Поиск - новости науки и техники

Притяжение новизны. Редкая область исследований обходится в наш суперкомпьютерный век без математического моделирования.

Редкая область исследований обходится в наш суперкомпьютерный век без математического моделирования. Неудивительно, что в Международной конференции “Актуальные проблемы вычислительной и прикладной математики 2015”, прошедшей в Новосибирском академгородке, принимали участие и физики, и геологи, и биологи. Ученые собрались не только для того, чтобы обсудить новейшие модели и алгоритмы, но и вспомнить основателя Вычислительного центра Сибирского отделения, академика Гурия Ивановича Марчука, 90-летию со дня рождения которого была посвящена конференция.

Притяжение новизны
Бывают ученые с обостренным чувством нового. Таким был основатель и первый директор Вычислительного центра СО АН СССР (ныне – Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН) и Института вычислительной математики РАН, выдающийся специалист в области вычислительной и прикладной математики, председатель Сибирского отделения АН, последний президент Академии наук СССР, академик Гурий Марчук. В каждой из 10 секций конференции “Актуальные проблемы вычислительной и прикладной математики 2015” Гурия Ивановича отмечали как зачинателя соответствующего научного направления.
– На конференцию было заявлено 447 докладов, приехали целые делегации математиков из Москвы, Казахстана, даже из Бразилии. Конечно, это дань уважения академику Марчуку, – отмечает директор ИВМиМГ, член-корреспондент РАН Сергей Кабанихин. – Фактически все 19 лабораторий, которые сегодня работают в институте, были основаны Гурием Ивановичем. Он начинал с задач теории упругости, затем переключился на атомную энергетику, решал задачи моделирования атмосферы и океана, прогноза погоды, анализа климата. Следующее его увлечение – иммунология. Марчук с коллегами моделировали, каким образом вирусы распространяются в организме, как вырабатываются антитела. Работы Гурия Ивановича и его учеников в этой области стали классическими.
Сегодня наш институт – безусловный лидер в математическом моделировании, в области разработки численных методов решения прямых и обратных задач математической физики, геофизики, физики атмосферы, океана и окружающей среды, химии, электрофизики. Грантами Президента РФ поддержаны научная школа члена-корреспондента РАН Геннадия Алексеевича Михайлова по численному статистическому моделированию и вашего покорного слуги по прямым и обратным задачам. При моделировании сложных процессов у нас используются вычислительные ресурсы Суперкомпьютерного центра (их общая производительность – 115 Терафлопс).
В современном мире фактически ни одна научная область не обходится без математического моделирования. И формат нашей конференции отра-зил тесное сотрудничество ИВМиМГ с другими институтами Новосибирского академгородка: пленарные заседания проходили в Доме ученых, а работа секций – непосредственно в институтах – математических, биологических, геологических. Спонсорами конференции стали Федеральное агентство научных организаций, Российский фонд фундаментальных исследований и наши давние партнеры – компании Intel, Hewlett-Packard, NVIDIA, группа компаний РСК, EMC, Центр финансовых технологий, Schlumberger и другие.
Параллельно с конференцией проходила Международная молодежная научная школа “Теория и численные методы решения обратных и некорректных задач”. Это как раз моя специальность. Что такое моделирование? Записываем уравнение и решаем на компьютере. Но коэффициенты для этого уравнения подбираются в достаточной степени наугад, так как точно измерить процессы, происходящие под Землей или внутри живого организма, трудно. Затем исследователи получают дополнительную информацию о процессе. И на ее основании мы пытаемся уточнить первоначальные коэффициенты – иными словами, решаем обратную задачу. Метод обратных задач был назван жемчужиной математической физики ХХ века. И я горжусь, что он получил развитие в Академгородке, где в 1963 году проходил первый российско-американский симпозиум по этой тематике, и продолжает совершенствоваться в нашем институте.
Еще одно наследие Гурия Ивановича Марчука – научные журналы: “Сибирский журнал вычислительной математики”, “Проблемы информатики”. Издание журналов с высоким импакт-фактором позволяет институту развивать научные контакты с зарубежными коллегами. Работать сейчас непросто: наука становится междисциплинарной, возрастает объем информации, ускоряется обновление компьютерной техники. Но математики-вычислители не боятся новизны: она для них, можно сказать, традиционна.
– Академик Марчук обладал удивительным даром: все, к чему он прикасался, становилось приоритетным направлением, – вспоминает Сергей Кабанихин. – То ли он так чувствовал перспективу, то ли направления становились актуальными, потому что он ими занимался. Сейчас в институте подготовлен комплексный научный проект развития “Цифровая интеллектуальная Арктика”. Проект – междисциплинарный, основанный на собственном цифровом земном шаре (уже не на Google maps) с возможностью подключить к модели актуальные результаты, – к сожалению, остается пока на бумаге: необходимы субсидии и координация работ. Однако мы не теряем веры, что перед нами – задача будущего, то самое, марчуковское, новое направление.

