Моделирането на атмосферните процеси е в основата на съвременната метеорология

Учените идентифицират дълбоките връзки между морето, сушата и атмосферата

Снимка: Flickr

Моделирането на атмосферните процеси е в основата на съвременната метеорология

Учените идентифицират дълбоките връзки между морето, сушата и атмосферата

13:29 | 8 октомври 2021 1 1197 Снимка: Flickr

Работите на тазгодишните нобелови лауреати по физика Сюкуро Манабе и Клаус Хаселман са не само научен пробив, който постави началото на мащабни изследвания на климата по цял свят. Те имат голямо и непосредствено приложно значение. Това отбелязва за БТА проф. дфн Костадин Ганев, член-кореспондент на БАН, от Националния институт по геофизика, геодезия и география към Българската академия на науките /НИГГГ-БАН/.

Още по темата

От Националния институт по метеорология и хидрология /НИМХ/ посочват, че моделирането на атмосферните процеси е в основата на съвременната метеорология.

Нобеловата награда за физика за 2021 г. беше присъдена във вторник "за основополагащ принос към разбирането ни на сложните физични системи". Тя се поделя между Сюкуро Манабе и Клаус Хаселман "за физическото моделиране на климата на Земята, количественото определяне на променливостта и надеждно предсказване на глобалното затопляне" и Джорджо Паризи "за откриване на взаимодействието на хаоса и колебанията във физическите системи от атомни до планетарни мащаби".

Това вероятно е първият случай, когато Нобеловата награда за физика се дава за постижения в изучаване на атмосферата и климата, посочва проф. Ганев.

Какви са постиженията на тримата наградени учени?

През 60-те години на ХХ век японецът Сюкуро Манабе, развиващ дейността си основно в САЩ, разработва заедно с Джоузеф Смагорински първия модел на Глобална циркулация на атмосферата. През 1967 г. той и Ричард Уетералд от Лабораторията за геофизична флуидна динамика на NOAA показват, че концентрирането на парникови газове, включително въглероден диоксид, водни пари и озон в атмосферата може да повлияе на температурите. Тяхната статия е първото достоверно свидетелство за това, което днес наричаме глобално изменение на климата, посочва проф. Ганев и допълва, че работата им е довела през 1975 г. до първия триизмерен модел на глобалното затопляне.

Манабе идентифицира дълбоките връзки между морето, сушата и атмосферата. Неговата революционна идея - да използва компютърните симулации, за да предскаже как температурите на повърхността на Земята се влияят от състоянието на атмосферата, е голям пробив, който дава на изследователите мощен нов инструмент за изследване на сложните климатични системи на Земята, посочва Ганев и отбелязва, че тази работа е в основата на всички съвременни климатични модели.

Около десетилетие след основополагащата работа на д-р Манабе, д-р Хаселман създава модел, който свързва краткосрочните атмосферни явления - с други думи характеристиките на текущото време, с явленията и процесите, определящи климата, като например океански и атмосферни течения. С това д-р Хаселман успя да отговори на въпроса защо климатичните модели могат да бъдат надеждни, въпреки че времето е променливо и хаотично, обяснява проф. Ганев. Нещо повече, Хаселман разработи методи за идентифициране на различните механизми и процеси, които формират климата, включително на въздействието на човешката дейност върху глобалните температури, допълва българският учен.

Работата на Хаселман, посочи Ганев, полага основите за изследване на влиянието на изменението на климата върху конкретни събития като суши, топлинни вълни, силни дъждовни бури.

Какво представлява изучаването на климата?

За да бъдат разбрани и оценени по достойнство научните постижения на Сюкуро Манабе и Клаус Хаселман, трябва да бъде изяснено какво представлява изучаването на климата като задача на физиката, отбелязва Ганев.

Той обяснява, че климатът е дългосрочен режим на метеорологичното време. Времето, за разлика от климата, е мигновено състояние на някои характеристики като температура, влажност, атмосферно налягане, валежи, вятър. Климатът в широк смисъл - глобален климат - характеризира статистическия ансамбъл на състояния на системата "атмосфера - хидросфера - земя - криосфера - биосфера" в продължение на няколко десетилетия.

Източник на енергия на системата "атмосфера - хидросфера - земя - криосфера - биосфера" е слънчевата радиация. Въпреки факта, че около 31 процента от получената радиация се отразява обратно в космоса, останалата част е достатъчна за поддържане на атмосферните и океанските движения и за осигуряване на енергия за почти всички биологични процеси на Земята.

Има и други астрономични фактори, освен лъчистата енергия на Слънцето, които влияят на системата "атмосфера - хидросфера - земя - криосфера - биосфера": въртенето на земното кълбо около оста му причинява ежедневни промени във времето; движението на Земята около Слънцето и наклонът на оста на въртене към орбиталната равнина причиняват сезонни и географски разлики в метеорологичните условия. Ексцентрицитетът на земната орбита влияе върху разпределението на топлината между Северното и Южното полукълбо, както и върху големината на сезонните промени. Поради въртенето на Земята съществуват пасати и мусони, както и циклони, разказва Ганев.

