Modelli matematici del sistema climatico. Climatologia Sistema climatico e clima
Modellare la circolazione globale. Molti autori hanno costruito modelli numerici di circolazione nelle singole aree dell'Oceano Mondiale. Tali lavori sono di interesse metodologico e regionale (citiamo, in particolare, l'eccellente lavoro di M. Cox (1970) sulla modellazione della variabilità stagionale delle correnti nell'Oceano Indiano con i suoi effetti monsonici più fortemente sviluppati). Tuttavia, tutte le acque dell'Oceano Mondiale sono collegate tra loro e la teoria del clima richiede modelli numerici della circolazione in tutto l'Oceano Mondiale con i contorni reali delle sue coste e della topografia del fondale. Finora sono stati costruiti pochi modelli di questo tipo.[...]
Con il cambiamento climatico, il punteggio di nuvolosità, l’altezza del limite superiore, il contenuto di acqua, la composizione della fase e la funzione di distribuzione dimensionale delle particelle delle nuvole possono cambiare. I risultati della simulazione numerica con modelli 3D di circolazione atmosferica generale mostrano un aumento dell’altezza delle nuvole per la maggior parte delle latitudini e una diminuzione della quantità di nuvole nella media e alta troposfera alle basse e medie latitudini. La riduzione della quantità di nuvole porta ad un aumento dell’assorbimento della radiazione solare e un aumento dell’altezza media delle nuvole riduce il raffreddamento a onde lunghe. L'effetto combinato di entrambi gli effetti dà un feedback positivo molto forte, stimato nell'intervallo tra -0,8 e -1,1 W-m"2-K1. Il valore X = -0,9 W-m-K"1 aumenta il riscaldamento a 4,4 K.[... ]
Modellazione matematica. Stabilire la relazione “impatto-risposta” in ecosistemi complessi e determinare il grado di impatto antropico è possibile costruendo un modello matematico (lo stesso utilizzato per determinare l’impatto antropico sul clima). Tali modelli consentono di studiare la sensibilità di un ecosistema ai cambiamenti dell'uno o dell'altro fattore d'influenza.[...]
Tuttavia, questi modelli climatici presentano anche una serie di gravi carenze. La struttura verticale dei modelli si basa sul presupposto che il gradiente di temperatura verticale sia uguale a quello di equilibrio. La loro semplicità non permette di descrivere correttamente processi atmosferici molto importanti, in particolare la formazione delle nubi e il trasferimento di energia convettiva, che per loro natura sono campi tridimensionali. Pertanto, questi modelli non tengono conto dell’impatto inverso dei cambiamenti del sistema climatico causati da cambiamenti, ad esempio, nella copertura nuvolosa, sulle caratteristiche di quest’ultima, e i risultati dei modelli possono essere considerati solo come tendenze iniziali nell’evoluzione del sistema climatico reale con cambiamenti nelle proprietà dell’atmosfera e della superficie sottostante.[... ]
Allo stato attuale, la modellizzazione accurata dell’effetto climatico indiretto dell’aerosol sembra essere molto problematica a causa del fatto che la sua descrizione include un complesso di processi fisici e reazioni chimiche, nella nostra comprensione dei quali non c’è completa chiarezza. L'importanza dell'effetto indiretto dell'aerosol sul clima può essere giudicata dal fatto che in un certo senso le nuvole possono essere considerate come un prodotto di questo effetto, poiché c'è motivo di credere che la condensazione delle gocce di nuvola non possa avvenire in un'atmosfera da cui le particelle di aerosol sono state completamente rimosse.[ . ..]
Lorenz E.N. Prevedibilità del clima. Fondamenti fisici della teoria del clima e della sua modellizzazione // Tr. Convegno scientifico internazionale.[...]
L'analisi, la valutazione del clima attuale, la previsione dei suoi possibili cambiamenti e fluttuazioni richiedono una grande quantità di dati, ponendo il compito di un'analisi completa dello stato dell'ambiente naturale e della modellizzazione climatica.[...]
Negli ultimi 20 anni, il problema della ricerca e della previsione dei cambiamenti climatici sul nostro pianeta ha acquisito il carattere di un urgente ordine sociale universale rivolto alla scienza. Le prime basi per tale ricerca furono formulate dalla Conferenza Internazionale di Stoccolma del PIGAP del 1974 sui fondamenti fisici della teoria del clima e della sua modellizzazione. Nel 1979, l’Organizzazione Meteorologica Mondiale e il Consiglio Internazionale delle Unioni Scientifiche decisero di lanciare il Programma Mondiale di Ricerca sul Clima (mirato principalmente a studiare la variabilità climatica su scale da diverse settimane a diversi decenni e a creare una base scientifica per le previsioni meteorologiche a lungo termine). .[ .. .]
La monografia delinea i principali contenuti della teoria della modellistica climatica e della costruzione di modelli di radiazione del sistema “atmosfera-superficie sottostante”. Fornisce una breve analisi dell'influenza della variabilità delle proprietà ottiche dell'atmosfera, causata, in particolare, dall'inquinamento di origine antropica, sul regime di radiazione, sul tempo e sul clima della Terra.[...]
Come accennato in precedenza, è stata effettuata una valutazione dell'impatto dei cambiamenti climatici sullo sviluppo dell'agricoltura irrigua per le condizioni della regione economica del Caucaso settentrionale, sulla base dei risultati di un'analisi completa delle condizioni naturali ed economiche e del funzionamento delle risorse idriche. industrie consumatrici [Modeling..., 1992]. Il più grande consumatore di acqua nella struttura del complesso di gestione dell'acqua qui è l'agricoltura irrigua. Spesso determina le condizioni generali della fornitura idrica. I cambiamenti più significativi nel consumo di acqua si possono prevedere nelle aree periferiche della zona irrigata, dove le condizioni naturali di umidità consentono di sviluppare in modo abbastanza efficace l’agricoltura pluviale, insieme all’agricoltura irrigua. In tali aree, le variazioni dei valori medi annui di precipitazione ed evaporazione, così come le loro deviazioni dalla norma, possono portare non solo a cambiamenti nei regimi di irrigazione, ma anche alla necessità di sviluppare nuove aree irrigue (o, al contrario, di interrompere l’irrigazione ). Sono queste aree che comprendono le zone steppiche e forestali del sud della parte europea della Russia (bacini dei fiumi Don, Kuban, Terek, Volga medio e meridionale).[...]
Sembra che il metodo principale della futura teoria del clima sarà la modellazione matematica; avrà potere sia probatorio che predittivo. Notiamo anche che i modelli climatici matematici sono necessari non solo da soli: poiché il clima è un importante fattore ambientale nell'esistenza della popolazione mondiale, i modelli climatici stanno già diventando un blocco necessario dei cosiddetti modelli mondiali destinati alle previsioni quantitative dello sviluppo demografico ed economico dell’umanità.[ .. .]
Le conseguenze negative del riscaldamento globale includono un aumento del livello dell'oceano mondiale dovuto allo scioglimento dei ghiacciai continentali e montani, del ghiaccio marino, dell'espansione termica dell'oceano, ecc. Le conseguenze ambientali di questo fenomeno non sono ancora del tutto chiare e quindi è attualmente in corso un'intensa ricerca scientifica, includendoti anche tu con vari tipi di modellizzazione.[...]
I modelli climatici dinamici radiativi multiparametrici basati su un sistema completo di equazioni dinamiche iniziarono a svilupparsi quando i computer iniziarono ad essere utilizzati per le previsioni meteorologiche a breve termine. I modelli barotropici di Charney furono seguiti molto rapidamente dallo sviluppo di modelli baroclini, che sono in grado di descrivere la dinamica dei sistemi meteorologici alle medie latitudini e possono essere utilizzati non solo per le previsioni meteorologiche, ma anche per studiare le caratteristiche dello stato medio dell'atmosfera su lunghi intervalli di tempo. Nel 1956 apparve il lavoro di Phillips con i primi risultati sulla modellizzazione numerica della circolazione generale dell'atmosfera. Da allora i modelli generali di circolazione hanno subito notevoli sviluppi.[...]
Il libro è dedicato a una breve presentazione dei concetti, delle informazioni e dei metodi della teoria fisica del clima nella sua comprensione moderna. La base di questa teoria è la modellizzazione fisica e matematica del sistema climatico atmosfera-oceano-terra.[...]
Negli ultimi 20-30 anni sono stati sviluppati intensamente vari modelli per valutare i cambiamenti climatici causati dai cambiamenti nella composizione dell’atmosfera. Tuttavia, il sistema climatico è così complesso che non sono ancora stati costruiti modelli che descrivano adeguatamente l'intero insieme di processi naturali che si verificano sulla superficie terrestre e nell'atmosfera e che determinano le dinamiche del tempo e del clima. Inoltre, la nostra comprensione della fisica di alcuni processi e, in particolare, dei meccanismi dei feedback multipli è ancora insoddisfacente. A questo proposito, quando si creano modelli climatici, vengono utilizzate approssimazioni e semplificazioni basate sui dati empirici disponibili. Poiché non è noto a priori quali approssimazioni diano i migliori risultati per modellare l'evoluzione del sistema climatico, sono in fase di sviluppo un gran numero di varianti del modello.[...]