Вычислители от Бога
Решение масштабных задач всегда объединяет. Атомный проект не только свел вместе выдающихся ученых, но и способствовал зарождению того, что сейчас называют математическим моделированием (вычислительным экспериментом): физический процесс, математическая модель, алгоритм, программа. Выпускник Уральского государственного университета Анатолий Коновалов свою трудовую деятельность начинал на предприятии п/я 150. Ныне это “широко известный в узких кругах” город Снежинск.
– Работа была, – вспоминает академик Анатолий Коновалов, – очень интересной: широкий круг изучаемых физических процессов, непосредственный контакт с первоклассными физиками, которых, как всегда, интересовало, “а что будет, если…”. От математиков требовалось получить ответ с гарантированной точностью и к конкретной дате. Рабочий процесс был организован по конвейерному принципу: физик – математик – программист. С одной стороны, это мотивировало на достижение результата, с другой – повышало личную ответственность каждого участника.
Для нас, молодых выпускников ЛГУ, МГУ, УрГУ, участвующие в упомянутом выше проекте Гельфанд, Годунов, Марчук, Самарский, Тихонов, Яненко представлялись заместителями Всевышнего по вычислениям. В рамках возглавляемых ими научных школ были получены результаты, ныне являющиеся классическими в теории разностных схем для задач механики сплошной среды.
Еще работая в Снежинске, я защитил кандидатскую диссертацию, и после этого директор Вычислительного центра Сибирского отделения АН СССР Гурий Иванович Марчук пригласил меня на работу в Академгородок. Здесь с подачи Николая Николаевича Яненко я стал разбираться с задачей о вытеснении нефти водой (многофазная фильтрация). Завершилась эта работа созданием пакета прикладных программ (ППП-“Нефть”) и переведенной на английский монографией. Семидесятые годы запомнились обилием конференций, семинаров и школ, так или иначе связанных с прикладной математикой. И это был совершенно адекватный ответ на провозглашенный в то время лозунг “Даешь внедрение ЭВМ в народное хозяйство!”.
В конце 1970-х годов Государственный комитет по науке и технике возглавил Гурий Иванович Марчук. Именно при нем создана система взаимодействия АН СССР с предприятиями отраслевых министерств и ведомств. Ограничимся одним примером. По “наводке” ГКНТ в Сибирское отделение АН прибыл с визитом министр общего машиностроения, который привез с собой главных инженеров и главных технологов базовых предприятий отрасли. Последние пошли с визитами по институтам. Представленные визитерами отчеты настолько впечатлили министра, что он пробил постановление Совмина о передаче Сибирскому отделению АН порядка двухсот ставок министерства вместе с фондом заработной платы! Довольны были все: сотрудники институтов получали надбавки за выполненную для министерства работу, а предприятия министерства на основе этих разработок создавали новые технологии.
Сегодня мой осторожный оптимизм основан на том, что в Сибирском отделении РАН ведется большая работа по адаптации системы академика Марчука к условиям рыночной экономики. И кое-что уже получается.
На втором снимке: Сергей Кабанихин и Анатолий Коновалов

