№ 2(12) / июнь

Популярно о науке

Леденящая тема

Будет ли продлен перспективный Урало-Европейский Арктический климатический проект

В ноябре 2011 года в Институте естественных наук Уральского федерального университета в рамках проекта Минобрнауки России по привлечению ведущих ученых в российские вузы была организована лаборатория физики климата и окружающей среды, с тем чтобы понять климат прошлого и настоящего и предсказать климат будущего. Благодаря выделенным деньгам удастся организовать работу на самом высоком уровне, но в тот момент, когда все будет готово для свершения открытий, встанет вопрос о его продлении. Что будет с актуальными наработками? А между тем климатическая картина мира стремительно меняется, ставя под угрозу существование человечества.

Только вдумайтесь: почти 65 % территории нашей страны (в масштабе земного шара этот показатель равен 25 %) занимает вечная мерзлота. Изменение климата Арктики, вызванное глобальным потеплением, создает угрозу ее масштабного таяния в Западной Сибири, где, к слову, расположена основная часть инфраструктуры добывающей нефтегазовой индустрии страны. Эти негативные климатические процессы неизбежно приведут к разрушению инфраструктуры нефтегазодобывающей промышленности и построенных на этой территории поселений. Вопрос времени: произойдут масштабные процессы через 20, 30 лет или же природа «потерпит» еще лет 50?

Вопрос глобального характера, и откладывать его изучение дальше некуда. Сотрудники лаборатории физики климата и окружающей среды УрФУ видят свою задачу в получении новых фундаментальных научных знаний, адекватно отражающих физическую суть процессов, протекающих в климатической системе Земли, с тем чтобы давать прогнозы относительно изменений климата и возможных последствий. Основу команды проекта составляют специалисты УрФУ. Кроме того, в проекте принимают участие специалисты УрО РАН и специалисты из Франции и Германии. Вовлеченные в работу молодые ученые задействованы в летних экспедиционно-полевых работах, в проведении лабораторных измерений изотопного состава воды в атмосферных осадках и в обработке данных спутникового и наземного зондирования парниковых газов в атмосфере Западной Сибири. Чтобы повысить свой профессиональный уровень, кандидаты наук проходят стажировку во всемирно известной Лаборатории наук о климате и окружающей среде во французском Институте Пьера-Симона Лапласа.

Математическая точность

В качестве базовой модели в исследованиях лаборатории используется компьютерная климатическая модель пятого поколения ECHAM5, разработанная в Институте Макса Планка в Германии. Для задач проекта УрФУ европейские соисполнители из Франции и Германии доработали ее. Новая версия модели получила название ECHAM5-wiso. О трудоемкости расчетов по ECHAM5-wiso говорит такой факт, что прогноз на 10 лет с использованием передовых мировых суперкомпьютеров занимает 10 месяцев непрерывных расчетов, на 20 лет — 20 месяцев и т. д.

В прошлом году была выполнена первичная настройка параметров климатической модели ECHAM-wiso для ключевых участков региона Западной Сибири и проведен суперкомпьютерный вычислительный эксперимент. Сравнение численных результатов, полученных зарубежными участниками проекта на основе ECHAM5-wiso, с данными математической обработки спутниковых и наземных (почасовых) измерений трассеров атмосферного водного цикла за период апрель—декабрь 2012 года, выполненных уральскими исследователями, показало, что разрабатываемая климатическая модель ECHAM5-wiso адекватно описывает имеющиеся региональные экспериментальные данные и ее можно использоваться для последующего прогнозирования.

Основная особенность климатических проектов — необходимость многолетних наблюдений. Характерное время полного перемешивания атмосферы северного и южного полушарий составляет 2–3 года. А для надежного выявления климатического тренда требуется накопить ряды данных, включающих по крайней мере несколько циклов перемешивания между полушариями. Масштабность поставленной в проекте задачи предполагает организацию в Западной Сибири наземной приборной сети для непрерывного измерения и накопления (за период 10 лет и более) временных рядов атмосферных данных по изотопам водяного пара. А для этого необходима международная Арктическая сеть фоновых станций со стандартизованным оборудованием (автоматизированные лазерные спектрометры PICARRO) и единым протоколом измерений, включая измерения изотопов водяного пара и осадков. В марте 2012 года в Коуровке на территории астрономической обсерватории УрФУ заработала первая в России станция такого типа (см. рис. 1).