Il libro contiene descrizioni di diversi modelli matematici dei processi di evoluzione dell'atmosfera, della biosfera e del clima. Nonostante siano trascorsi 50 anni dalla pubblicazione del libro, esso è moderno e attuale, soprattutto in connessione con il rapido sviluppo della ricerca nel campo della modellazione dei processi della biosfera.[...]
I dati sopra descritti sono necessari per un’analisi ambientale completa e la modellizzazione climatica. Sottolineiamo che un'analisi completa dello stato dell'ambiente naturale e della modellizzazione climatica ci consentirà di identificare i fattori critici di impatto e gli elementi più sensibili della biosfera (dal punto di vista del successivo impatto sul clima), che garantiranno l'ottimizzazione del sistema di monitoraggio del clima.[...]
Si ritiene che un graduale aumento del flusso del Volga (secondo il cosiddetto scenario del cambiamento climatico globale) porterà ad un aumento del livello del mare di diversi metri (rispetto allo stato attuale), e ciò interesserà principalmente le zone costiere. Esiste anche il cosiddetto “inquinamento secondario”: con l’innalzamento del livello del mare, gli inquinanti che si sono accumulati nelle aree non allagate verranno trasportati nel bacino. I modelli mostrano che i cambiamenti nel livello del mare, che riflettono il “respiro” dell’Oceano Mondiale, avvengono in modo non monotono. Ad esempio, all'inizio del 21 ° secolo. il livello potrebbe non aumentare, ma da qualche parte negli anni '20. di questo secolo potrebbe assumere proporzioni catastrofiche. Ciò dovrebbe essere sempre tenuto in considerazione quando si pianifica lo sviluppo a lungo termine dei giacimenti petroliferi offshore.[...]
Pur rilevando i risultati degli esperimenti modello condotti finora e il loro grande ruolo in futuro, va sottolineato che la modellizzazione e il monitoraggio sono ancora insufficienti per raggiungere l’obiettivo finale di comprendere la natura del clima. È necessario innanzitutto quantificare l'impatto che ogni processo fisico ha sul clima.[...]
Sulla base dei dati climatici ottenuti negli ultimi decenni, non è ancora possibile separare chiaramente i cambiamenti climatici di origine antropica da quelli naturali. Quando si prevedono possibili cambiamenti climatici, è necessario fare affidamento principalmente sui risultati della modellizzazione matematica di sistemi climatici complessi costituiti da atmosfera, oceano, criosfera, terra e biosfera. La capacità di prevedere con il loro aiuto è molto limitata.[...]
Il compito più urgente è organizzare un sistema di monitoraggio che renda possibile (ovviamente, in combinazione con la modellizzazione climatica e altri approcci) di identificare in modo affidabile gli effetti e gli impatti di origine antropica e di altro tipo associati al maggiore impatto sul clima e sui suoi cambiamenti.[. ..]
Secondo gli scienziati americani, gli attuali uragani tropicali sembreranno quasi nulla in confronto a quelli che potrebbero verificarsi a causa del riscaldamento globale. Come mostrano le simulazioni al computer delle condizioni che si verificheranno in un mondo in via di riscaldamento, l’aumento della temperatura degli oceani nel prossimo secolo potrebbe portare a velocità del vento più elevate negli uragani e ad un aumento del loro potere distruttivo.[...]
Al simposio sono state presentate anche relazioni sul monitoraggio dell'inquinamento di fondo degli ambienti naturali (ad esempio), sul monitoraggio dell'impatto dell'inquinamento sugli ecosistemi terrestri e marini, sul clima; standardizzazione della qualità dell'ambiente naturale e dei carichi antropogenici, modellazione della diffusione dell'inquinamento e del comportamento degli ecosistemi, nonché valutazione e previsione dell'impatto dell'inquinamento sullo stato degli ecosistemi, vari metodi di osservazione.[...]
I moderni modelli di circolazione atmosferica generale, sulla base dei quali si ottengono le stime più realistiche dell'evoluzione dello stato del sistema climatico, non consentono di prevedere in modo inequivocabile i cambiamenti futuri del clima globale e di prevederne le caratteristiche regionali . Le ragioni principali di ciò sono la modellizzazione molto approssimativa dell’oceano e la sua interazione con altri componenti del sistema climatico, nonché le incertezze nella parametrizzazione di molti importanti fattori climatici. Nel problema del cambiamento climatico globale, è estremamente importante il compito di rilevare l'influenza degli aerosol di origine antropica e dei gas serra sul clima, la cui soluzione consentirebbe di testare a fondo i modelli climatici. La creazione di modelli e schemi più avanzati per la parametrizzazione dei processi climatici è praticamente impensabile senza un monitoraggio globale del sistema climatico, in cui una delle componenti più importanti e dinamiche è l'atmosfera.[...]
Di seguito una tabella riassuntiva. 6.1 (dalle sezioni 4 e 6 del lavoro), che riflette il punto di vista di esperti di vari paesi sull'ordine e l'accuratezza delle misurazioni richieste durante e dopo il Primo Esperimento Globale PIGAP per la modellazione climatica (i valori necessari e desiderati di la precisione della misurazione è espressa come intervalli). I requisiti indicati sono formulati in aggiunta a quelli esistenti per la raccolta dei dati sulla base del World Weather Watch (WWW).[...]
L’indubbio vantaggio dei modelli di circolazione generale atmosferica è il fatto che la loro base fisica è vicina al sistema climatico reale, e ciò consente importanti confronti tra i risultati della modellizzazione numerica e i dati della ricerca empirica. In questi modelli, i feedback esistenti possono essere descritti in modo più corretto, il che rende possibile prevedere l’evoluzione del sistema climatico su intervalli di tempo più lunghi rispetto alle tendenze iniziali. Uno dei principali svantaggi dei modelli di circolazione generale atmosferica - la risoluzione spaziale grossolana - è dovuto al costo elevato e al grande volume di calcoli. Pertanto, i modelli non riproducono i dettagli del clima regionale. I progressi nello sviluppo della tecnologia informatica e il miglioramento di questi modelli lasciano sperare che queste carenze verranno col tempo eliminate.[...]
Come già notato, le informazioni ottenute possono essere utilizzate per risolvere problemi applicativi relativi a vari ambiti dell'attività umana (in agricoltura, edilizia, energia, servizi pubblici, ecc.); per la modellizzazione climatica, che mira a determinare la sensibilità del clima ai cambiamenti di vari parametri e a prevedere la possibile variabilità climatica; identificare i prossimi cambiamenti climatici, evidenziare la componente antropica in questi cambiamenti e determinare le cause di tali cambiamenti.[...]
Fino ad ora, la maggior parte dei modelli globali ha considerato gli aspetti ecologici e puramente naturali dei problemi globali solo in connessione con l’analisi dei processi sociali, economici e demografici – dal punto di vista dell’ecologia umana. È chiaro che anche i processi puramente naturali dovrebbero essere al centro della modellizzazione. Tale esperienza è stata accumulata nella costruzione di modelli climatici globali. Sotto la guida di N.N. Moiseev (1985), furono sviluppati numerosi modelli climatici, incluso il modello dell’“inverno nucleare”, che mostrava chiaramente che per l’umanità e la biosfera terrestre, una guerra nucleare sarebbe un suicidio collettivo.[...]
Il modello stocastico a due fasi consente di ottimizzare sia la strategia di sviluppo che il programma tattico per l'attuazione delle decisioni. I modelli stocastici sono un apparato efficace per risolvere i problemi dell’agricoltura irrigua in zone di umidità instabile, nonché per analizzare la sostenibilità della produzione agricola rispetto ai cambiamenti climatici. Varianti di modelli di irrigazione deterministici e stocastici, testati su reali impianti di gestione dell'acqua in zone con umidità insufficiente e instabile, sono ampiamente presentati nella letteratura scientifica [Lauks et al., 1984; Kardash et al., 1985; Pryazhinskaya, 1985; Modellazione matematica..., 1988; Voropaev et al., 1989; Kardash, 1989, Acqua di Russia. .., 2001].[...]
Nell'ambito dell'approccio statistico, sono stati ottenuti risultati significativi in termini di analisi dei cambiamenti di tendenza nei parametri integrali dell'oceano e dell'atmosfera, nonché della loro interazione, è stata studiata la sensibilità delle caratteristiche atmosferiche ai disturbi oceanici a lungo termine, ed è stata costruita una teoria sulla somiglianza delle atmosfere planetarie, molte delle cui conclusioni vengono utilizzate attivamente nella modellazione del clima terrestre. Negli ultimi due decenni sono stati compiuti progressi nel campo della modellistica dinamico-stocastica dell'interazione tra oceano e atmosfera, sviluppata principalmente grazie al lavoro di K. Hasselmann.[...]
