Каким будет климат в Арктике через столетие?
Глобальное потепление распространяется неравномерно и ущерб наносит не везде. Для тропиков, например, среднее увеличение температуры кажется несущественным, но в высоких широтах начинает таять многолетняя мерзлота, и меняются ландшафтные зоны. Так результат анализа климатических характеристик Сибирского региона демонстрирует, что за ХХ век температура здесь повысилась почти на один градус и повышение продолжается. Экосистемы Сибири и арктического побережья восточной России особенно чувствительны к изменениям климата и антропогенным воздействиям, поскольку их сложившееся в условиях экстремальных температур равновесие является крайне уязвимым. Вот неполный перечень последствий климатических изменений в Арктике: таяние морского льда, деградация вечной мерзлоты, приводящая к разрушению инфраструктуры полярных регионов, миграция на север границы лесной растительности. Оттаивание как материковой, так и шельфовой мерзлоты сопровождается выбросами в атмосферу парниковых газов и окислением вод Северного Ледовитого океана. Для анализа последствий таких изменений климата и негативных воздействий на экологию в этом регионе необходимо изучать физические механизмы, определяющие состояние многокомпонентной климатической системы. Мировая наука использует для этой цели физико-математические модели, прогнозирующие будущее состояние климата и экологии. Наиболее яркий пример — международный проект CMIP (Coupled Model Intercomparison Project), стартовавший в 1995 году. В 2013-м началась уже шестая стадия его реализации. Цель проекта, объединяющего более полусотни климатических моделей, — лучше понять механизмы изменения климата и взвешенно спрогнозировать возможные последствия.
Не отстают и российские ученые. Институт вычислительной математики и математической геофизики (ИВМиМГ) СО РАН второй год подряд выигрывает гранты Российского научного фонда по тематике «Разработка алгоритмов и численных моделей динамики атмосферы, океана и водных объектов суши для исследований вариаций климата и антропогенных изменений в окружающей среде».
Моделируя океан
Когда Гурий Иванович Марчук, основатель Вычислительного центра СО АН СССР, приехал в Новосибирский Академгородок, он предложил открыть в ВЦ (ныне — ИВМиМГ) отдел физики атмосферы и океана. Лаборатория океанографии в центре Сибири поначалу выглядела парадоксально. Но лет через 30, когда от краткосрочного прогноза погоды перешли к моделированию изменений климата, выяснилось, насколько пророческим было это решение: океан играет существенную роль в климатических процессах, являясь основным поставщиком долговременной информации в атмосферу на периоды от года до сотен и тысяч лет. Сначала группу моделирования общей циркуляции атмосферы и океана возглавлял Валентин Дымников (ныне — академик РАН). В годы перестройки усилиями дирекции института и доктора физико-математических наук Виктора Кузина, первого заведующего лабораторией математического моделирования процессов в атмосфере и гидросфере, тематика исследований была сохранена. Сегодня разработку численной модели климатической системы Земли продолжают ученики профессора В.Кузина доктора физико-математических наук Елена Голубева и Геннадий Платов.
В последние годы сотрудники лаборатории разработали программный комплекс, включающий ряд численных моделей: атмосферы, суши, океана с учетом морского льда и речного стока, а также других компонент климатической системы.
Приобрела известность в мире модель SibCIOM (Siberian coupled ice-ocean model), где учтена еще одна проблема, связанная с глобальным потеплением, — заметный рост речного стока. Сегодня великие сибирские реки сбрасывают в Северный Ледовитый океан гораздо больше пресной воды, чем раньше, что меняет пресноводный баланс в Северном Ледовитом океане, а как следствие и глобальный гидрологический цикл.