Рис. 1. Слева — колпак солнечного трекера Фурье-спектрометра для дистанционного зондирования парниковых газов и изотопов водяного пара в атмосфере и валидации спутниковых данных; рядом воздухозаборное устройство лазерного спектрометра PICARRO, предназначенного для измерения соотношения изотопов в водяном паре в приземном слое атмосферы

Рис. 1. Слева — колпак солнечного трекера Фурье-спектрометра для дистанционного зондирования парниковых газов и изотопов водяного пара в атмосфере и валидации спутниковых данных; рядом воздухозаборное устройство лазерного спектрометра PICARRO, предназначенного для измерения соотношения изотопов в водяном паре в приземном слое атмосферы

В июле этого года планируется установить аналогичное оборудование на территории города Лабытнанги (Северный полярный круг). Обсуждается также возможность организации таких станций на полуострове Ямал и в Архангельской области.

Тема для обсуждений

В рамках этого проекта в Уральском федеральном университете 6–8 мая 2013 года была проведена школа-семинар по теме «Проблема изменения климата Земли. Влияние изменения климата на экономику». Слушатели школы-семинара — это главным образом молодые специалисты из УрФУ и УрО РАН, а также аспиранты и студенты старших курсов ИЕН и ВШЭМ УрФУ (см. рис. 2).

Рис. 2. Лекция ведущего ученого проекта Жёна Жузеля  «Климат Земли. Прошлое, настоящее и будущее»  для сотрудников, молодых ученых, аспирантов и студентов ИЕН и ВШЭМ УрФУ

Рис. 2. Лекция ведущего ученого проекта Жёна Жузеля «Климат Земли. Прошлое, настоящее и будущее» для сотрудников, молодых ученых, аспирантов и студентов ИЕН и ВШЭМ УрФУ

Ведущий ученый проекта Жён Жузель рассказал о своей разработке «изотопного палеотермометра» на основе измерения изотопов молекулы воды и результатах многолетней работы по реконструкции климата Земли в прошлом до 800 тыс. лет назад на основе анализа ледяных кернов из Антарктиды и Гренландии. Он обратил особое внимание на существенное отличие концентрации углекислого газа в современной атмосфере Земли по сравнению с атмосферой прошлого (см. рис. 3).

Рис. 3. Температура воздуха в Антарктиде за 800 тысяч лет — нижняя кривая.  Ноль — 1960 г. Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли  (в единицах ppmv) в прошлом и настоящем. Данные получены по ледяным кернам европейской станции Dome C в Антарктиде (от 800 тыс. лет назад  до настоящего времени) — верхняя кривая, дополненные результатами  измерений на обсерватории Мауна-Лоа с 1958 г. по 2012 г. Показана современная концентрация углекислого газа в атмосфере, равная 400 ppmv

Рис. 3. Температура воздуха в Антарктиде за 800 тысяч лет — нижняя кривая. Ноль — 1960 г. Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли (в единицах ppmv) в прошлом и настоящем. Данные получены по ледяным кернам европейской станции Dome C в Антарктиде (от 800 тыс. лет назад до настоящего времени) — верхняя кривая, дополненные результатами измерений на обсерватории Мауна-Лоа с 1958 г. по 2012 г. Показана современная концентрация углекислого газа в атмосфере, равная 400 ppmv

В прошлом за более чем 800 тысяч лет содержание углекислого газа в атмосфере Земли варьировалось в диапазоне от 180 ppmv (минимум в ледниковые периоды) до 290 ppmv (максимум в межледниковые теплые периоды), а в 2013 году его концентрация достигла 400 ppmv. Этот огромный скачок произошел за очень короткое время — последние 150 лет. В связи с тем, что циклы по парниковым газам в настоящее время оказались разорванными и их концентрация в атмосфере продолжает быстро расти, а количество углекислого газа и метана, запасенное в различных резервуарах Земли, огромно, вопрос о дальнейшем изменении климата на нашей планете остается открытым. Он также отметил, что, несмотря на естественные источники изменения климата — солнечную активность, вулканы, — человеческая жизнедеятельность оказывает намного большее влияние на изменение состава атмосферы, и особенно это заметно по увеличившейся концентрации парниковых газов. Последнее десятилетие было исключительно теплым, достаточно вспомнить 2010 год — самый «горячий» с середины XIX века. Существенно увеличилась скорость повышения уровня мирового океана: еще 1961 году этот показатель составлял 1,8 мм в год, а с 1993 он возрос до 3,1 мм в год. Это обстоятельство ставит под сомнение точку зрения, согласно которой все климатические изменения в будущем связываются только с периодами солнечной активности, и отрицается существенное влияние других факторов.

В семинаре также принял участие экономист Филип Нобель, нынешний глава знаменитого семейства Нобелей. В своей лекции он обсудил вопросы негативного влияния изменения климата на мировую экономику.

В своих выступлениях оба лектора отметили, что «наша деятельность лишь слегка повлияет на климат текущего десятилетия, но состояние климата в конце века полностью зависит от нашей деятельности».

Право на жизнь

Изотопы водяного пара в атмосфере — уникальный инструмент для валидации климатических моделей общей циркуляции атмосферы. Если модель воспроизводит наблюдаемые данные по изотопам водяного пара, то можно с уверенностью говорить, что она воспроизводит все остальные климатические характеристики.

