Чи можна довіряти кліматичним моделям?

Для багатьох людей слово «модель» є синонімом до виразу «не як у справжньому житті».

Можливість передбачити, яким буде клімат Землі через століття, довго була значним викликом для науковців , що займаються проблемами клімату. Але глибше розуміння кліматичної системи, покращення якості спостережень за сьогоднішнім кліматом та швидке вдосконалення комп’ютерних технологій поступово веде до більш надійних методів.

У графіку, який з’явився на 45 сторінці Зведеної Доповіді Міжурядової Групи Експертів по Зміні Клімату (IPCC) за 2007 рік, вчені спробували дослідити, який вигляд матимуть світова температура та рівень моря в кінці цього сторіччя. Прогноз стверджував, що обидва показники будуть зростати, і це не стало несподіванкою для тих, хто хоч трохи приділяв увагу заголовкам за останнє десятиліття. Але в обох випадках прогнози охоплюють широкий діапазон можливостей. Температура, наприклад, повинна зрости в межах від 1,8 до 6,4 С (3,2 до 11,5 по Фаренгейту), а рівень морів може зрости мінімально на 7 дюймів і максимально на 23 дюйми – або десь в цих межах.

Це все звучить досить розмито, і той факт, що всі результати базуються на комп’ютерних моделях, скоріш за все звучить не так вже й переконливо для публіки. Для багатьох людей слово «модель» є синонімом до виразу «не як у справжньому житті». Насправді ж, широке коло можливостей частково пояснюється непередбачуваністю людської поведінки: графік показує різні можливі сценарії, що базуються на тому, яку кількість СО2 та інших парникових газів люди вироблятимуть у новому столітті. Наскільки висока можливість того, що потепління відбудеться,з начною мірою буде залежати від того, чи вирішить світ прийняти суворі обмеження викидів чи повністю проігнорує кліматичну проблему.

Але навіть якщо винести за дужки всі примхи політики та економіки і припустити, що кількість майбутніх викидів точно відома, прогнози кліматичних моделей все ж таки показуватимуть можливу варіацію в температурах, рівні моря та інших проявах зміни клімату. І хоча клімат тільки один, існує багато способів його моделювати . Джерелом даних IPCC є усереднені показники приблизно двадцяти окремих моделей, що були розроблені в таких установах, як Національний Центр Дослідження Атмосфери (NCAR), Геофізична Лабораторія Динаміки Рідин (GFDL), Метеорологічний офіс Сполученого Королівства та інших. Всі ці моделі мають спільні риси, але вони по різному сконструйовані і всі вони повністю залишать деякі потенційно важливі кліматичні процеси поза увагою. Тож залишається питання: наскільки ми дійсно можемо довіряти кліматичним моделям у передбаченні майбутнього?

Відповідь повністю залежить від того, які питання ви задаєте, каже Кейт Діксон, розробник моделей в GFDL. «Якщо ви хочете знати, чи зміна клімату це щось, що повинно бути на екрані мого радару», каже він, «тоді ви отримаєте досить переконливі результати». Клімат теплішає, і ми можемо сказати, чому. Якщо ми подивимось на 21 століття, всі прогнози того, що буде робити людина, кажуть нам про те, що клімат не тільки буде теплішати, але існує і висока можливість, що зміна клімату прискориться . Це явища світового масштабу, і вони дуже переконливі».
Причина їх переконливості полягає в тому, що з появою найпершої пробної версії ще в шістдесятих, моделі були по суті серіями рівнянь, які описували повітряні потоки, випромінювання та баланс енергії під час того, як Сонце зігріває землю, а Земля віддає частину тепла в космос. «Все зводиться до простої математики», каже Пітер Глекер, науковець Програми Аналізу та Порівняння Кліматичних Моделей в Національній Лабораторії Лівермору, і базові рівняння ідентичні в усіх моделях. «Глобальні кліматичні моделі », каже він, повторюючи Діксона, « розроблені для дослідження потоків атмосфери великих масштабів, і вони добре з цим справляються ».

Проблема в тому, що потепління спричиняє і інші зміни – кількості льоду в Арктиці, видів вегетативного живлення на землі, океанічних течій, хмарового покриву та ін. – це в свою чергу може спричинити ще більше потепління, або ж навпаки похолодання. Щоб змоделювати клімат точно, ви повинні взяти до уваги всі ці фактори. На жаль, каже Джеймс Харелл, що керував останньою спробою NCAR доповнити свою власну кліматичну модель, це не вийде зробити. «Іноді ви не включаєте процеси до моделі тільки тому, що ви недостатньо їх розумієте», він каже. «Іноді це відбувається тому, що ці процеси ще навіть не були відкриті».

