, повърхностната температура едва би надхвърлила -18°C. Арениус  стига до заключението, че ако нивото на въглероден диоксид в атмосферата се намали наполовина, те ще са достатъчни, за да може Земята да навлезе в нов ледников период. И обратно – удвояване на количеството въглерод диоксидът би повишил температурата с 5 – 6°C, резултат, който малко случайно е поразителен близо до настоящите оценки.

През 50-те години японският физик Сюкуро Манабе е един от младите и талантливи изследователи в Токио, който напуска Япония, опустошена от войната, и продължиха кариерата си в САЩ. Целта на изследванията на Манабе са като тази на Арениус около седемдесет години по-рано – да разбере как повишените нива на въглероден диоксид могат да причинят повишаване на температурата. Въпреки това, докато Арениус се фокусира върху радиационния баланс, през 60-те години Манабе ръководи работата по разработването на физически модели за включване на вертикалния транспорт на въздушни маси поради конвекция, както и латентна топлина на водни пари. За да направи тези изчисления управляеми, той избра да намали модела до едно измерение – вертикална колона, 40 km във височина в атмосферата. Въпреки това бяха необходими стотици ценни часове изчисления за тестване на модела чрез промяна на нивата на газове в атмосферата. Кислородът и азота имат
незначителни ефекти върху температурата на повърхността, докато въглеродният диоксид е имал ясно въздействие: когато нивото на въглеродният диоксид се удвои, глобалната температура се повиши с над 2°C.

Моделът потвърди, че това нагряване наистина се дължи на увеличаването на въглеродния диоксид, тъй като то прогнозира повишаване на температурите по-близо до земята, докато горните слоеве на атмосферата са по-студени. Ако вариациите в слънчевата радиация са отговорни за повишаването на температурата вместо цялата атмосфера трябва да се отоплява едновременно. Преди шестдесет години компютрите са стотици хиляди пъти по-бавни от сега, така че това моделът беше сравнително прост, но Манабе получи правилните ключови характеристики. Прозренията от модела доведоха до климатичен модел в три измерения, който Манабе публикува през 1975 г . Това е още един крайъгълен камък по пътя към разбирането на тайните на климата.

Около десет години след Манбе, Клаус Хаселман успя да свърже времето и климата като намери начин да надхитри бързите и хаотични климатични промени, които са толкова с обезпокоителни изчисления. Нашата планета има огромни промени във времето, тъй като слънчевата радиация е толкова неравномерно разпределена, както географски, така и във времето. Земята е геоид, така че по-малко слънчеви лъчи достигат по-големите географски ширини отколкото около Екватора. Не само това, но оста на Земята е наклонена, правейки сезонни разлики във входящата радиация. Разликите в плътността между по-топъл и студен въздух причиняват колосално транспортиране на топлина между различните географски ширини, между океана и сушата, между по-високите и по-ниски въздушни маси, които движат времето на нашата планета.

Нищо не може да бъде по-лошо, що се отнася до времето. Това отчасти се дължи на факта, че на практика е невъзможно да бъдем достатъчно точни – да посочим температурата на въздуха, налягането, влажността или условия на вятъра за всяка точка в атмосферата. Също така, уравненията са нелинейни; малки отклонения в първоначалните стойности може да накара метеорологичната система да се развива по напълно различни начини. На практика това означава, че е невъзможно да се произвежда дългосрочно прогнозите за времето. То е хаотично. Това откритие е направено през 60-те години от американския метеоролог Едуард Лоренц, който положи основите на днешната теория за хаоса.

Как можем да произвеждаме надеждни климатични модели за няколко десетилетия или стотици години в бъдещето, въпреки времето е класически пример за хаотична система? Около 1980 г. Клаус Хаселман демонстрира как хаотично променящите се метеорологични явления могат да бъдат описани като бързо променящ се шум, като по този начин се поставят дългосрочни климатични прогнози. Освен това той разработи методи за идентифициране на човешкото въздействие върху наблюдаваната глобална температура. Като млад докторант по физика в Хамбург, Германия, през 50-те години, Хаселман работи върху динамиката на фюида, след това започна да разработва наблюдения и теоретични модели за океанските вълни и течения.

Получаването на климатичен модел от шумни метеорологични данни може да се илюстрира чрез разходка на куче: кучето тича напред, назад и настрани. Как можете да използвате кучешките следи, за да видите дали ходите или стоите неподвижно? Или дали вървите бързо или бавно?
Следите на кучето са промените във времето, а разходката ви е изчисленият климат. Възможно ли е изобщо да се направят изводи за дългосрочните тенденции в климата, като се използват хаотични и шумни метеорологични данни? Едно допълнително затруднение е, че колебанията, които влияят върху климата, са изключително променливи с течение на времето – те могат да бъдат бързи, като например силата на вятъра или температурата на въздуха, или много бавни, като например топене на ледени плочи и затопляне на океаните. Например равномерното нагряване само с една десета може да отнеме хиляди години за океана, но само няколко седмици за атмосферата. Решаващият трик беше включването на бързите промени във времето в изчисленията като шум и показване как този шум влияе на климата. Хаселман създаде стохастичен климатичен модел, което означава, че случайността е вградена в модела. Вдъхновението му идва от теорията на Алберт Айнщайн за броуновското движение. Използвайки тази теория, Хаселман демонстрира, че бързо променящата се атмосфера всъщност може причиняват бавни вариации в океана.

След като моделът за изменението на климата е завършен, Хаселман разработи методи за идентифициране на човешкото въздействие върху климатичната система. Той откри, че моделите, заедно с наблюдения и теоретични съображения, съдържат адекватна информация за свойствата на шума и сигналите. Например промените в слънчевата радиация, вулканичните прахови частици или нивата на парникови газове оставят уникални сигнали, пръстови отпечатъци, които могат да бъдат отделени. Този метод за идентифициране на пръстови отпечатъци може да се приложи и към въздействието, което хората оказват върху климатичната система. Така Хаселман разчисти пътя към по-нататъшни изследвания на изменението на климата, които са демонстрирали следи от човешко въздействие върху климата с помощта на голям брой независими наблюдения.

Климатичните модели стават все по-усъвършенствани, тъй като процесите, включени в климата, усложняващи взаимодействията се картографират по-задълбочено. Не на последно място чрез сателитни измервания. Моделите ясно показват ускоряващ се парников ефект. От средата на XIX век, нивата на въглероден диоксид в атмосферата са се увеличили с 40 %. Земната атмосфера не съдържа толкова въглероден диоксид в продължение на стотици хиляди години. Съответно температурните измерванията показват, че светът се е затоплил с 1°C през последните 150 години.

Сюкуро Манабе и Клаус Хаселман са допринесли в най-голямата полза за човечеството, в духа на Алфред Нобел, като осигурява солидна физическа основа за познанията ни заклимата на Земята. Вече не можем да кажем, че не сме знаели – климатичните модели са недвусмислени. Земята загрява ли се? Да. Причината ли е за увеличените количества парникови газове в атмосферата? Да. Може ли това да се обясни единствено с природни фактори? Не. Емисиите на човечеството ли са причината за повишаване на температурата? Да.

Източник: They found hidden patterns in the climate and in other complex phenomena