Люди и кибернетика - Никита Моисеев

Так и при изучении природных явлений мы должны согласовать разрешающую способность модели климата с нашими потребностями и задачами. Чересчур «сильная» модель потребует больше времени для своего анализа. Модель же малой разрешимости может не заметить и упустить важные детали. Для исследования региональных особенностей климата и обоснованных оценок продуктивности естественных и искусственных ценозов модель климата должна различать на поверхности земли квадраты размерами порядка 4–5 градусов по широте и долготе. Только в этом случае можно достаточно хорошо выделить основные промышленные и сельскохозяйственные регионы, например отличить климат Поволжья от климата Центральной России. Кроме того, модель должна допускать реальную возможность анализа эволюции климата в течение нескольких десятилетий.

Проведя с этих позиций сравнение имеющихся в нашем распоряжении многочисленных моделей глобальной циркуляции атмосферы, мы в ВЦ АН СССР остановили свой выбор на одной американской модели (так называемой модели Гейтса — Минца — Аракавы). Эта гидротермодинамическая модель атмосферы была создана в интересах прогноза погоды, но для подобных целей она оказалась чересчур грубой, поскольку это, по существу, двухслойная модель тропосферы и она не учитывает целый ряд деталей, важных для предсказания погоды на ближайшее время. Для наших же целей ее точность была более чем достаточна. Нас устраивало, что она учитывает не только реальное распределение материков и океанов, но и распределение горных систем, характер ледяного и снежного покрова и т. д.

Эта модель обладала еще одним достоинством — она давала весьма полную картину источников и стоков энергии, которые формируются в атмосфере за счет солнечной радиации и фазовых переходов воды, содержащейся в атмосфере и в подстилающей поверхности, в пар, в лед, в снег или в воду. Это очень важное достоинство модели. В самом деле, перенос влаги, сопровождаемый испарением и конденсацией воды, возникновением и исчезновением облаков, играет колоссальную роль в механике и энергетике атмосферы. Достаточно сказать, что на испарение затрачивается около трети всего поглощаемого планетой солнечного тепла.

Как, наверное, уже обратил внимание читатель, мы все время употребляем термин «модель климата», В действительности же это некоторая «система моделей», описывающих все те процессы, которые в своем взаимодействии и определяют климат. Подобно тому как современное здание состоит из отдельных, но связанных между собой блоков, система моделей климата — это тоже конструкция, обладающая собственной архитектурой. Кроме блока моделей, отражающих процессы, протекающие в атмосфере, в Системе моделей климата должен присутствовать и блок моделей, описывающих состояние океана, который в наибольшей степени определяет структуру климата, изменение его характеристик.

Выбор модели океана, то есть способ описания его динамики, тоже очень не прост. С одной стороны, эта модель не должна быть очень сложной и допускать возможность проведения многократных пересчетов, а с другой — она должна учитывать основные особенности обмена энергией, а также потоки влаги и углекислоты в зависимости от широты и долготы.

Пробный анализ показал, что эти сложнейшие процессы обладают одним важным свойством, которое нам позволяет упростить модель. Дело в том, что океан очень инерционен и существенная перестройка его состояния требует сотен лет! Поэтому если мы хотим изучить тенденции изменения климата, которые может создать человеческая деятельность в течение десятков лет, то мы можем не учитывать движения глубинных океанических вод. Это обстоятельство сильно упрощает исследование. Оно позволяет воспользоваться достаточно простой моделью взаимодействия атмосферы и океана, разработанной в главной геофизической обсерватории в Ленинграде (профессор Е. Борисенков).

К числу перечисленных моделей следует добавить еще модель образования морского льда, динамику материкового льда и т. д.

Наконец, нам нужны не просто уравнения, описывающие изменения гидротермодинамических элементов атмосферы и океана, но и статистическая модель, прослеживающая эволюцию таких характеристик, как средняя температура, влажность, облачность и т. д.