Капля в океане
Когда Гурий Марчук приехал в Новосибирский академгородок, он открыл в Вычислительном центре отдел физики атмосферы и океана. Лаборатория океанографии в центре Сибири поначалу выглядела парадоксально. Но лет через тридцать, когда от краткосрочного прогноза погоды перешли к моделированию изменений климата, выяснилось, насколько пророческим было это решение, поскольку океан играет существенную роль в климатических процессах.
– Немецкий географ XVII века Бернхардус Варениус писал: “Когда движется капля воды в океане, то движется весь океан”, – вспоминает заведующий лабораторией математического моделирования процессов в атмосфере и гидросфере ИВМиМГ СО РАН, доктор физико-математических наук Виктор Кузин. – Эти слова и побудили меня в свое время заняться океанографией. В нашем отделе были разработаны оригинальная численная модель глобальной атмосферы, региональная модель климата Сибири, а также Мирового океана и отдельных его частей.
Но со временем было решено сконцентрироваться на высоких широтах, поскольку Арктическая зона Евразийской климатической системы является весьма чувствительной к климатическим изменениям. Например, глобальное потепление воздействует неравномерно: среднее увеличение температуры на 0,5 градуса для тропиков кажется несущественным, но в высоких широтах начинает таять многолетняя мерзлота и меняются ландшафтные зоны. Результат анализа климатических характеристик Сибирского региона показал, что и здесь за ХХ век температура повысилась почти на 1 градус, а количество годовых осадков значительно увеличилось. С этим связана другая проблема – заметный рост речного стока: великие сибирские реки сбрасывают в Северный Ледовитый океан гораздо больше пресной воды, чем раньше, что меняет в нем пресноводный баланс, а как следствие – глобальный гидрологический цикл.
И, наконец, существенная угроза – дестабилизация газогидратов арктического шельфа и выброс метана в атмосферу, который может привести к гораздо более серьезным последствиям, чем антропогенное воздействие. В связи с этим была построена модель распространения метана на шельфе и проведены сценарные расчеты для оценки масштабов такой эмиссии. В последнее время у ученых сменилась парадигма: если раньше речь шла о моделях климата, атмосферы, океана, сейчас говорят о модели Земли в целом – как взаимосвязанной системы.

Лед и пламя
Науки о Земле давно уже не могут обойтись без методов математического моделирования: например, технология нефтедобычи в районах вечной мерзлоты использует высокопроизводительные вычислительные модели. Такие модели разрабатываются в лаборатории математических задач химии ИВМиМГ СО РАН при поддержке Российского научного фонда, обеспечивающего финансирование проекта в размере
8 миллионов рублей ежегодно.
– В первую очередь меня заинтересовали необычные условия конкурса: нужно было создать молодежный коллектив с привлечением иногородних кандидатов наук, – рассказывает руководитель проекта, заведующий лабораторией, доктор физико-математических наук Юрий Лаевский. – Мы воспользовались давними связями с Северо-Восточным федеральным университетом (Якутск) и организовали беспрецедентный для нашей страны постдоковский коллектив.
Общая проблематика обозначилась сразу: задачи фильтрации в криолитозоне, когда таяние грунтового льда задает специфические требования к эксплуатации скважин. Следует отметить, что наша цель в рамках мегагранта – не создание конкретных технологических схем нефтедобычи, а получение фундаментальных научных результатов в области построения математических моделей, разработка новых моделей и вычислительных алгоритмов, настроенных на современные суперЭВМ. Надеюсь, что в итоге работы по проекту РНФ сформируется эффективная молодежная команда, способная занять лидирующее положение в стране по решению задач, связанных с нефтедобычей в районах Крайнего Севера.
Конечно, научные направления лаборатории проектом РНФ не исчерпываются. Например, наше давнее увлечение – задачи моделирования процессов фильтрационного горения газов. Так случилось, что я присутствовал при первых экспериментах в Институте химической кинетики и горения СО АН СССР в начале 1980-х. В результате родился цикл совместных с коллегами-физиками работ по фильтрационному горению газа. Кстати, вычислительные модели фильтрационного горения газа, но уже внутрипластового, нашли отражение и в проекте РНФ.

