Всемирная Глобальная Научная Программа «Будущее Земли»: разделение вкладов атмосферы и океана в радиационное поле Земли

Цель доклада - роль математики, компьютера и космоса для реализации Всемирной Глобальной Научной ПРОГРАММЫ "Будущее Земли" [1, 2] и прогнозирования БУДУЩЕГО ЗЕМЛИ как планеты и цивилизации, включая радиационный фактор, связанный с разделением вкладов атмосферы и океана в радиационное поле Земли. Речь идет об отечественных достижениях мирового уровня в теории переноса излучения в системе атмосфера-океан и о современном развивающемся в России научном потенциале, который в должной мере обеспечивает методические основы теоретико-расчетных исследований радиационных процессов и радиационных полей в природных средах с использованием суперкомпьютеров и массового параллелизма для задач аэрокосмического дистанционного зондирования Земли и климата.

16 марта 1962 года в Советском Союзе был произведен запуск первого ИСЗ серии «Космос», положивший начало реализации «Программы космических атмосферно-оптических исследований» и проекта «Космическая стрела» и осуществлению научной программы исследования околоземного космического пространства, определившей наши отечественные успехи. По экспертным оценкам последнего времени от 40% до 60% приходится на радиационный форсинг на эволюцию климата. Радиационный форсинг - это изменение притока радиации (солнечной коротковолновой и длинноволновой лучистой энергии) в глобальной системе "атмосфера-земная поверхность-океан" под влиянием радиационно-активных факторов, среди которых существенная роль принадлежит вкладу альбедо и отражающих характеристик земной поверхности, снежного и ледового покрова, а также океанов и морей. Существенное отличие современных технологий от предыдущих касается, преимущественно, технологий приема, обработки и представления космических данных, т.е. лежит в области информационных технологий. При этом резко снизился теоретический и математический уровень в создаваемом программном обеспечении.

Отечественные ученые всегда занимали ведущие позиции в мире, но до сих пор актуальна задача повышения точности расчета радиационного блока в Модели глобальной атмосферы и Мирового океана, а также разделения вкладов излучения атмосферы и океанов [3-8]. Работа научного коллектива Института Келдыша отличается высочайшим уровнем теоретико-расчетных исследований, превосходящим все зарубежные результаты [9-16]. Высокий математический уровень исследований сохранился в ряде других организаций [17-28].

Научную дискуссию вызвали опубликованные в виде небольшой монографии [29] заметки академика Р.И.Нигматулина, написанные на основе его лекции в Санкт-Петербургском гуманитарном университете профсоюзов, а также докладов на ряде российских и международных конференций, которые отличаются острой постановкой как научных, так и общественно-политических проблем. Вынесенные в заголовок четыре круга явлений и важнейших вопросов современности обсуждаются в четырех главах книги.

Заслуживает внимания и теоретико-расчетной проверки концепция, представленная в докладе Р.И.Нигматулина на Президиуме РАН [30]: Океан - диктатор климата. Масса океана в триста раз больше, чем масса атмосферы. А теплоемкость в тысячу раз больше. Вот почему малейшие изменения в океане очень сильно влияют на состояние атмосферы. И второе важное обстоятельство: в океане много углекислого газа, который, как все теперь знают, оказывает очень большое влияние на климат: в океане СО в пятьдесят раз больше, чем в атмосфере. Содержание углекислого газа в атмосфере - три-четыре сотых процента, но это как раз тот случай, когда малый параметр оказывает большое влияние. Есть оценки, что если бы в атмосфере не было углекислого газа, то температура воздуха была бы на тридцать градусов ниже. Когда коротковолновое солнечное излучение падает на Землю, в атмосфере его поглощает в основном только озоновый слой. А главное, оно поглощается поверхностью Земли и воды, а потом переизлучается в длинноволновый спектр. Именно это излучение поглощается уже парниковыми газами - углекислым газом и водяным паром - и греет атмосферу. А водяного пара в атмосфере на два порядка больше, чем углекислого газа.