Nella raccolta di lavori selezionati di G. S. Golitsyn, vengono evidenziate sei principali aree di ricerca scientifica, a partire dai primissimi risultati sulla magnetoidrodinamica e sulla turbolenza (Capitolo I). Il capitolo II è dedicato ai risultati degli studi sui vari processi ondosi nell'atmosfera. Il Capitolo III fornisce un'analisi della dinamica delle atmosfere planetarie utilizzando la teoria della similarità. I risultati della ricerca sulla teoria del clima e dei suoi cambiamenti sono presentati nel Capitolo IV. Questo capitolo, tra le altre cose, sottolinea le proprietà estreme del sistema climatico, il problema dell’“inverno nucleare”, la modellazione del livello del Mar Caspio, le variazioni stagionali della temperatura della mesosfera e i cambiamenti nella composizione dell’atmosfera sulla Russia. Il capitolo V è dedicato agli studi sulla convezione nel mantello, nell'atmosfera terrestre e nell'oceano. La convezione rotazionale è studiata teoricamente e in esperimenti di laboratorio, con applicazioni alla convezione profonda nell'oceano, nel nucleo liquido della Terra, per descrivere i regimi energetici degli uragani. Il capitolo VI analizza le statistiche e l'energia di vari processi e fenomeni naturali. Vengono presentati i risultati della ricerca sulla teoria generale della statistica dei processi naturali e dei fenomeni come passeggiate casuali nello spazio della quantità di moto, che consentono di ricavarne i modelli in modo unificato. Sono state studiate la turbolenza di Kolmogorov, le onde del mare e la legge di ricorrenza dei terremoti. Un posto speciale è occupato dal capitolo VII, che caratterizza l'ampiezza degli interessi dell'autore.[...]
La previsione ecologica è una previsione scientifica del possibile stato degli ecosistemi naturali e dell'ambiente, determinato da processi naturali e fattori antropogenici. Quando si effettuano previsioni ecologiche e geografiche, vengono utilizzati metodi di ricerca generali (comparativi, storici, paleogeografici, ecc.), nonché metodi specifici (metodi di analogie ed estrapolazione, indicatore, modelli matematici, ecc.). Recentemente, la modellazione ambientale è diventata particolarmente importante: imitazione di fenomeni e processi ambientali utilizzando modelli di laboratorio, logici (matematici) o su scala reale. Questi metodi vengono oggi utilizzati per studiare le conseguenze ambientali del riscaldamento globale (effetto serra); in particolare, con l’ausilio di modelli matematici, è stato previsto un possibile innalzamento del livello degli oceani nel 21° secolo, nonché il degrado del permafrost in Eurasia. Queste previsioni devono essere prese in considerazione attualmente nella prospettiva di un ulteriore sviluppo delle regioni settentrionali della Russia. Gli scienziati americani, sulla base di uno studio di 22 laghi e bacini artificiali negli Stati Uniti, hanno compilato 12 modelli empirici per l'eutrofizzazione dei corpi d'acqua dolce. Questi modelli aiuteranno a monitorare i futuri tassi di eutrofizzazione di origine antropica e la qualità dell'acqua nei grandi laghi in varie regioni del globo.[...]
Ci sono anche alcuni misteri. Quindi, negli ultimi 10 anni, prima negli oceani meridionali, poi in Siberia, Europa orientale e Nord America occidentale, è stato osservato un riscaldamento, mentre allo stesso tempo è stata osservata una diminuzione delle temperature medie in Groenlandia, nel Canada nordorientale, come così come su un certo numero di isole nell'Artico russo. Nelle regioni polari non si è ancora verificato alcun riscaldamento, anche se secondo i risultati dei modelli matematici del cambiamento climatico questo era previsto qui nella forma più pronunciata: un aumento delle temperature quintuplicato rispetto alla media globale.[...]
La maggiore difficoltà per la ricerca scientifica e la progettazione pratica sono i sistemi di irrigazione in zone di umidità naturale instabile. Pertanto, è stato necessario sviluppare una metodologia e metodi per la misurazione quantitativa del rischio meteo-economico basati su modelli di ottimizzazione speciali [Kardash, Pryazhinskaya, 1966; Pryazhinskaya, 1985]. Tenendo conto della natura stocastica del flusso fluviale e dei processi naturali di umidità nei modelli, è stato possibile modificarli successivamente per studiare l'impatto dei cambiamenti climatici sulla gestione delle risorse idriche [Modellazione matematica..., 1988; Modellazione..., 1992; Gestione delle risorse idriche..., 1996]. Tali modelli non hanno analoghi stranieri.[...]
Un modello di successo significa che il sistema è sufficientemente ben compreso in modo che i fattori che lo influenzano siano noti e la loro influenza possa essere determinata con una precisione almeno ragionevole. Il modello può quindi essere utilizzato in modalità predittiva: si possono fare ipotesi sui parametri delle future funzioni di impatto, dopodiché il modello può essere utilizzato per sviluppare piani realistici. I modelli sono generalmente più utili per "sistemi specifici", vale a dire sistemi che evolvono secondo leggi naturali ben definite (anche se un sistema deterministico può essere comunque molto complesso, come il clima). I sistemi umani, compresi i sistemi economici e industriali, aggiungono un ulteriore elemento alla complessità: la casualità associata alla scelta. Ciò significa che praticamente non solo non sappiamo, ma non possiamo nemmeno sapere in quale direzione si svilupperanno l'industria, l'utilizzo dei materiali, la cultura e la società. Di conseguenza, le persone, come i pianificatori aziendali, che cercano di prevedere e comprendere i possibili futuri sistemi industriali spesso utilizzano metodi meno formali e rigorosi della modellizzazione: un approccio comune è quello di sviluppare opzioni per “futuri” o scenari plausibili ed esplorare le possibilità conseguenze ciascuno di essi.[...]
L’aumento delle concentrazioni di CO2 nell’atmosfera può portare al riscaldamento globale, che, a sua volta, sembra promuovere una maggiore mineralizzazione della materia organica nella tundra e nei terreni torbosi, che aumenta le perdite di CO2 e accelera il tasso di cambiamento climatico globale. Fino a poco tempo fa, la tundra e varie zone umide, così come le torbiere, fungevano da depositi di carbonio nel suolo mondiale; soprattutto dopo il ritiro degli ultimi ghiacciai continentali. Le perdite di carbonio attese dagli ecosistemi della tundra e delle paludi durante il riscaldamento globale in diversi scenari climatici sono state studiate in laboratorio su monoliti prelevati dai terreni corrispondenti, nonché attraverso la modellizzazione computerizzata. Ora sappiamo che, a seguito dello scioglimento del ghiaccio artico dovuto al riscaldamento globale, ci saranno perdite assolute di carbonio dai suoli della tundra esposti a condizioni più calde e umide rispetto a quelle in cui si sono formati i suoli.[...]
Dalla metà del secolo, le ricerche nel campo della biosferologia, iniziate da V.I., sono diventate sempre più importanti. Vernadsky (1863-1945) negli anni '20. Allo stesso tempo, gli approcci ecologici generali si estendono all’ecologia umana e ai fattori antropici. La dipendenza dello stato ecologico di vari paesi e regioni del pianeta dallo sviluppo dell'economia e della struttura produttiva è chiaramente evidente. Un campo sussidiario dell'ecologia, la scienza dell'ambiente umano con le sue branche applicate, sta crescendo rapidamente. L’ecologia si trova al centro di pressanti problemi umani universali. Ciò è stato confermato negli anni '60 - primi anni '70 dalla ricerca di V. A. Kovda sugli impatti tecnogenici sulle risorse terrestri, dallo sviluppo di N. N. Moiseev del modello dell'"inverno nucleare", dai lavori di M. I. Budyko sugli impatti tecnogenici sul clima e sull'ecologia globale. Un ruolo importante è stato giocato dai rapporti del Club di Roma, un gruppo di autorevoli esperti in dinamica dei sistemi e modellizzazione globale (J. Forrester, D. Meadows, M. Mesarovic, E. Pestel), nonché dalla rappresentanza della Conferenza delle Nazioni Unite sull’ambiente e lo sviluppo a Stoccolma nel 1972. Gli scienziati hanno sottolineato le minacciose conseguenze dell’illimitato impatto antropico sulla biosfera del pianeta e la stretta connessione tra problemi ambientali, economici e sociali.[...]
In un certo senso, un problema ancora più complesso è quello dell’analisi e della previsione dei cambiamenti climatici. Se nel caso delle previsioni meteorologiche esiste la possibilità di confrontare costantemente la “teoria” (i risultati dei calcoli numerici) con la “pratica” e il successivo aggiustamento dei metodi di previsione, allora per i cambiamenti climatici previsti per decine, centinaia o più anni questa possibilità è significativamente limitato. Il sistema climatico della Terra comprende tutte le principali geosfere: atmosfera, idrosfera, litosfera, criosfera e biosfera. Va notato la complessità della struttura e delle relazioni nel sistema climatico terrestre, la sua eterogeneità, non linearità e non stazionarietà. Pertanto, i modelli matematici, che sono stati sviluppati intensamente negli ultimi anni, svolgono un ruolo speciale nell’analisi del sistema climatico terrestre. Lo sviluppo di modelli climatici è importante per la previsione climatica e la scelta di una strategia per lo sviluppo umano. Attualmente esistono numerosi modelli climatici; molti centri meteorologici hanno i propri modelli. I modelli del Laboratorio di Fluidodinamica Geofisica dell’Università di Princeton hanno svolto un ruolo importante nello sviluppo della modellistica climatica. Sono ampiamente conosciuti i modelli climatici degli istituti dell'Accademia delle Scienze dell'URSS e della Russia: l'Istituto di Matematica Applicata, l'Istituto di Oceanologia, l'Istituto di Fisica Atmosferica.[...]