Не будем подробно описывать все те трудности, преодоление которых необходимо для завершения подобного исследования. Пока еще мы далеки от окончания этой работы. Но первый шаг уже сделан: как говорят кибернетики, модель может «считать». Конечно, еще далеко не все, еще очень медленно, но тем не менее она «считает»! И мы уже видим, что та, казалось бы, фантастическая задача, которая была поставлена в середине 70-х годов, не столь уж фантастична. Может быть, пройдет 10–15 лет, и с этим инструментом анализа климатических изменений ученые начнут работать так же, как, например, работают сейчас с системой расчетов ядерных реакторов и электростанций.

Составителей модели подстерегает еще одна трудность — идентификация модели, проверка ее достоверности. В физике для этого обычно проводят эксперимент и его данные сравнивают с расчетными величинами.

Здесь же все гораздо сложнее. Мы наблюдаем лишь один-единственный вариант погоды, наша же модель статистическая, и предполагается, что описывать ей придется эволюцию средних характеристик. Значит, надо брать много средних данных о многих вариантах погоды. А где их взять, эти средние характеристики? Правда, метеослужба сейчас работает довольно интенсивно и ее наблюдения достаточно полны. Следовательно, пройдет лет 50-100, и тогда, наверное, накопленных данных окажется достаточно для построения «средних характеристик» погоды. Ну а сейчас?

На наше счастье, синоптикам известен ряд явлений, повторяющихся с точностью удивительной! Существует, например, «Западный перенос» атмосферы — движение воздуха в Северной Атлантике и Европе, которое осуществляется серией циклонов, устремляющихся с запада на восток. Известен, например, так называемый Азорский максимум — зона повышенного давления, располагающаяся зимой над Азорскими островами. В это время там устанавливается отличная погода, и состоятельные люди Америки и Западной Европы проводят зимние каникулы на Азорских островах! В январе устанавливается знаменитый Сибирский антициклон. Особенно постоянно наблюдается круговое движение воздуха летом вокруг Антарктиды. Можно привести еще целый ряд подобных явлений, которые можно использовать в качестве тестов для проверки моделей.

Итак, первейшее требование к модели — она должна воспроизводить подобные, повторяющиеся явления. В противном случае ее нельзя использовать для прогнозов.

Модель, построенная в ВЦ АН СССР, с большой точностью воспроизводит те картины, которые привыкли наблюдать синоптики. То есть с точки зрения описания глобальных экологических процессов она не противоречит наблюдаемым фактам. Это уже много, хотя и недостаточно.

Но, сделав первый шаг, мы уже более уверенно можем приступить к нашей главной задаче — оценке возможных климатических сдвигов как следствий антропогенной нагрузки на биосферу. Эта оценка будет представлять собой результат расчетов, проведенных на основе построенной модели. Она укажет на возможные изменения основных метеорологических величин, таких, как средние температуры и влажности, количества фотоактивной радиации, величины балла облачности, количества осадков и ряд других факторов, влияющих на производственную деятельность, в зависимости от изменения некоторого базисного набора параметров — альбедо, концентрации СО2, количества искусственной энергии… Значения этих параметров определяются, в свою очередь, промышленной и другой деятельностью людей в настоящее время или в обозримом будущем. В частности, с помощью разрабатываемой климатической модели, точнее, системы моделей мы надеемся научиться рассчитывать климатические эффекты различных проектов как регионального, так и глобального характера.

Другими словами, мы предполагаем однажды в обозримом будущем иметь систему моделей, позволяющих проводить оценки параметров климата — оценки, которые необходимы для выбора рациональных стратегий хозяйственной деятельности в различных регионах мира.

Сейчас еще рано говорить о том, что такие расчеты могут быть сегодня эффективно реализованы. Нас ждет еще много трудностей, но перспектива уже видна.

Региональные конфликты и коллективные решения

До сих пор мы обсуждали проблемы биосферы и климата. Читателю может показаться что все это очень далеко от вопросов кибернетики. Но это не совсем так.

Чтобы управлять, чтобы принимать те или иные решения, надо прежде всего ясно видеть связи, существующие между нашей действительностью, которой мы можем управлять (в той или иной степени), и изменениями, которые могут происходить в биосфере. Особое значение для нас имеют факторы, связанные с реализацией проектов, способных изменять климатические характеристики, либо шаги, предпринимаемые для достижения каких-либо экономических целей и так или иначе влияющие на характеристики климата.