Описаните астрономични фактори на климата са всъщност най-лесни за отчитане в климатичните модели. Те "задвижват" вече неколкократно споменатата система "атмосфера - хидросфера - земя - криосфера - биосфера", но именно изключително сложните и многопосочни взаимодействия между атмосферата, хидросферата, земната повърхност, криосферата (снежните и ледени масиви) и биосферата са тези които обуславят детайлите на глобалния (а също регионален и локален) климат. Тези взаимодействия са нелинейни (а това означава, че енергетически малки въздействия понякога могат да имат много голям ефект) с многобройни прави и обратни връзки. Нещата още повече се усложняват, когато към системата се включи и антропосферата - човекът с неговите дейности и творения, отбелязва ученият.

Поради всичките тези сложни и многопосочни взаимодействия системата "атмосфера - хидросфера - земя - криосфера - биосфера - антропосфера" има хаотично поведение, което се поддава единствено на стохастично описание. Намирането на закономерностите в този хаос, това всъщност е задачата за моделиране на климата и голямото научно постижение на Сюкуро Манабе и Клаус Хаселман, отбелязва Ганев.

Той посочва, че не е случайно, че третият награден е Джорджо Паризи. Италианецът Паризи успява да открие закономерности в поведението на неподредени сложни материали. В по-широк план неговите открития лежат в основата на теорията за сложните системи като цяло. Сложна система, просто казано, е система, която се състои от много взаимодействащи компоненти по такъв начин, че придобива нови свойства, които не се свеждат до сумата от свойствата на нейните компоненти, отбелязва Ганев. Уравненията на Паризи описват растежа на повърхностите, кръженето на ята птици и движението на елементарни частици. Резултатите от работата му се прилагат в математиката, физиката, биологията, невронауките, машинното обучение.

Общото между работите на Манабе и Хаселман и тази на Паризи е именно сложността и умението тя да се опише. В края на краищата климатът на Земята е сложна система и ключът към разбирането й е способността да се види подреденост в очевидния хаос на метеорологичното време, посочва Ганев. Друго основно и нетривиално свойство на сложните системи е, че много малка промяна в един от параметрите може да доведе до огромни общи промени в цялата система. Това обяснява и ефекта на въглеродния диоксид - много малка промяна в неговото съдържание има огромно въздействие върху климата на Земята като цяло.

Приложното значение на откритията

Работите на Манабе и Хаселман са не само научен пробив, който постави началото на мащабни изследвания на климата по цял свят, но те имат голямо и непосредствено приложно значение. Глобалното затопляне не означава просто повишаване на средните температури. То е следствие от настъпващите изменения в глобалната циркулация на системата "океан - атмосфера", които водят до изменения не само на температурите, но и на пространствено-времевото разпределение на валежите, оттам на глобалните водни баланси, до изменение на характера, повторяемостта и пространственото разпределение на екстремни, неблагоприятни и катастрофални явления (засушавания, бури, градушки, наводнения, пожари, морски вълнения, ерозия на почвите и т.н.), посочва проф. Ганев. По думите му всички тези промени ще оказват влияние върху екосистемите, върху практически всички отрасли на стопанството и в крайна сметка върху качеството на живота. Това, от своя страна, обуславя необходимостта от разработване на планове и система от мерки насочени както към смекчаване, така и към адаптация към глобалните климатични промени.

Климатичните промени и следствията от тях имат множество регионални/локални особености, които глобалните климатични модели не могат да предскажат в детайли. Ето защо един план за действие за адаптация към климатичните промени не може да бъде универсален, посочва Ганев. Той отбелязва, че всяка страна трябва сама да изработи такъв план, отчитайки очакваните регионални и локални особености в измененията на климата и следствията от тях. По тази причина и в нашата страна от няколко години целенасочено и активно се работи по моделиране на основата на глобалните климатични сценарии, на регионалния ни климат, неговите очаквани изменения и последствията от тях, казва Ганев.

За практическата насоченост на научните открития на тазгодишните нобелови лауреати по физика от НИМХ обясняват, че за да знаем докъде ще стигне климатичната ни система, как да се погрижим да не излизаме от границите на допустимото, помагат научните работи в численото моделиране. От Института напомнят, че науката, изучаваща времето, климата и всичко онова, което директно или индиректно е свързано с нея, ще става все по значима за съвременния ни свят.

Съставянето на числени симулационни модели е изключително продуктивен подход, което определя крайъгълното му положение в почти всички направления на съвременната метеорология, посочват от НИМХ. Сред примерите е кратко- и средносрочната прогноза на метеорологичното време. Тази област е доминирана от численото симулиране вече няколко десетилетия, както по света, така и у нас, отбелязват от Националния институт по метеорология и хидрология.

Клаус Хаселман е известен и с приносите си към физическата океанография, посочват от НИМХ. Основният му принос е в областта на изучаването и моделирането на морските вълни. Интересно е, че за да създаде теория на нелинейните взаимодействия на морски вълни и да направи възможно отчитането им във вълновите модели, той прилага подхода на Файнмановите диаграми от квантовата теория на полето към случая на класически вълни, посочват от НИМХ. Неговите научни резултати го правят един от бащите на съвременното числено моделиране на морско вълнение. Освен с изучаването на нелинейните взаимодействия между вълни, той е известен и с проекта JONSWAP (Joint North Sea Wave Observation Project), изучаването на дисипацията на енергия на вълните в дълбоки води (whitecapping) и като един от създателите на първия вълнови модел от трето поколение - WAM. Днес в НИМХ се ползват оперативно вълновите модели от трето поколение SWAN и Wavewatch III, които са създадени на базата на модела WAM и в основата им са залегнали научните приноси на Клаус Хаселман, отбелязват от Института.

ИЗБРАНО