Considerando che l’unico nutriente che limita lo sviluppo del biota nell’ecosistema del Lago Ladoga è il fosforo, gli autori hanno costruito altri modelli, per limitare il numero di variabili, come modelli del ciclo del fosforo. Il modello di base del complesso utilizza come variabili tre gruppi di fitoplancton, zooplancton, detriti, materia organica disciolta, fosforo minerale disciolto e ossigeno disciolto. Oltre al modello di base, il complesso comprende: un modello in cui lo zooplancton è rappresentato dalla biomassa generalizzata di zooplancton pacifico (filtrante) e zooplancton predatore; un modello contenente un sottomodello di zoobenthos; un modello in cui il fitoplancton è presentato come un insieme di nove gruppi ecologici, denominati in base ai complessi dominanti in essi compresi. L'ultimo modello è stato realizzato per riprodurre la successione del fitoplancton nel processo di eutrofizzazione antropica del lago. In questo caso, la successione è un cambiamento naturale nella composizione dei complessi fitoplanctonici dominanti sotto l'influenza di determinati impatti sull'ecosistema (ad esempio, cambiamenti nel carico di nutrienti nel corso degli anni, l'emergere di tendenze evidenti nel cambiamento climatico, aumento dell'inquinamento, ecc. ). Abbiamo già notato l'importanza di determinare la composizione dei gruppi fitoplanctonici dominanti per valutare la qualità dell'acqua nel lago. Senza riprodurre la successione e ristrutturare la comunità del fitoplancton, come giustamente osserva V.V. Menshutkin (1993) nella monografia "Simulation Modeling of Aquatic Ecological Systems", il quadro dell'eutrofizzazione del Lago Ladoga non può essere completo.
Per fornire una migliore comprensione del complesso sistema climatico, i programmi informatici devono descrivere il modello di interazione delle componenti climatiche. Questi modelli di circolazione generale (GCM) sono ampiamente utilizzati per comprendere i cambiamenti climatici osservati nel passato e per cercare di identificare possibili risposte future del sistema climatico ai cambiamenti delle condizioni. Possono verificarsi cambiamenti in un breve periodo di tempo, come un decennio o un secolo? I cambiamenti saranno preceduti da fenomeni come l’aumento della frequenza di El Niños e la loro interferenza nelle calde acque occidentali dell’Oceano Pacifico verso il Sud America? Quali sono i vari meccanismi di trasferimento di calore verso i poli che possono fornire l’essenza di altri stati climatici? Queste domande, e molte altre, evidenziano la complessità della moderna ricerca sul clima. Le semplici spiegazioni di causa-effetto di solito non sono efficaci in questo campo. I sofisticati modelli computerizzati sono praticamente gli unici strumenti disponibili, quindi sono comunemente usati per dimostrare affermazioni sul clima e sulle dinamiche globali.
Durante e 20 anni, i ricercatori che si occupano di modellizzazione climatica hanno utilizzato alcune versioni del Community Climate Model (CCM1) del Centro nazionale per la ricerca atmosferica (NCAR). MOK1, prodotto nel 1987, veniva eseguito su grandi supercomputer seriali. Ora, molti di questi ricercatori stanno utilizzando MOK2, un passo avanti la cui importanza è descritta come il passaggio da un altro pianeta alla terra. Questa mossa corrisponde all'incirca all'avvento di computer vettoriali paralleli, di memoria condivisa, come ad esempio Cray YMP. I computer paralleli consentono di simulare il clima in modo più dettagliato. Uno studio dettagliato dell'equilibrio dei processi fisici nei modelli si avvicina alla situazione osservata con una modellazione crescente delle parti e con il raggiungimento della fiducia in ciò che viene descritto dalla fisica.
I moderni modelli climatici atmosferici descrivono molto bene la struttura qualitativa della circolazione globale. Il trasferimento di energia dalle regioni calde equatoriali ai poli freddi e la divisione in parti dei venti comuni sono riprodotti nelle simulazioni sia qualitativamente che quantitativamente. Il vento tropicale Hadley, il vento alle medie latitudini Ferrel e la corrente a getto sono in buon accordo con le osservazioni. Queste sono le principali strutture di circolazione atmosferica che si avvertono sulla superficie terrestre, come le bande di calma, gli alisei, i venti occidentali alle medie latitudini e le massime polari.
La capacità dei modelli di riprodurre i climi moderni rafforza la fiducia nella loro affidabilità fisica. Questa affermazione, tuttavia, non costituisce una base per l’utilizzo di modelli per prevedere il clima futuro. Un’altra prova importante a favore dell’uso dei modelli è stata la loro applicazione ai regimi climatici del passato. L'IOC NCAR è stato utilizzato per simulare gli impatti climatici causati dall'aumento della radiazione solare durante l'estate nel nord a causa dei cambiamenti nell'orbita terrestre. Un effetto è stato il riscaldamento della temperatura terrestre, che ha causato monsoni più intensi. Si ritiene che gli aumenti o le diminuzioni della radiazione solare causate dai cambiamenti nell'orbita terrestre siano responsabili delle condizioni che hanno prodotto i climi del passato. Secondo Stefan Schneider del NCAR, "la capacità dei modelli computerizzati di riprodurre le risposte climatiche locali ai cambiamenti nella radiazione solare prodotti dalle variazioni nell'orbita terrestre fornisce la base per avere fiducia nell'affidabilità di questi modelli come strumenti per prevedere le future conseguenze climatiche di il crescente effetto serra."
CIO 2, il codice più recente di una serie di modelli climatici sviluppati da NCAR, cattura la complessa interazione dei processi fisici sopra descritti. Questo modello climatico, adatto agli utenti della ricerca universitaria e industriale, simula la risposta variabile nel tempo del sistema climatico ai cambiamenti giornalieri e stagionali del calore solare e delle temperature della superficie del mare. Negli ultimi 10 anni e nel prossimo futuro, questi modelli costituiscono la base di un’ampia varietà di studi climatici e test di scenari utilizzati nel processo decisionale per modellare le politiche energetiche e ambientali nazionali.
Calcoli paralleli utilizzati nei modelli di circolazione globale
I progressi nella tecnologia informatica sono stati accolti con favore dai ricercatori climatici perché le simulazioni climatiche a lungo termine possono richiedere mesi di tempo di calcolo per essere completate. La generazione più recente di supercomputer si basa sull’idea del parallelismo. Intel Paragon XP/S 150 può risolvere un singolo compito complesso utilizzando la velocità combinata di 2048 processori. Questo computer differisce dagli altri supercomputer in quanto la memoria di ciascun processore non è accessibile ad altri processori. Un tale sistema è chiamato memoria distribuita anziché memoria condivisa. Progettare un computer in questo modo consente di applicare un enorme parallelismo ai problemi, ma rende difficile la formulazione dei calcoli.
CIO 2 viene utilizzato quasi esclusivamente nei supercomputer paralleli. I grandi requisiti computazionali e l'elevato volume di dati di output generati dal modello ne precludono l'uso efficace nei sistemi di classe workstation. La base dell'algoritmo di dinamica in MOK2 si basa sui toni sferici, una funzione preferita di matematici e fisici, che devono rappresentare le funzioni come valori sulla superficie di una sfera. Il metodo converte i dati della sfera in una rappresentazione compatta e accurata. I dati per una griglia di 128x64 punti sulla superficie terrestre potrebbero essere rappresentati utilizzando solo 882 numeri (coefficienti) invece di 8192. Questo metodo ha dominato a lungo la scelta del metodo per i modelli meteorologici e climatici a causa dell'accuratezza della rappresentazione armonica sferica e dell'efficienza dei metodi utilizzati per calcolare la conversione. La trasformazione è un metodo "globale", nel senso che richiede dati da tutto il mondo per calcolare un unico coefficiente armonico. Nei computer paralleli con memoria distribuita, questi calcoli richiedono la comunicazione tra tutti i processori. Dato che le comunicazioni in un computer parallelo sono costose, molti pensavano che il metodo di conversione fosse diventato obsoleto.
Ulteriori ricerche presso l’ORNL hanno trovato modi per organizzare i calcoli che consentono al modello climatico di funzionare su enormi computer paralleli.
Prima che i ricercatori dell'ORNL fossero coinvolti, il parallelismo nei modelli era limitato a un paradigma di memoria condivisa che utilizzava solo pochi processori, da 1 a 16. A causa della comunicazione globale richiesta per la trasformazione spettrale, i computer paralleli a memoria distribuita non sembravano promettenti. Tuttavia, ulteriori ricerche presso l’ORNL hanno trovato modi per organizzare i calcoli, cambiando completamente la nostra comprensione e rendendo possibile l’implementazione di MOC2 su enormi computer paralleli
La nostra ricerca ha identificato diversi algoritmi paralleli che mantengono competitivo il metodo di conversione anche quando ORNL utilizza più processori come Intel Paragon XP/S 150. Questa potente macchina ha 1024 schede nodo, ciascuna con due processori di elaborazione e un processore di comunicazione. Il modello climatico IOC2 completo è stato sviluppato per questo computer parallelo attraverso una collaborazione di ricercatori dell’ORNL, dell’Argonne National Laboratory e dell’NCAR. Attualmente viene utilizzato dalla Divisione di Informatica e Matematica dell'ORNL come base per lo sviluppo di un modello climatico accoppiato oceano-atmosfera sotto il patrocinio della Divisione di ricerca sanitaria e ambientale.