Хорошим прикладом сказаного вище, каже Діксон, можна вважати глобальний цикл вуглецю – складний взаємний обмін вуглецю між океанами, атмосферою і біосферою. Так як атмосферний двоокис вуглецю є основним чинником зміни клімату, очевидно, що він важливий, але років 15 назад цей чинник занадто мало розуміли, щоб включати його до моделей. «Сьогодні», каже Діксон, «ми включаємо його – ми симулюємо життя, а не тільки фізику». Рівняння, що показують динаміку океанів та морську кригу , також було додано до кліматичних моделей, так як вчені краще зрозуміли їх ключову важливість.

Інший важливий феномен, зміни в хмарах, все ще надто складний, щоб точно його змоделювати. « Ми не можемо симулювати купчасті хмари », каже Діксон, «Тому що вони набагато менші за розподільчу здатність 200-кілометрової сітки, за допомогою якої будується модель світу». Те саме стосується і аерозолів – дуже маленьких часточок, що включають природний пил та сажу від людської діяльності – що знаходяться в атмосфері, вони можуть підігріти чи остудити планету, і це залежить від їх розміру та композиції.

Але не має єдиного шляху для моделювання таких маломасштабних феноменів. «У нас немає ані спостережень, ані теорії», каже Глекер. Єдине, що вони можуть зробити на цьому етапі – це змоделювати сумарний ефект всіх хмар або аерозолів в сітці – це називається « параметризація ». Різні центри моделювання мають різні підходи до цього, що, зрозуміло, призводить до варіації в результатах. «Це не та наука, про яку все відомо, за визначенням», каже Глекер. «Багато груп в світі використовують свої дослідні методи задля розвитку кращих моделей». Якщо минуле хоч чомусь навчає, науковці зможуть відмовитись від параметризації, замінюючи її математичними моделями реальних фізичних процесів.

Іноді вчені недостатньо розуміють процес для того, щоб взагалі включати його. Навіть якщо вони знають, що він важливий. Одним з прикладів служать попередження, що з’являються в графіку IPPC в 2007 році. Він застерігає, що підвищення рівня моря повністю не враховує «майбутні значні динамічні зміни в переміщенні льоду ». Іншими словами, якщо материкові льодовики в Гренландії та Антарктиці починають рухатися відносно моря швидше , ніж це відбувалося у минулому — це було можливо, на думку науковців, що вивчають льодовики, але ще не зафіксовано – такі вимірювання будуть неправильними . А супутники вже зафіксували такий рух. «В останньому поколінні моделей NCAR,» каже Харелл, «не було динаміки льодового покриву взагалі. Модель, яку ми презентували минулого літа вже має цю динаміку, але показники досить неточні. Через рік чи два ми матимемо більш точні дані».

Але точність даних враховується, тільки якщо моделі відтворюють реальний світ досить точно. Але чекати 2100 року, щоб щось дізнатися, не дуже корисно, тому розробники моделей користуються наступним методом: вони вводять “ ретроспективу ”, що являє собою обернений прогноз. «Ми почали створювати моделі починаючи з 1800 року», каже Діксон, «і випробовуємо їх сьогодні». Якщо модель показує характеристики реального світу досить точно, це хороший знак.

Чого моделі не роблять, так це не співпадають по часу з короткостроковими відхиленнями клімату , які трапляються в реальності. Модель може передбачити щось на кшталт Пилових котлів (пилові шторми, що спричиняли екологічні та с/г проблеми в тридцятих роках минулого століття в Америці та Канаді – прим. перекладача) в тридцятих роках, але в моделі це відбудеться в 50-их. Модель повинна показати піки та спади El Niño та La Niña (явища коливання поверхового шару води в екваторіальній частині Тихого океану, що має помітний вплив на клімат – прим. перекладача)  в Тихому океані з правильною інтенсивністю та частотою, але не обов’язково співпадає у часі з їх справжньою появою в Тихому океані. Моделі також мають показувати сповільнення та пришвидшення в тенденціях потепління, котрі є результатом природних коливань, на рівні їх появи в реальному кліматі. Але вони необов’язково покажуть специфічне вщухання глобального потепління, яке ми спостерігали за минуле десятиріччя – тимчасове сповільнення, яке скептики назвали кінцем глобального потепління.