Прогноз химической погоды
Среди заслуг лаборатории математического моделирования гидродинамических процессов в природной среде – участие в работах по подготовке материалов для закона о Байкале. Сотрудники ИВМиМГ СО РАН вместе с коллегами из Лимнологического института СО РАН и Института химической кинетики и горения СО РАН рассчитали степень и масштабы экологического риска возможного влияния окружающих территорий на озеро. Отрадно, что принятое Президентом РФ решение о переносе трассы нефтепровода “Восточная Сибирь – Тихий океан” подальше от озера согласуется с результатами расчетов ученых. Однако Байкалом исследования, связанные с экологией, не исчерпываются.
– Мы разрабатываем специальные модели, оценивающие изменения качества атмосферы в зависимости от различных факторов, чтобы понять, как прогнозировать “химическую погоду”, – поясняет заведующий лабораторией доктор физико-математических наук Владимир Пененко. – Иными словами, как изменяется состав атмосферы от воздействия промышленных объектов, транспорта, лесных массивов. Так, лесные пожары, ставшие в последнее время реальной угрозой для российских регионов, выбрасывают в атмосферу высокотоксичные продукты, перестраивающие химические процессы в нижней тропосфере.
Необходимо просчитывать и риски антропогенного воздействия, чтобы предоставлять объективную информацию людям, принимающим решения. Раньше нас часто привлекали к экспертизе проектов. Так, в конце 1980-х годов по заказу властей Новосибирска мы оценивали экологические аспекты возможного расширения транспортной магистрали, проходящей вблизи Академгородка. Результаты расчетов на основе математической модели показали, что на мезоклимат Академгородка существенно влияет присутствие рядом больших объемов воды Обского моря, создавая специфические циркуляции воздуха. Поэтому дополнительные выбросы от интенсивного движения по магистрали могут привести к тому, что загрязняющие вещества будут накапливаться в жилых кварталах Академгородка. Тогда основная магистраль прошла по другому маршруту. Сейчас обсуждаются новые варианты проекта строительства федеральной автомагистрали, в которых есть участки, пересекающие жилые кварталы.
Основным подходом к решению природоохранных задач сегодня является совместное использование математических моделей и всей доступной фактической информации. Для этих целей мы разрабатываем новые версии моделей и специальные методы “усвое-ния” данных мониторинга реального поведения изучаемых процессов. Кроме того, мы опираемся на анализ информации за предыдущие периоды, например за 50 лет, и выявляем главные факторы – элементы “долговременной памяти” климато-экологической системы, определяющие основные тренды. Пример с переносом нефтепровода показывает: всегда нужно взвешивать научную оценку долгосрочной экологической перспективы и экономическую выгоду, а потом выбирать приемлемый компромиссный вариант.

Познанная случайность
Методы Монте-Карло – это название сразу навевает мысль о вероятностях, напоминает о казино. Если точнее: речь идет о численном моделировании стохастических (случайных) процессов. И единственная в настоящее время в России научная школа по методам Монте-Карло, возглавляемая членом-корреспондентом РАН Геннадием Михайловым (на нижнем снимке), успешно развивается в Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН.
После окончания Ленинградского госуниверситета Геннадий Михайлов начинал работать в Снежинске над атомным проектом, где и познакомился с Гурием Марчуком. Именно тогда Г.Михайлов впервые применил в расчетах методы Монте-Карло, и в 28 лет стал лауреатом Ленинской премии (1962 год). В 1965 году Гурий Иванович пригласил своего коллегу по Атомному проекту в ВЦ СО АН СССР, где был создан отдел методов Монте-Карло.
Эти методы были успешно применены при решении задач зондирования Земли из космоса. За численное моделирование в области оптики атмосферы авторский коллектив, в составе которого были и Г.Марчук, и Г.Михайлов, в 1979 году получил Государственную премию. А монография “Методы Монте-Карло в атмосферной оптике” (авторы: Г.Марчук, Г.Михайлов, М.Назаралиев, Б.Каргин, Р.Дарбинян, Б.Елепов) стала настольной у математиков и оптиков всего мира. Задачи моделирования случайной структуры облаков ставятся и сегодня.
– С момента рождения направления заметно улучшились сами алгоритмы, применяются новые методы вычислений, поэтому мы создали для нашего Суперкомпьютерного центра специальную распараллеливающую систему Parmonc, – рассказывает ученый секретарь ИВМиМГ, кандидат физико-математических наук Михаил Марченко. – Еще одно направление: стохастическая метеорология. Когда речь идет о долговременных прогнозах, нужно смоделировать ряд случайных параметров (ветер, температура и т.д), влияющих на погоду. Исследования по этой тематике начинал еще мой отец Александр Сергеевич Марченко. Сегодня методы Монте-Карло для решения задач атмосферной оптики, статистической метеорологии разрабатываются в лаборатории стохастических задач доктора физико-математических наук Бориса Каргина.
Применяются методы Монте-Карло и в решении кинетических уравнений, а здесь мы переходим уже в область динамики разреженных газов, эти работы возглавляет нынешний заведующий лабораторией методов Монте-Карло доктор физико-математических наук Сергей Рогазинский. А Геннадий Алексеевич Михайлов продолжает заниматься задачами переноса излучения, с которых начинал в Снежинске. Например, в рамках интеграционного проекта СО РАН мы вместе с томским Институтом сильноточной электроники исследовали фундаментальную проблему моделирования электронных лавин.