Con le crescenti capacità computazionali offerte dalla nuova generazione di computer paralleli, molti ricercatori stanno cercando di migliorare il modello climatico.
Con le crescenti capacità computazionali offerte da una nuova generazione di computer paralleli, molti ricercatori stanno cercando di migliorare i modelli che collegano l’oceano e l’atmosfera. Questo notevole progresso nella modellizzazione ci porta un passo avanti verso un modello completo del sistema climatico. Con questo tipo di modello integrato si apriranno molti campi della ricerca sul clima. Innanzitutto emergerà un metodo migliorato per simulare il ciclo del carbonio sulla Terra. I processi oceanici e terrestri (ad esempio foreste e suoli) fungono da fonti e luoghi in cui il carbonio viene depositato nell'atmosfera. In secondo luogo, la combinazione di modelli atmosferici con modelli oceanici ad alta risoluzione che tengono conto dei vortici consentirà agli scienziati di osservare problemi precedentemente insondabili nella previsione del clima. I modelli mostreranno il tipico comportamento di interazione oceano-atmosfera. El Niño è solo una modalità di interazione. Il rilevamento e l'identificazione di questi regimi contribuiranno a ottenere la chiave del problema della previsione climatica.
I nostri modelli potrebbero essere utilizzati per prevedere l’impatto complessivo sul clima derivante dalla lotta agli effetti atmosferici sia di origine artificiale che naturale: riscaldamento dovuto all’effetto serra ed effetti di raffreddamento dovuti agli aerosol di solfati. Utilizzando la maggiore potenza di calcolo di Intel, IBM SP2 o Ricerca Cray T3D, i ricercatori devono muoversi passo dopo passo nella comprensione delle complesse interdipendenze tra processi naturali e attività umane come la combustione dei combustibili fossili e il clima della nostra casa terrestre.
13. Precipitazione acida. Il loro effetto sugli ecosistemi.
Neve, nebbia, rugiada, pioggia. Minore è l'acqua nell'atmosfera, maggiore è l'acidità. Il valore del pH naturale per le precipitazioni naturali è 5,6. Piogge acide: il pH varia da 3 a 5.
Non è la precipitazione acida in sé ad essere pericolosa, ma i processi che avvengono sotto la sua influenza. I componenti principali della precipitazione acida sono l'ossido di azoto e l'ossido di zolfo. La maggior parte del biossido viene rilasciata durante la combustione di carburante, principalmente carbone, industria metallurgica, lavorazione di minerali polimetallici, produzione di acido solforico e raffinazione del petrolio. Gli ossidi di azoto compaiono durante la combustione del carburante nelle centrali termoelettriche, durante la produzione di fertilizzanti azotati, acido nitrico e gas di scarico dei motori a combustione interna.
Fonti naturali di gas: attività batterica nel suolo, temporali, eruzioni vulcaniche, incendi boschivi.
L'ingresso nell'atmosfera di grandi quantità di SO 2 e ossidi di azoto porta alla formazione di acidi forti: solforico e nitrico. Queste reazioni coinvolgono ossigeno e vapore acqueo, nonché particelle di polvere tecnogenica come catalizzatori:
2SO 2 + O 2 + 2H 2 O 2H 2 SO 4 ;
4NO 2 + 2H 2 O + O 2 4HNO 3.
Le precipitazioni acide distruggono la pellicola cerosa sulle foglie. Di conseguenza, le piante sono rese accessibili a vari agenti patogeni. La resistenza delle foreste alla siccità, alle malattie e all’inquinamento diminuisce e questo a sua volta porta al loro degrado come ecosistemi naturali.
La pioggia acida colpisce anche il suolo: gli elementi biogenici vengono lavati via dal suolo: cationi di potassio, calcio, magnesio, ecc. Allo stesso tempo, i metalli pesanti tossici vengono lavati via dal suolo, inoltre, i metalli pesanti iniziano a legarsi utili componenti (fosforo), con conseguente diminuzione della fertilità del suolo se il pH nei serbatoi< 4,5, не водится фитопланктон, улитки, мидии, ракообразные, т.е. отсутствует корм для рыб, в результате не водится и рыба.
La precipitazione acida aumenta la corrosione dei metalli, distrugge i materiali da costruzione, i materiali dei monumenti scultorei, ad es. marmo, pietra calcarea, cemento, mattoni cominciano a crollare.
CaCO3 + H2O + SO2 + O2 = CaSO4 * 2H2 O
CaSiO3 + H2O + SO2 + O2 = CaSO4 * 2H2 O
Un esempio dell'impatto sugli ecosistemi: l'acidificazione dei laghi in Canada, Svezia, Norvegia, ciò è dovuto al fatto che la maggior parte delle emissioni proviene da Stati Uniti, Germania e Regno Unito.
14. Clima. Modelli climatici moderni.
Clima- un caratteristico regime meteorologico a lungo termine che è stato osservato in una determinata area per secoli ed è determinato dalla sequenza naturale dei processi meteorologici.
Tempo atmosferico caratterizza lo stato delle condizioni meteorologiche (temperatura, umidità relativa e assoluta dell'aria, pressione atmosferica) e dei fenomeni fisici (precipitazioni, nebbia, vento, temporali) in un dato momento.
Le fluttuazioni climatiche e la variabilità naturale hanno un profondo impatto sugli organismi viventi. La distribuzione geografica di piante e animali, la natura e l'intensità dei processi biologici sono in gran parte determinati dalle condizioni climatiche. Il cambiamento climatico è uno dei fattori di evoluzione della biosfera.
Il clima della Terra si forma come risultato della complessa interazione tra idrosfera, atmosfera, criosfera, litosfera e biosfera.
Per prevedere i futuri cambiamenti climatici è necessario modellare numerosi fattori ambientali in costante cambiamento. I primissimi modelli climatici si basavano sul presupposto della costanza del clima: per valutarli venivano selezionate variabili e un intervallo di tempo. Ma questi modelli fornivano solo previsioni molto approssimative e tutt’altro che accurate sui futuri cambiamenti climatici.
I modelli climatici integrati più efficaci si basano su leggi fisiche rappresentate da equazioni matematiche.
Per previsioni rapide, approssimative e a breve termine dei cambiamenti attesi, vengono utilizzate equazioni idrodinamiche per descrivere il movimento.
Un approccio alternativo è fornito dalle equazioni di bilancio, che fissano il bilancio di alcune quantità (massa, energia, calore) in una parte selezionata dello spazio. Queste equazioni funzionano con valori medi. Quando si descrive il cambiamento climatico, la media dovrebbe estendersi su periodi di tempo di almeno un anno e su vaste aree spaziali.
Il caso limite della media è un modello zero-dimensionale, cioè puntuale, della Terra, che descrive il clima utilizzando un’unica temperatura T per l’intero globo.Questa temperatura può essere trovata uguagliando il flusso di radiazione a onde corte incidente sul pianeta. disco terrestre al flusso di radiazioni a onde lunghe che lasciano la superficie terrestre. Secondo la legge di Stefan-Boltzmann il flusso di radiazione uscente è proporzionale alla quarta potenza della temperatura. Questo approccio medio consente di stimare la distribuzione della temperatura media sulla superficie terrestre, ma non ci consente di riprodurre la dinamica climatica.
I modelli più avanzati del sistema climatico sono modelli di movimenti atmosferici, che descrivono flussi d'aria che livellano il profilo di temperatura lungo i meridiani. Tali modelli hanno svolto un ruolo significativo nella comprensione dei meccanismi di auto-organizzazione nei sistemi climatici.
I successivi modelli climatici sono diventati più complessi semplicemente aumentando la loro dimensionalità. In essi sono comparsi nuovi parametri dei processi naturali. È necessario introdurre molti parametri aggiuntivi nei moderni modelli climatici, i più importanti dei quali sono:
biota e ciclo globale dell'anidride carbonica;
regime idrologico;
permafrost;
manto nevoso e ghiacciai;
processi costieri;
circolazione oceanica e struttura delle acque di fondo;
dinamica, bilancio termico e composizione dell'atmosfera;
influenze solari e geomagnetiche.
Ma questi parametri non possono essere valutati con sufficiente precisione con i moderni mezzi di monitoraggio del sistema climatico terrestre. Sono così finemente bilanciati che anche piccoli cambiamenti possono portare a conseguenze tangibili. Ma l’accuratezza della misurazione dei parametri di un modello climatico non ne garantisce l’elevata qualità complessiva.
Modello climatico “elettromagnetico”: basato sull’interazione tra l’energia delle particelle elementari cosmiche e il campo magnetico terrestre. Secondo questo modello, nel campo magnetico terrestre, l'energia delle particelle cosmiche viene convertita in correnti nel nucleo terrestre e nelle cinture di radiazione. La parte liquida del magma del nucleo terrestre funge da rotore. Muovendosi nelle viscere della Terra, sembra torcere il pianeta, determinare il ritmo della sua rotazione e contribuire alla formazione di una corrente elettrica trasversale. Tale corrente scorre al confine tra magma solido e liquido e la sua sinusoide coincide con la Corrente del Golfo e altre correnti oceaniche.