В учебном пособии [31] достаточно подробно наглядно описаны механизмы взаимодействия атмосферы и океана. Однако на современном этапе развития достижений в математике и компьютерах необходимо адекватнее описывать физические процессы с учетом, в частности, гиперспектральных баз данных поглощения излучения в атмосфере [32], содержащих около 2 млн спектральных линий семи основных газов. Фундамент для методических основ расчетов радиационного поля Земли с разделения вкладов атмосферы и океана были заложены ранее авторами [9-16]. Эти математические результаты универсального характера, так что вполне применимы для приложений.

Исследование выполнено при частичной финансовой поддержке РФФИ (проекты № 17-01-00220, № 18-01-00609).

Список литературы

1. Future Earth. Global Research Projects. http://futureearth.org
2. Постановление Президиума РАН \No~103 от 29.05.2018 О создании Комитета РАН по международной программе "Будущее Земли". http://www.ras.ru/presidium/documents/
3. Марчук Г.И. Численное решение задач динамики атмосферы и океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 303 с.
4. Марчук Г.И., Залесный В.Б., Лыкосов В.Н., Галин В.Я. Математическое моделирование общей циркуляции атмосферы и океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 320 с.
5. Марчук Г.И., Дымников В.П., Курбаткин Г.П., Саркисян А.С. Роль океана в короткопериодных колебаниях климата и программа "Разрезы" // Итоги науки и техники. Серия: Атмосфера, океан, космос - программа "Разрезы". Т. 6. М.: ВИНИТИ, 1986. С. 6-23.
6. Нечепуренко Ю.М., Толстых М.А. Реализация численных моделей атмосферы и океана на высокопроизводительных вычислительных системах / Вычислительные процессы и системы. Под ред. Г.И.Марчука. Вып. 7. М.: Наука, 1990. С. 279-348.
7. Толстых М.А., Ибраев Р.А., Володин Е.М., Ушаков К.В., Калмыков В.В., Шляева А.В., Мизяк В.Г., Хабеев Р.Н. Модели глобальной атмосферы и Мирового океана: алгоритмы и суперкомпьютерные технологии: Учеб. пособие. (Серия «Суперкомпьютерное образование») М.: Издательство Московского университета, 2013. 144 с.
8. Фадеев Р.Ю., Ушаков К.В., Толстых М.А., Ибраев Р.А., Калмыков В.В. Параллельная реализация совместной модели атмосферы и океана для бесшовного прогноза погоды и моделирования изменений климата // Суперкомпьютерные дни в России: Труды международной конференции, 26-27 сентября 2016 г., Москва. М.: Издательство МГУ имени М.В. Ломоносова, 2016. С. 398-406.
9. Сушкевич Т.А., Иолтуховский А.А. Численный метод решения уравнения переноса для системы атмосфера-океан // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 1986. № 9. 28 с.
10. Сушкевич Т.А. Моделирование излучения системы атмосфера-океан методом функций влияния // Оптика атмосферы и океана. 1992. Т. 5, № 8. С. 812-822.
11. Сушкевич Т.А., Куликов А.К., Максакова С.В., Стрелков С.А. Оптический передаточный оператор системы атмосфера-океан с горизонтально-неоднородной границей раздела // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 1994. № 77. 28 с.
12. Сушкевич Т.А., Куликов А.К., Максакова С.В., Стрелков С.А. К теории оптического передаточного оператора системы атмосфера-океан // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9, № 1. С. 30-44.
13. Сушкевич Т.А., Стрелков С.А., Куликов А.К., Максакова С.В. Модель переноса поляризованного излучения в плоском слое с границей раздела двух сред // Сиб. журн. вычисл. математики. 1998. Т 1, № 2. С. 183-194.
14. Сушкевич Т.А., Стрелков С.А., Куликов А.К., Максакова С.В. К теории векторного оптического передаточного оператора системы атмосфера-океан // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т 11, № 9. С. 987-998.