По мнению коллектива лаборатории, проект выполняется вполне успешно. Однако совершенно ясно, что в отведенный промежуток времени работы в рамках мегагранта удастся только заложить базу (создание лаборатории, закупка и установка современного оборудования, отработка методики, подготовка молодых кадров) для решения масштабной задачи — разработки научно обоснованного климатического прогноза на ближайшие десятилетия для важнейшего региона России — Западной Сибири.

Результаты, полученные за два года выполнения проекта, позволяют сделать вполне обоснованный вывод о том, что, если в рамках созданной лаборатории сохранится возможность продолжения работы над проектом в последующие 3–5 лет, прогноз режима осадков и их влияние на скорость таяния вечной мерзлоты в Западной Сибири на ближайшие 20–30 лет могут быть выполнены достаточно подробно.

Вячеслав Иосифович Захаров, профессор, д. ф.-м. н., Уральский федеральный университет, Екатеринбург, Россия
Владимир Васильевич Васин, чл-корр. РАН, профессор, д. ф.-м. н., Институт математики и механики УрО РАН, Екатеринбург, Россия

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...

Комментарии:

  1. Сергей:

    Прекрасный матерал. Побольше бы таких в журнале. Всё-таки научно-популярные статьи в издании с названием “Научное обозрение”, как мне кажется, должны занимать никак не меньше места, чем политико-публицистические.

Оставить комментарий:

CAPTCHA image

Статьи из рубрики: Популярно о науке

И все-таки она отрывается!

disk1

Каждый хотя бы раз пытался запустить с вращением монету. Каждый был зачарован тем, как она крутится, наращивая звуковые колебания, а затем долго и неохотно падает. Машинально мы запускаем ее вновь и вновь. Наблюдать за этим процессом можно так же бесконечно, как за водой и огнем. Ученых в этом деле волнует не красота происходящего, а сугубо практические вещи: отрывается ли монета в момент остановки от поверхности?

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...
Комментарии: 1 Подробнее

От воздушного змея к задаче Максвелла

В Лаборатории нелинейного анализа и конструирования новых средств передвижения регулярно проводятся семинары, а также конференции и симпозиумы всероссийского и международного уровня. В ходе данных встреч докладываются наиболее важные научные результаты, обсуждаются задачи и проблемы университетского мегагранта. За два года сотрудниками лаборатории написано более 100 научных статей. В связи с этим в редакции журнала «Научное обозрение» появилась идея о создании специальной рубрики «Популярно о науке», в которой планируется излагать наиболее интересные результаты доступным, популярным языком. Открывает нашу новую рубрику статья ведущего научного сотрудника сектора динамики вихревых структур, д. ф.-м. н., профессора ИжГТУ Тененева Валентина Алексеевича.

В. А. Тененев, д. ф.-м. н., профессор

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...
Подробнее

Роботы-шары: новая конструкция мобильных роботов

robot12

Ученые постоянно ищут новые решения при разработке современных роботов. Поиск идет как в области создания новых методов управления роботами, включая, например, ультрасовременные методы Искусственного Интеллекта, так и в области реализации новых средств и форм движения роботов. В этих поисках рождаются новые нетрадиционные способы движения мобильных аппаратов, которые зачастую открывают и новые, недоступные ранее, возможности робота, оснащенного такими нетрадиционными движителями.

В. Е. Павловский, В. В. Павловский, Е. В. Павловский, Г. П. Терехов

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...
Комментарии: 1 Подробнее

Секреты динамики кельтского камня

Рис. 2. Геометрическая модель кельтского камня

При исследовании мест захоронений древних кельтов  археологами были обнаружены своеобразные артефакты — округлые камни, которые использовались кельтами в быту в качестве орудий труда («тесал»), а также, по-видимому, в религиозных целях. Проводя эксперименты над обнаруженными артефактами, ученые обратили внимание на их необычные динамические свойства. Например, способность менять направление вращения на противоположное (явление реверса). Истории исследований и новым результатам (в частности, с привлечением так называемой неголономной модели) посвящена данная обзорная статья.

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...
Комментарии: 7 Подробнее

Трение: увлекательно о фундаментальном

Лабораторный стенд для исследования эффектов трения

Одной из задач, поставленных перед Лабораторией нелинейного анализа и конструирования новых средств передвижения УдГУ, является исследование различных эффектов движения механических систем. Эффекты могут быть инициированы различными внутренними и внешними взаимодействиями, но наиболее интересны, конечно, законы и парадоксы, вызванные фундаментальными силами. Данная научно-популярная статья посвящена историческому очерку и обзору работы Лаборатории по исследованию эффектов, связанных с силой трения.

Надежда Ердакова

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...
Подробнее