Negli ultimi anni, gli scienziati La NASA ha sviluppato un nuovo modello clima ata. Secondo questo modello, la storia del cambiamento climatico è divisa in due periodi: prima e dopo l’emergere dei sistemi tecnogenici. Gli scienziati della NASA ritengono che nel periodo 1400-1700, quando non vi era alcuna influenza sull'ambiente da parte delle emissioni industriali, uno dei maggiori fattori che influenzavano il cambiamento climatico sul pianeta erano i cambiamenti nell'attività solare. La modellazione computerizzata ha permesso di ricostruire il clima e i fenomeni atmosferici di questo periodo.
Lo stesso modello climatico ha mostrato che nell’ultimo secolo l’influenza tecnogenica del fattore umano è diventata prevalente rispetto all’influenza dell’attività solare. Nella seconda metà del XX secolo divenne evidente che, a causa dell’influenza antropica, la situazione climatica complessiva stava cambiando molto più rapidamente rispetto ai tempi precedenti. La fine del XX secolo ha portato con sé il cambiamento climatico su scala globale. Il riscaldamento globale è osservato a causa dell’impatto umano sulla biosfera. La temperatura dell'aria sulla superficie terrestre aumentò, l'acqua negli oceani divenne più calda e successivamente tempeste, inondazioni e siccità divennero più frequenti.
Pertanto, quando si traccia la storia termica del globo, è necessario distinguere i cambiamenti naturali dai cambiamenti causati dall'influenza umana. E i modelli climatici dovrebbero rivelare le caratteristiche dello sviluppo dei processi termici nei sistemi tecnogenici. Se fosse finalmente dimostrato che le attività umane causano un significativo riscaldamento globale, che può causare conseguenze catastrofiche, allora è necessario passare rapidamente all’uso di fonti energetiche alternative senza l’uso del carbonio. Paesi come il Giappone e gli Stati Uniti stanno già investendo decine e centinaia di milioni di dollari nello sviluppo di motori alimentati a idrogeno.
A partire dalla fine del secolo scorso si è assistito ad un aumento particolare dell’interesse per i cambiamenti climatici. Ciò è dovuto all'aumento dei cambiamenti nella natura, che è già evidente a livello dell'uomo comune della strada. Quanti di questi cambiamenti sono dovuti a processi naturali e quanti sono legati all’attività umana? Oggi, una conversazione con specialisti, importanti ricercatori dell'Istituto di matematica computazionale dell'Accademia delle scienze russa, ci aiuterà a capirlo. Evgeniy Volodin e Nikolai Diansky, con cui parliamo oggi, sono impegnati nella modellistica climatica presso l'istituto e sono partecipanti russi al gruppo internazionale di esperti sui cambiamenti climatici ( Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici,IPCC).
— Quali fatti relativi al cambiamento climatico globale si riflettono negli studi e sono inclusi nel quarto rapporto di valutazione?
“Anche a livello quotidiano, sentiamo tutti le conseguenze del riscaldamento globale: ad esempio, gli inverni sono diventati più caldi. Se passiamo ai dati scientifici, mostrano anche che 11 degli ultimi 12 anni sono i più caldi dell'intero periodo di osservazioni strumentali della temperatura globale (dal 1850). Nel corso dell’ultimo secolo, la variazione della temperatura media globale dell’aria è stata di 0,74°C, con l’andamento lineare della temperatura negli ultimi 50 anni che è stato quasi il doppio del valore corrispondente del secolo. Se parliamo della Russia, i mesi invernali nella maggior parte del nostro paese negli ultimi 20 anni sono stati in media 1-3 gradi più caldi rispetto agli inverni dei vent'anni precedenti.
Il cambiamento climatico non significa solo aumento delle temperature. Il termine ormai consolidato “cambiamento climatico globale” si riferisce alla ristrutturazione di tutti i geosistemi. E il riscaldamento è visto solo come un aspetto del cambiamento. I dati osservativi indicano un aumento del livello dell’Oceano Mondiale, lo scioglimento dei ghiacciai e del permafrost, una maggiore irregolarità delle precipitazioni, cambiamenti nei regimi di flusso dei fiumi e altri cambiamenti globali associati all’instabilità climatica.
Cambiamenti significativi si sono verificati non solo nelle caratteristiche climatiche medie, ma anche nella variabilità climatica e negli estremi. I dati paleoclimatici confermano la natura insolita dei cambiamenti climatici in corso, almeno negli ultimi 1300 anni.
— Come si effettua una previsione scientifica del clima? Come vengono costruiti i modelli climatici?
— Uno dei compiti più importanti della climatologia moderna è il compito di prevedere i cambiamenti climatici nei prossimi secoli. La natura complessa dei processi che si verificano nel sistema climatico non consente l’uso dell’estrapolazione delle tendenze passate o di metodi statistici e altri metodi puramente empirici per ottenere stime lungimiranti. È necessario costruire modelli climatici complessi per ottenere tali stime. In tali modelli, gli esperti cercano di tenere conto di tutti i processi che influenzano il tempo e il clima nel modo più completo e accurato. Inoltre, l'oggettività delle previsioni aumenta se vengono utilizzati diversi modelli, poiché ciascun modello ha le proprie caratteristiche. Pertanto, è attualmente in corso un programma internazionale per confrontare le proiezioni dei cambiamenti climatici ottenute utilizzando vari modelli climatici negli scenari proposti dall'IPCC, possibili cambiamenti futuri nel contenuto di gas serra, aerosol e altri inquinanti nell'atmosfera. A questo programma partecipa l'Istituto di matematica computazionale dell'Accademia russa delle scienze (INM RAS). In totale, copre circa due dozzine di modelli provenienti da diversi paesi, dove le aree scientifiche necessarie per creare tali modelli hanno ricevuto uno sviluppo sufficiente: dagli Stati Uniti, Germania, Francia, Gran Bretagna, Russia, Australia, Canada, Cina...
I componenti principali del modello climatico della Terra sono i modelli generali di circolazione dell'atmosfera e dell'oceano, i cosiddetti modelli accoppiati. Allo stesso tempo, l’atmosfera funge da principale “generatore” del cambiamento climatico e l’oceano è il principale “accumulatore” di questi cambiamenti. Il modello climatico creato presso l'INM RAS riproduce la circolazione su larga scala dell'atmosfera e dell'Oceano Mondiale in buon accordo con i dati osservativi e con una qualità non inferiore ai moderni modelli climatici. Ciò è ottenuto principalmente grazie al fatto che durante la creazione e l'impostazione di modelli di circolazione generale dell'atmosfera e dell'oceano, è stato possibile garantire che questi modelli (in modalità autonoma) riproducano abbastanza bene le condizioni climatiche dell'atmosfera e dell'oceano. Inoltre, prima di iniziare a prevedere i futuri cambiamenti climatici, il nostro modello climatico, come altri, è stato verificato (in altre parole, testato) riproducendo i cambiamenti climatici passati dalla fine del XIX secolo ad oggi.
— E quali sono i risultati della simulazione?
— Abbiamo condotto diversi esperimenti utilizzando gli scenari IPCC. I più importanti sono tre: relativamente parlando, si tratta di uno scenario pessimistico (A2), quando la comunità umana si svilupperà senza prestare attenzione all'ambiente, uno scenario moderato (A1B), quando verranno imposte restrizioni come il Protocollo di Kyoto, e uno ottimista (B1) – con restrizioni più forti sull’impatto antropico. Inoltre, in tutti e tre gli scenari si presuppone che il volume della combustione di carburante (e, di conseguenza, le emissioni di carbonio nell’atmosfera) crescerà, solo a un ritmo più o meno rapido.
Secondo lo scenario pessimistico, “più caldo”, il riscaldamento medio della superficie nel periodo 2151-2200. rispetto al 1951-2000 saranno circa 5 gradi. Con uno sviluppo più moderato saranno circa 3 gradi.
Un significativo riscaldamento climatico si verificherà anche nell’Artico. Anche in uno scenario più ottimistico, nella seconda metà del 21° secolo, le temperature nell’Artico aumenteranno di circa 10 gradi rispetto alla seconda metà del 20° secolo. È possibile che in meno di 100 anni il ghiaccio marino polare persisterà solo in inverno e si scioglierà in estate.
Allo stesso tempo, secondo il nostro e altri modelli, nel prossimo secolo non si osserverà alcun aumento intenso del livello del mare. Il fatto è che lo scioglimento del ghiaccio continentale in Antartide e Groenlandia sarà in gran parte compensato da un aumento delle nevicate in queste regioni, associato ad un aumento delle precipitazioni con il riscaldamento. Il contributo principale all’innalzamento del livello del mare dovrebbe provenire dall’espansione delle acque con l’aumento delle temperature.
I risultati degli esperimenti con il modello del sistema climatico INM RAS per la previsione del cambiamento climatico, insieme ai risultati di altri modelli stranieri, sono stati inclusi nel rapporto dell’IPCC, premiato insieme ad A. Gore con il Premio Nobel per la pace nel 2007.
Va notato che finora solo i risultati ottenuti utilizzando il modello climatico ICM sono stati presentati dalla Russia nel quarto rapporto dell’IPCC.
— Dicono che il clima europeo nasca nell'Atlantico: è proprio vero?