Важливо також розуміти, що клімат представляє собою дещо, що розробники моделей називають граничною умовою . Завірюхи в Сахарі знаходяться за межами нашого сьогоденного клімату, так само як і пальми в Гренландії наступного року. Але в цих межах, ситуація може значно коливатися кожного року, або кожного десятиріччя. Науковці хочуть створити віртуальний клімат, що буде нагадувати справжній за статистичними показниками: El Niños, які виникають з тією ж кількістю, що і в реальності, або столітні шторми, що відбуваються раз на століття чи близько до того.
Це важлива різниця між прогнозом погоди та прогнозом клімату . Обидва використовують комп’ютерні моделі, і в деяких випадках навіть однакові. Але прогнози погоди виходять зі стану атмосфери та океанів цього самого моменту, а потім будують проекції на майбутнє. Для нашого повсякденного життя не дуже корисно знати, що у вересні був такий середній вищий чи середній нижчий показник; ми хочемо знати, яка температура буде завтра, і післязавтра, і наступного тижня. Через хаотичність атмосфери, все, що менше абсолютно точного знання сьогоднішніх умов (що неможливо, так як спостереження завжди неідеальні), зробить прогноз непотрібним вже через два тижні.

Так як кліматичні передбачення виходять з ужитку не за дні чи тижні, а скоріш за десятиліття, розробники моделей навіть не намагаються робити специфічні прогнози. Замість цього, вони спостерігають за змінами середніх показників – в граничних умовах. Вони хочуть знати, чи будуть вересні в 2050-тих загалом тепліші, ніж вересні в 2010-тих, або чи екстремальні погодні явища – потопи, заливні дощі, засухи – стануть більш або менш частими. Загалом, це і є визначенням клімату: середні умови в конкретному місці.

«Так як моделі поєднуються різними дослідниками, що використовують різні кодування, кожна з них має свої сильні і слабкі сторони», каже Діксон. «Іноді робота однієї групи завершується із замалим чи зависоким рівнем льоду в морях, але вдало досліджує El Niño і опади в континентальній частині США, наприклад», а інші навпаки успішні з льодовиками, але невдало досліджують зміни у рівні моря. Але якщо ви берете середні дані багатьох моделей, то похибки зменшуються.

Моделі, які добре відображають минуле, не завжди так само добре передбачають майбутнє. Це відбувається частково через те, що деякі зміни в кліматі носять нелінійний характер , і навіть маленька дрібничка може призвести до неочікуваного значного результату. Знову таки, льодовики – це хороший приклад: якщо вивчати тільки танення, досить легко вирахувати, наскільки більше буде надходити до морів кожного разу при підвищенні температури на градус.  Відносно незначне підвищення температури може призвести до великого збільшення рівня морів. Ця конкретна нелінійність вже підозрювалась, навіть якщо і була не до кінця зрозуміла, але можуть існувати й інші, приховані у кліматичній системі.

Крім того, каже Діксон, якщо три чверті моделей передбачають, що Сахель (територія на півдні Сахари – прим. перекладача) стане вологішою, а одна четверта стверджує, що вона стане більш засушливою, «існує тенденція йти за більшістю. Але без всіх цих досліджень ми не можемо дізнатися чи правильно діє меншість. Можливо їх огляд тенденцій опадів кращий». Чинник найбільшої довіри - це коли тенденція, побачена в моделях, підтверджується спостереженнями: тепліші весни і раннє танення в Західних США, наприклад, що не тільки має фізичний сенс у світі, що теплішає, але і дійсно відбувається.

І моделі постійно вдосконалюють . Вчені, що займаються проблемами клімату, вже використовують модифіковані (видозмінені) версії, щоб спробувати спрогнозувати на наступні декілька років точний час, коли відбудуться El Ninos та La Niñas. Вони тільки починають опановувати періоди в 10, 20 та навіть 30 років майбутнього, так званий декадний часовий інтервал , де граничні умови та природні коливання змінюються в своїх границях і впливають на клімат. «Ми мали досить скромні успіхи з El Niños», каже Харелл, «але в цьому напрямку 15-20 років тому у нас не було й таких успіхів. Саме на такому етапі ми знаходимося з декадними прогнозами. Але ситуація буде значно покращуватися».

Оцінюючи кліматичні моделі протягом останніх двадцяти років, Глекер не хоче приховувати й недоліки, які все ще залишаються в існуючих моделях. «Але останнім часом у нас покращився рівень спостережень », каже він, «більше людей почали приділяти уваги таким речам, і фінансування покращилося. Я гадаю, від сьогодні у нас кращі перспективи для реального прогресу».