Память волны
Память поколения гораздо короче памяти индивидуума – к такому выводу пришел известный японский исследователь цунами профессор Нобуо Шуто. В ходе опросов жителей побережья Тохоку он выяснил, что оценка опасности цунами людьми очень зависит от того, сколько лет прошло со времени катастрофы: 5-7 лет спустя к угрозе относятся очень серьезно, а через 20-25 лет ее перестают ощущать совсем. С 1970-х годов долгосрочной оценкой цунамиопасности занимается лаборатория математического моделирования волн цунами ИВМиМГ СО РАН, которую возглавляет доктор физико-математических наук Вячеслав Гусяков.
– К сожалению, подобное отношение к опасности господствует и в умах людей, принимающих решения. Утверждена масса постановлений по ускоренному освоению Дальнего Востока, развитию инфраструктуры Черноморского побережья, но риски не посчитаны, и в итоге инженерам при проектировании и строительстве попросту не на что опереться.
Сейчас мы пытаемся запустить проект по созданию карты цунамиопасности для побережья России. На нашем Дальневосточном побережье зафиксирована повторяемость сильных цунами раз в 15 лет, причем при последнем, которое произошло в 2006 году около острова Симушир, высота волн достигала 20 метров! Жертв не было просто потому, что в этом Богом забытом месте теперь никто не живет.
Что касается разрушительных мегацунами трансокеанского масштаба, то, например, на побережье Тохоку в восточной Японии их повторяемость – раз в 1000-1100 лет, в Индонезии – 400-500 лет, а на нашей восточной Камчатке – 200-300 лет. Нельзя считать безопасным даже Черноморское побережье: сильных землетрясений там не происходило, но есть угроза возникновения аномальных локальных цунами от землетрясений с магнитудами до 7. В окраинных и внутренних морях даже слабые землетрясения могут служить “спусковым механизмом” для подводных оползней, а вызванные ими обвальные цунами, хоть и локальны, но не имеют верхнего предела по высоте берегового заплеска.
Интерес к проблеме цунами вывел Вячеслава Гусякова и на космическую тематику.
– О возможном космогенном происхождении некоторых исторических цунами задумался мой учитель – академик Анатолий Семенович Алексеев, в последние годы своей жизни серьезно заинтересовавшийся угрозами, исходящими из космоса. Кстати, первым гипотезу о том, что Великий потоп вызван падением кометы в океан, выдвинул сэр Исаак Ньютон. Наш коллега по международной рабочей группе, изучающей свидетельства космических опасностей в голоцене (Holocene Impact Working Group), археолог Брюс Массе из Лос-Аламосской лаборатории проанализировал около 200 легенд и мифов разных народов – от эскимосов Аляски до папуасов Новой Гвинеи – и обнаружил, что история о страшном водном катаклизме есть у всех, причем детали совпадают!
Удалось даже предположительно определить время и место падения кометы – 2807 год до нашей эры, юго-западная часть Индийского океана, недалеко от Мадагаскара. Известны последствия падений небесных тел в недавнем прошлом: Тунгусский и Челябинский метеориты. Более того, ряд необычно глубоких озер на территории России тоже, скорее всего, имеет импактное (то есть ударно-взрывное) происхождение. Задача нашей группы – уйти от ожесточенных дискуссий и ажиотажных публикаций, переведя проблему в чисто научную плоскость. Привлечь внимание мирового научного сообщества, тщательно изу-
чить все гипотезы импактного воздействия на Землю в недавнем прошлом и постараться оценить реальность “космической угрозы” в ближайшем будущем.

Подготовила Ольга КОЛЕСОВА
Фотоснимки предоставлены ИВМиМГ СО РАН

Полностью материал представлен в формате PDF

Нет комментариев