— Gli eventi meteorologici che si verificano sul Nord Atlantico hanno sicuramente un forte impatto sull’Europa. Ciò accade perché alle latitudini temperate dalla superficie della Terra fino a 15-20 km, il vento soffia principalmente da ovest a est, ad es. le masse d'aria arrivano in Europa più spesso da ovest, dall'Atlantico. Ma questo non sempre accade, e in generale è impossibile individuare un luogo in cui il clima europeo sia completamente formato.
Il clima europeo come fenomeno su larga scala è modellato dallo stato generale dell’atmosfera nell’emisfero settentrionale. Naturalmente, l'Atlantico occupa un posto significativo in questo processo. Tuttavia, ciò che è più importante qui non è la variabilità intrinseca (deviazione dal ciclo annuale) dei processi di circolazione oceanica nel Nord Atlantico, ma il fatto che l’atmosfera, in quanto ambiente significativamente più variabile, utilizza il Nord Atlantico come riserva di energia. per la formazione della propria variabilità.
Qui passiamo dalla previsione e modellizzazione del clima alla previsione e modellizzazione del tempo. Dobbiamo separare questi due problemi. In linea di principio, per entrambi i compiti vengono utilizzati approssimativamente gli stessi modelli che descrivono la dinamica dell'atmosfera. La differenza è che le condizioni iniziali del modello sono molto importanti per la previsione meteorologica. La loro qualità determina in gran parte la qualità della previsione.
Quando si modella il cambiamento climatico per un periodo che va da diversi decenni a diversi secoli e millenni, i dati iniziali non svolgono un ruolo così importante, e un ruolo importante viene svolto tenendo conto di quelle influenze esterne in relazione all'atmosfera, a causa delle quali il cambiamento climatico si verifica. Tali impatti potrebbero essere un cambiamento nella concentrazione dei gas serra, il rilascio di aerosol vulcanici nell'atmosfera, cambiamenti nei parametri dell'orbita terrestre, ecc. Il nostro istituto sta sviluppando uno di questi modelli per Rosidromet.
— Cosa si può dire del cambiamento climatico in Russia? A cosa dovresti prestare particolare attenzione?
— In generale, a causa del riscaldamento, il clima nella Russia centrale migliorerà anche in una certa misura, ma nel sud della Russia peggiorerà a causa della maggiore aridità. Un grosso problema nascerà dallo scioglimento del permafrost, che ricopre vaste aree.
In Russia, quando si calcola il riscaldamento in qualsiasi scenario, la temperatura aumenterà circa due volte più velocemente della media della Terra, il che è confermato dai dati di altri modelli. Inoltre, secondo il nostro modello, la Russia diventerà più calda in inverno che in estate. Ad esempio, con un riscaldamento globale medio di 3 gradi in Russia, il riscaldamento sarà in media di 4-7 gradi all’anno. Allo stesso tempo, in estate si riscalderà di 3-4 gradi e in inverno di 5-10 gradi. Il riscaldamento invernale in Russia sarà dovuto, tra l'altro, al fatto che la circolazione atmosferica cambierà leggermente. L’intensificarsi dei venti occidentali porterà masse d’aria più calde dall’Atlantico.
— Qual è la conclusione dell’IPCC e, in particolare, degli scienziati nazionali riguardo al contributo antropico al cambiamento climatico?
— L’esperienza storica dimostra che qualsiasi intervento nella natura non resta impunito.
Il rapporto dell’IPCC sottolinea che il riscaldamento osservato negli ultimi decenni è principalmente una conseguenza dell’influenza umana e non può essere spiegato solo con cause naturali. Il fattore antropico è almeno cinque volte maggiore dell’effetto delle fluttuazioni dell’attività solare. Il grado di affidabilità di queste conclusioni, sulla base degli ultimi risultati dell'analisi dei dati osservativi, è valutato molto elevato.
I risultati dei nostri modelli dimostrano inoltre in modo convincente il ruolo dominante del contributo antropico. I modelli climatici riproducono bene il riscaldamento osservato se tengono conto delle emissioni di gas serra e di altri gas dovuti alle attività umane, ma non riproducono il riscaldamento se vengono presi in considerazione solo i fattori naturali. In altre parole, gli esperimenti sui modelli dimostrano che senza il “contributo” umano il clima non sarebbe cambiato nella misura in cui lo è oggi.
Chiariamo che i moderni modelli climatici includono anche il calcolo della concentrazione di CO 2 . Tali modelli mostrano che le fluttuazioni naturali delle concentrazioni di CO 2 nel sistema climatico su scale temporali di secoli o meno non superano una piccola percentuale. Anche le ricostruzioni esistenti lo indicano. Durante le ultime migliaia di anni dell'era preindustriale, le concentrazioni atmosferiche di CO 2 erano stabili, variando da 270 a 285 ppm (parti per milione). Ora sono circa 385 ppm. Calcoli con modelli, così come stime da dati di misurazione, mostrano che, al contrario, il sistema climatico tende a compensare le emissioni di CO 2 e solo circa la metà o poco più di tutte le emissioni vanno ad aumentare la concentrazione di CO 2 nell’ambiente. atmosfera. La restante metà si dissolve nell'oceano e viene utilizzata per aumentare la massa di carbonio delle piante e del suolo.
— Come pensi che si evolveranno le proiezioni climatiche?
— Il sistema climatico è molto complesso e l’umanità ha bisogno di previsioni affidabili. Tutti i modelli sviluppati fino ad oggi hanno i loro svantaggi. La comunità scientifica internazionale ha selezionato i modelli di maggior successo tra circa due dozzine di quelli esistenti e, confrontandoli, ha prodotto una previsione generalizzata. Si ritiene che in questo caso gli errori di vari modelli siano compensati.
Fare la modella è un compito arduo e richiede molto lavoro. I calcoli includono molti parametri che tengono conto dei processi di trasporto e dell’interazione tra l’atmosfera e l’oceano. Ora il nostro istituto sta realizzando una nuova versione del modello. Ad esempio, c'è un problema vicino al polo, dove, a causa della convergenza dei meridiani, i passi lungo la longitudine vengono perfezionati, il che porta a un "rumore" ingiustificato nella soluzione del modello. Il nuovo modello utilizzerà una risoluzione spaziale più elevata nei modelli atmosferici e oceanici e una parametrizzazione più avanzata dei processi fisici. Per questo motivo, la precisione del modello aumenterà e verrà effettuata una nuova previsione utilizzando questo nuovo modello di livello.
Per qualche ragione, nel nostro Paese si presta molta meno attenzione ai problemi di modellazione rispetto all'Occidente, dove significative risorse finanziarie e scientifiche sono destinate specificamente al compito di creare modelli numerici della circolazione atmosferica e oceanica. Questi compiti richiedono sistemi informatici multiprocessore ad alte prestazioni (il supercomputer IVM utilizzato per le previsioni climatiche è incluso nella classifica TOP-50 dei paesi della CSI). Il nostro lavoro è stato supportato solo da alcuni programmi dell'Accademia russa delle scienze e da progetti della Fondazione russa per la ricerca di base.
Nel prossimo futuro inizierà una nuova fase di esperimenti con modelli accoppiati nell’ambito del programma IPCC. Questa fase comporterà modelli climatici terrestri aggiornati con una risoluzione spaziale più elevata e l'inclusione di una gamma più ampia di processi fisici simulati. I modelli climatici si stanno gradualmente evolvendo in modelli del sistema terrestre che non solo calcolano le dinamiche atmosferiche e oceaniche, ma includono anche sottomodelli dettagliati di chimica atmosferica, vegetazione, suolo, chimica e biologia marina e altri processi e fenomeni che influenzano il clima.