15. Сушкевич Т.А., Куликов А.К., Максакова С.В. О новом подходе к моделированию обмена коротковолновым излучением между атмосферой и океаном // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 1999. № 2. 20 с.
16. Сушкевич Т.А., Куликов А.К., Максакова С.В. Перенос солнечного излучения в системе атмосфера-океан с френелевской границей. Общая теория // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2000. Т. 36, № 1. С. 95-104.
17. Гутшабаш С.Д., Кочетков В.Н. Поле излучения в двуслойной среде атмосфера-океан с учетом взволнованной границы раздела. // Изв. АН СССР. Серия ФАО. 1975. Т.11. № 12. С. 1272-1283.
18. Пелевин В.Н. О спектральных характеристиках поля солнечного излучения в море и над его поверхностью. // Световые поля в океане. М.: ИОАН, 1979. С. 16-26.
19. Физические аспекты дистанционного зондирования системы океан-атмосфера / Институт океанологии им. П.П.Ширшова АН СССР. Под ред. М.С.Малкевича. М.: Наука, 1981. 215 с.
20. Дистанционное зондирование океана. Севастополь: МГИ АН УССР, 1982. 138 с.
21. Дистанционное зондирование моря с учетом атмосферы / Под ред. В.А.Урденко, Г.Циммермана. Т. 1. М.-Берлин-Севастополь: ИКИ АН ГДР, 1985.
22. Дистанционное зондирование моря с учетом атмосферы / Под ред. В.А.Урденко, Г.Циммермана. Т. 2. М.-Берлин-Севастополь: ИКИ АН ГДР, 1985.
23. Колесов А.К. Многократное рассеяние света в среде, состоящей из атмосферы и моря // Принцип инвариантности и его приложения. Ереван: АН Арм.ССР, 1989. С. 164-173.
24. Кротков Н.А. Метод расчета и исследование поляризационных характеристик излучения при пассивном дистанционном зондировании моря в видимом диапазоне спектра. Автореферат дисс. … канд. физ.-мат. наук. Долгопрудный: МФТИ, 1990.
25. Зеге Э.П. Перенос излучения в атмосфере и океане. Методы расчета и оптические модели // Рассеяние и поглощение света в природных и искусственных дисперсных средах. Минск: ИФ АН Беларуси, 1991. С. 226-258.
26. Суслин В.В. Учет атмосферных факторов при восстановлении спектрального коэффициента яркости открытого океана по дистанционным измерениям из космоса. Автореферат дисс. … канд. физ.-мат. наук. Севастополь, МГИ АН Украины, 1992. 20 с.
27. Паршиков С.В. Применение коротковолнового участка видимого спектра для дистанционного зондирования океана. Автореферат дисс. … канд. физ.-мат. наук. Севастополь, МГИ АН Украины, 1993; диссертация 164 с.
28. Ракимгулов К.Б. Статистическое моделирование поля оптического излучения в системе океан-атмосфера. Автореферат дисс. … канд. физ.-мат. наук. Новосибирск: ВЦ СО РАН, 1993; диссертация 99 с.
29. Нигматулин Р.И. 4 Э нашей жизни: экология, энергетика, экономика, этнос / Под. ред. Мартыновой Е.А. Москва: Издательство Литтерра, 2015. 107 с.
30. Нигматулин Р.И. О возможностях решения проблем климата, российской науки и российской экономики // Эксперт. 20.08.2018. № 34 (1085). https://expert.ru/expert/2018/34/okean---diktator-klimata/
31. Взаимодействие океана и атмосферы. Лабораторный практикум // Под ред. Б.А.Кагана, Н.П.Смирнова. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1989. 200 с.
32. Фомин Б.А., Колокутин Г.Э. Новая спектроскопическая база HITRAN-2016 в полинейных моделях, применяемых в дистанционном зондировании Земли методами инфракрасной спектрометрии // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 1. С. 17-24.

Ключевые слова: Всемирная Глобальная Научная Программа «Будущее Земли», космос, радиационные поля, атмосфера, океан, климат, мониторинг, ДЗЗ, гиперспектральный подход, компьютинг