В рамках проекта РНФ «Исследование взаимодействия компонент системы атмосфера — океан — морской лед арктического региона в условиях изменений глобального климата» (2019-2021), выполняемого под руководством доктора физико-математических наук Геннадия Платова, изучаются крупномасштабные климатические изменения, включая резкое сокращение морского льда. Физические механизмы, приводящие к сокращению площади арктического морского льда, требуют дополнительных исследований. Важно предсказывать динамические (изменения потоков воздуха в атмосфере, океанических течений) и термодинамические (повышение температуры воздуха, радиационные и турбулентные потоки энергии, усвоение тепла в океане) процессы и даже изменение альбедо — отражательной способности поверхности Земли из-за сокращения или увеличения границ открытого океана, льда и суши. Более того, таяние арктического морского льда приводит к ослаблению западного потока в тропосфере и ослаблению или смещению стратосферного полярного вихря. Так создаются условия для формирования экстремальных крупномасштабных погодных явлений в средних широтах (засухи, наводнения, продолжительные периоды жары и экстремальные заморозки, резкие перепады температуры и давления, ураганы). Понимание этих механизмов — актуальная и значимая научная проблема. На основе численного моделирования и анализа имеющихся наблюдений выявляются связи вышеупомянутых процессов с ростом концентрации парниковых газов. Уже получены оценки будущих изменений глобального климата Земли и климата в Арктике. С практической точки зрения наиболее важная сторона проекта — выявление закономерностей формирования и развития опасных погодных явлений в Арктическом регионе Сибири.
Исследование проводятся в тесном международном сотрудничестве. Так, в течение 15 лет разработанная численная модель океана и морского льда SibCIOM участвует в сравнительных экспериментах международного проекта FAMOS/AOMIP Forum for Arctic Modeling and Observational Synthesis. А в этом году ИВМиМГ СО РАН стал участником международной программы исследований PEEX (Pan-Eurasian EXperiment), представляющей собой междисциплинарное исследование изменений климата, качества воздуха и окружающей среды, ориентированное на северную Евразию, особенно на арктические регионы.
Скрытая угроза
Несколько лет назад внимание специалистов ИВМиМГ привлекла еще одна проблема: из-за суровых климатических условий остается малоизученным крупнейший континентальный шельф на Земле — шельф Сибири, включающий моря Карское, Лаптевых и Восточно-Сибирское. Состояние вод и морского льда шельфа управляется множеством климатических процессов, содержащих изменчивость атмосферной динамики, определяющей формирование и таяние морского льда, его дрейф и циркуляцию вод в поверхностном слое. Результаты экспедиционных наблюдений свидетельствуют о том, что в последние десятилетия в регионе отчетливо видны климатические изменения. Данные наблюдений за 1920-2009 годы в мелководной части шельфа и прибрежной зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского отражают значительное повышение придонной температуры (на два с лишним градуса), начавшееся с середины 1980-х годов. На центральном шельфе зимой зафиксировано несколько случаев беспрецедентного потепления в придонных водах. Ярким свидетельством происходящих изменений стала активизация эрозии арктических берегов.
Чисто научный интерес перерос в проект «Разработка системы моделирования для анализа современного состояния и оценки тенденций будущих изменений природной среды сибирских шельфовых морей», поддержанный в этом году Российским научным фондом. Принципиально новой является такая задача проекта, как выявление наиболее уязвимых районов Сибирского шельфа на основе анализа областей устойчивого повышения придонной температуры и построенных карт возможных скоплений газогидратов, полученных на основе решения обратной динамической задачи сейсмики и модели подводной мерзлоты. И здесь речь идет уже о проблеме не национального, а планетарного масштаба. Газовые гидраты, залежи которых найдены на континентальных шельфах всех шести материков, — соединения крайне неустойчивые.