Distribuzione geografica del riscaldamento superficiale medio annuo alla fine del 21° secolo. Vengono presentati i risultati dei calcoli della media utilizzando un insieme di 21 modelli climatici (modelli CMIP5) per lo scenario RCP4.5. Vengono mostrati i cambiamenti di temperatura per il periodo 2080-2099. relativamente al periodo 1980 – 1999. I modelli CMIP5 e gli scenari della famiglia RCP sono utilizzati (e descritti in dettaglio) nell'ultimo - Quinto rapporto di valutazione del Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici (2013, 2014)
Mappa: Luba Beresina
Prevedere il clima, comprese le conseguenze del cambiamento climatico, è un compito centrale della scienza del clima. Tutti i settori della scienza del clima sono subordinati a questo compito: dall'analisi e interpretazione dei dati osservativi sul sistema climatico agli studi sulla sua sensibilità alle influenze esterne e alla prevedibilità. Il comportamento del sistema climatico è determinato dall'interazione di cinque componenti: atmosfera, oceano, criosfera, biosfera e strato attivo di terra. I tempi di rilassamento caratteristici di questi componenti rispetto alle influenze esterne differiscono di diversi ordini di grandezza. A causa della non linearità dei processi inerenti a questi ambienti e della varietà di feedback che si presentano, le oscillazioni naturali vengono eccitate nel sistema climatico su una varietà di scale temporali. Per comprendere e prevedere il comportamento di un sistema così complesso sotto l'influenza di influenze esterne (sia antropiche che naturali), è necessario utilizzare modelli fisici e matematici del sistema climatico che descrivano i processi in questi ambienti con un sufficiente grado di affidabilità e dettaglio. La costruzione di un modello climatico inizia con la definizione di un sistema di equazioni, che sono una descrizione matematica delle leggi della fisica operanti nel sistema climatico. Le leggi fondamentali sono ben note: la seconda legge di Newton, la prima legge della termodinamica, la legge di conservazione della massa, ecc. Tuttavia, quando applicate ai fluidi che si muovono su una sfera (e con ragionevole approssimazione, queste includono sia l'atmosfera che il oceano), la rappresentazione matematica di queste leggi diventa più complicata. È impossibile risolvere analiticamente le corrispondenti equazioni alle derivate parziali. Dobbiamo ricorrere ai calcoli del computer. Il compito del computer può essere facilitato in vari modi, a partire dalla semplificazione del sistema originale di equazioni (ad esempio escludendo processi che non sono importanti nell'ambito del compito da svolgere), ottimizzando gli algoritmi computazionali (ad esempio riducendo la risoluzione spaziale) e terminando con il miglioramento del programma del computer (tenendo conto del numero di processori di un particolare computer, della capacità di memoria, ecc.). Ovviamente, determinare il sistema iniziale di equazioni è compito di un fisico, sviluppare un algoritmo è responsabilità di un matematico e creare un programma per computer è l'arte di un programmatore. Per questo motivo non è sufficiente che una persona crei un modello climatico, conduca una ricerca utilizzandolo e, soprattutto, analizzi i risultati. La modellizzazione climatica è un compito che solo un gruppo di specialisti può gestire. Con lo sviluppo del modello climatico, c’è bisogno di sempre più specialisti: chimici, biologi, ecc. È così che i modelli climatici si trasformano, come si dice oggi, in modelli del sistema Terra. Nonostante il rapido sviluppo della tecnologia informatica, la necessità di dettagli spaziali nelle stime dei futuri cambiamenti climatici ottenute utilizzando modelli globali costringe i ricercatori a ricorrere all’uso di modelli climatici regionali. In tali modelli, ai confini della regione, vengono specificati i valori delle quantità simulate ottenute utilizzando il modello globale, e vengono “ricalcolati” per questa regione con una risoluzione spaziale maggiore.
Variazioni previste (%) delle precipitazioni estive estreme (sopra il 95° percentile) entro la metà del 21° secolo, ottenute utilizzando il modello climatico regionale dell'omonimo Osservatorio geofisico statale. A.I. Voeikova, le cui due aree computazionali forniscono la copertura dell'intero territorio della Federazione Russa con una risoluzione orizzontale di 25 km.
Mappa: Luba Beresina
Oltre alla necessità di migliorare la risoluzione spaziale dei modelli, le attuali priorità per lo sviluppo della modellistica climatica sono legate all’inclusione di ulteriori componenti interattivi. Inoltre, poiché parte dell’incertezza sui futuri cambiamenti del sistema climatico è dovuta alla sua stessa variabilità e non può essere eliminata da modelli migliorati, è necessario esaminare questa incertezza intrinseca nello spazio probabilistico. A questo scopo è necessario effettuare calcoli d'insieme variando sia gli stati iniziali che i parametri del modello. Anche la riproduzione di eventi estremi e rari richiede massicci calcoli d’insieme. Infine, le stime dei cambiamenti futuri in alcune componenti “lente” del sistema climatico, come le calotte glaciali, o caratteristiche climatiche come il livello del mare, richiedono esperimenti numerici a lungo termine. Pertanto, non vi è dubbio che nel prossimo futuro lo sviluppo delle alte tecnologie e, soprattutto, della tecnologia informatica svolgerà un ruolo decisivo nel migliorare la previsione climatica.
A differenza delle previsioni meteorologiche numeriche, che vengono costantemente confrontate con i dati reali, l’idoneità dei modelli da utilizzare per il calcolo degli stati futuri del sistema climatico non può essere determinata analizzando i risultati effettivi di questi calcoli. Ma è ragionevole supporre che l’affidabilità dei calcoli del clima futuro sia confermata dalla capacità del modello di riprodurre lo stato attuale del sistema climatico, così come il suo stato nel passato, in conformità con i dati osservativi disponibili. Se, oltre al clima moderno, il modello riproduce lo stato del sistema climatico in un lontano passato (quando le forzanti esterne erano molto diverse da quelle moderne), così come l’evoluzione conosciuta del sistema climatico (ad esempio, durante il 20° secolo e precedenti), si può sperare che i risultati ottenuti utilizzando questo modello di stima del cambiamento climatico in scenari futuri di forzanti esterne siano credibili. Oggi, in tutto il mondo, il numero di modelli globali conosciuti ammonta a diverse decine. E tra questi non esiste modello che meglio descriva, ad esempio, il clima moderno. Tipicamente ogni modello riproduce bene solo una parte dei valori climatici desiderati, mentre il resto viene riprodotto peggio. Il successo più alto, di regola, è mostrato dal modello “medio” (insieme). Ciò è dovuto al fatto che gli errori sistematici dei singoli modelli non dipendono l'uno dall'altro e vengono compensati facendo la media sull'insieme. Gli scenari climatici sono stati ottenuti sulla base di scenari per le future emissioni di gas serra e aerosol utilizzando moderni modelli climatici. Ma è necessario tenere conto del fatto che un’importante fonte di incertezza nelle stime del cambiamento climatico nei prossimi decenni è la quantità relativamente piccola di cambiamento climatico di origine antropica rispetto alla sua variabilità naturale.
Presso l'Osservatorio Geofisico Principale dal nome. A.I. Voeikova di Rosidromet (GGO) ha creato e utilizza un sistema modulare tridimensionale di previsione probabilistica per ottenere stime quantitative delle conseguenze dei futuri cambiamenti climatici sul territorio della Russia e nelle regioni di interesse geopolitico della Federazione Russa (Artico , paesi confinanti). Comprende un modello globale accoppiato del sistema climatico terrestre, modelli climatici regionali con risoluzioni spaziali di 50 e 25 km, nonché modelli dei singoli componenti del sistema climatico per studi spazialmente dettagliati (permafrost, sistemi fluviali, strato limite atmosferico). Nonostante il potenziale enorme e tutt’altro che esaurito dei modelli climatici, le loro possibilità non sono illimitate. Molte domande relative alla prevedibilità del sistema climatico restano senza risposta. È possibile che stiamo sottovalutando il ruolo di alcuni fattori nel futuro cambiamento climatico, e lungo il percorso ci attendono ancora sorprese. Tuttavia, senza dubbio, i moderni modelli climatici corrispondono al più alto livello di conoscenza accumulato dall’umanità durante lo studio del sistema climatico, e non esiste alternativa ad essi nella valutazione dei possibili cambiamenti climatici futuri.
Non confondere previsione e scenario
Uno scenario climatico è inteso come un’evoluzione plausibile (o probabile) del sistema climatico nel futuro, che è coerente con le ipotesi sulle emissioni future (con scenari di emissione) di gas serra e altri inquinanti atmosferici, come l’aerosol di solfato, e con le previsioni esistenti. idee sull’impatto dei cambiamenti nella concentrazione di questi inquinanti sul clima. Di conseguenza, lo scenario del cambiamento climatico si riferisce alla differenza tra lo scenario climatico e lo stato attuale del clima. Poiché gli scenari di emissione si basano su determinate ipotesi sul futuro sviluppo economico, tecnologico, demografico, ecc. dell’umanità, gli scenari climatici, così come gli scenari di cambiamento climatico, dovrebbero essere considerati non come previsioni, ma solo come immagini internamente coerenti di possibili futuri sistema climatico dello Stato.Non confondere il clima con il tempo
Il clima è l'insieme di tutte le condizioni meteorologiche in un territorio specifico (regione, regione, continente, Terra) per un lungo periodo di tempo. I sistemi non lineari complessi, compreso il clima, hanno una prevedibilità limitata. Esistono prevedibilità del primo e del secondo tipo. La prevedibilità del primo tipo è determinata dalla dipendenza dell'evoluzione del sistema dallo stato iniziale. La prevedibilità del secondo tipo determina la possibilità di una descrizione statistica degli stati futuri del sistema. In termini di prevedibilità, la differenza tra clima e meteo (cioè tra stati mediati e non mediati) è fondamentale. L’atmosfera è la componente più instabile e in rapido cambiamento del sistema climatico. Pertanto, le previsioni del tempo di solito non superano le due settimane. Altre componenti del sistema climatico cambiano più lentamente e sono più prevedibili, ma anche limitate nel tempo. I cambiamenti climatici causati da influenze esterne sono prevedibili in un ampio intervallo di tempo: da anni a secoli o più.
* La criosfera è un componente del sistema climatico costituito da tutta la neve, il ghiaccio e il terreno ghiacciato (incluso il permafrost) sopra e sotto la superficie della Terra e degli oceani.
** Lo strato attivo del terreno (superficie attiva del terreno) è la superficie del terreno che partecipa alla trasformazione dell'energia solare, cioè riceve e rilascia energia solare.
testo Vladimir Kattsov Dottore in scienze fisiche e matematiche, principale osservatorio geofisico da cui prende il nome. A.I. Voeykova, Rosidromet
cartografia Lyuba Beresina