— Дело в том, что газогидраты могут быть источником не только углеводородного сырья, но и выбросов метана в атмосферу, — рассказывает руководитель проекта, доктор физико-математических наук Е.Голубева. — Образование газогидратных залежей сибирских шельфовых морей происходило в ледниковые периоды в субаэральных условиях как следствие понижения уровня океана и формирования в донных отложениях шельфа многолетнемерзлых пород. Эти реликтовые гидраты арктического шельфа, запас метана в которых, по различным оценкам, варьируется в диапазоне от двух до 1400 Гт, особенно чувствительны к изменениям климата. Повышение температуры придонного слоя усиливает процесс деградации многолетнемерзлых пород и может привести к дестабилизации газовых гидратов. При этом газ метан, который был в ловушке газогидратов, начнет выходить на поверхность и поступать в атмосферу. Таким образом, динамика температуры придонных вод вблизи скоплений газогидратов должна отслеживаться особенно тщательно. При поднятии огромного количества газа могут образовываться газовые пузыри диаметром в несколько сот метров, представляющие угрозу инженерным сооружениям и судам. Локализация таких скоплений и контроль их состояния — задача огромной важности в свете меняющегося климата Арктики и активных геологоразведочных работ в этом регионе.
Прогноз на столетие
Отличительной особенностью проекта является его междисциплинарность: объединяются исследования математиков и геофизиков. Разработанный в ИВМиМГ СО РАН комплекс моделей будет использован для описания пространственно-временной изменчивости процессов, происходящих в водной толще, осадочном слое дна океана, ледовом покрове. Также будет проведен анализ системы «донные отложения — океан» с учетом изменения скорости деградации подводной мерзлоты и эмиссии метана в атмосферу над Северным Ледовитым океаном. Для разработки системы мониторинга скоплений газогидратов планируется применять сейсмические методы. В связи с этим проект предполагает проведение совместных исследований Института вычислительной математики и математической геофизики и Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН. Основные исполнители проекта — сотрудники ИВМиМГ доктор физико-математических наук Галина Решетова и кандидат физико-математических наук Валентина Малахова, а также доктор физико-математических наук Владимир Чеверда (ИНГГ СО РАН). Безусловно, активное участие в исследованиях будут принимать студенты и аспиранты Новосибирского госуниверситета, проходящие дипломную практику в этих институтах.
С учетом тенденций изменений климата полярных широт и выявленных областей устойчивого повышения придонной температуры математики проведут численное моделирование динамики состояния криолитозоны Сибирского шельфа. Для оценки объема скоплений газогидратов и их локализации в рассчитанной зоне стабильности донных отложений сибирских морей будет разработана математическая модель, описывающая взаимодействие сейсмических волн со скоплениями газогидратов. Проведенные исследования и полученные модельные результаты будут представлены в виде карт распространения и мощности субаквальной мерзлоты и зоны стабильности метангидратов морей Сибирского шельфа. На основе разработанной модели возможно прогнозирование температурного режима придонных вод до конца XXI века! А анализ карт возможных скоплений газогидратов, полученных на основе решения обратной динамической задачи сейсмики и модели подводной мерзлоты, поможет выявить наиболее уязвимые районы Сибирского шельфа и оценить степень риска аварийных ситуаций, связанных с выбросом газов.
— Масштабность перечисленных задач требует огромных вычислительных ресурсов, — считает директор ИВМиМГ доктор физико-математических наук Михаил Марченко. — Выполнение исследований невозможно без массивных вычислений, проведение которых предполагается на базе Центра коллективного пользования «Сибирский суперкомпьютерный центр СО РАН» в нашем институте, включающего кластерные суперкомпьютеры НКС-30Т и НКС-1П.
Между тем вычислительная производительность оборудования ССКЦ — всего 160 терафлопс, среднее время ожидания старта задания в очереди задач — 14-17 дней. В связи выработкой ресурса оборудования и бурным ростом потребностей в вычислениях со стороны пользователей важно срочно увеличить мощность ССКЦ до 1 петафлопс. Конечно, полученная от РНФ финансовая поддержка позволяет обеспечить необходимые условия для проведения полноценных исследований: закупить оборудование и лицензионное программное обеспечение, привлечь к работе талантливую молодежь, организовать международные молодежные школы-конференции. И все-таки Сибирскому отделению РАН необходимы совершенно иные вычислительные мощности. Только с их помощью можно решить немало принципиально новых научных задач, таких как оценка изменения природной среды сибирских шельфовых морей.
Ольга Колесова
Нет комментариев