«Будущее Земли»: гипотеза Р.И. Нигматулина «океан – диктатор климата»

В теоретических и прикладных исследованиях в науках о Земле внедрился термин «Глобальная система», введенный математиком академиком Н.Н.Моисеевым в 1993 году [1]: необходимы анализ и синтез знаний о развитии планетарной цивилизации. Подобные цели и задачи поставлены во Всемирной Глобальной Научной Программе «Будущее Земли» [2], которая действует с 2015 года. В настоящей работе исследуется проблема адекватной оценки роли моделируемых подсистем в долгосрочной эволюции всей «Глобальной системы» и климата планеты [3], в частности связанных с мировым океаном и радиационным полем Земли [4].
Общую физическую картину климата системы «океан-суша-атмосфера» представил А.С. Монин в обзоре [5]. Р.И. Нигматулин назвал свою экспертную статью «Океан – диктатор климата» [6]. Авторы исследуют гипотезу Р.И. Нигматулина. В международных исследованиях много работ, посвященных состоянию самого океана, изменениям его уровня и береговой линии и прогнозам потенциального затопления отдельных регионов планеты. Однако недостаточно внимания уделяется изучению роли круговорота воды в природе и тем более влиянию на этот круговорот мирового океана с учетом радиационного фактора – роли солнечного и собственного излучения атмосферы и океана, т.е. радиационного поля Земли.
Вода испаряется с поверхности суши и водоёмов (рек, озёр, водохранилищ и т. д.), однако бо́льшая часть воды испаряется с поверхности Мирового океана. Около 84 % общего испарения происходит с поверхности океанов, а над океанами выпадает около 74 % общего количества осадков, т.е. океан испаряет больше влаги в атмосферу, чем приобретает от осадков, а суша наоборот – получает с осадками больше, чем с неё испаряется. Водяной пар перемещается с воздушными массами: процесс адвекции (горизонтальный перенос), в том числе с океана на сушу, способствует увеличению осадков над сушей, а в процессе конвекции – вертикальный перенос, приводящий к образованию облаков над океаном.
В последние годы всё чаще в разных регионах планеты наблюдаются природные стихийные процессы с ростом содержания влажности в атмосфере и облаках и последующими наводнениями и ливневыми дождями. Защитники климата настолько увлеклись «углекислым газом», что не заметили, как существенно сократились исследования круговорота Н2О. В условиях узкой специализации и снижения общетеоретического уровня современных исследователей климата причина понятна. С позиции молекулярной спектроскопии, теории взаимодействия излучения с веществом и теории переноса излучения в природных средах оценка влияния СО2 на изменение климата моделируется гораздо проще, нежели оценка зависимости от Н2О. Спектры поглощения молекулами СО2 хорошо изучены и теоретически и экспериментально, при этом полосы поглощения СО2 локализованы преимущественно в длинноволновом диапазоне [7]. Рассеяние солнечного излучения на молекулах СО2 описывается релеевской индикатрисой рассеяния.
В земных условиях Н2О существует в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном (водяной пар). До настоящего времени сложнейшей задачей является моделирование переноса излучения в системе «атмосфера-океан» во всем диапазоне коротковолнового и длинноволнового излучения с учетом наиболее значимых радиационных факторов и прежде всего облачности и Н2О в атмосфере [8, 9].
Гиперспектральное дистанционное зондирование Земли – важнейшая технология мониторинга и оценки радиационного воздействия на планету Земля. В последние годы пристальное внимание исследователей направлено на совершенствование и развитие методов и средств более досконального и достоверного учета поглощения основными и малыми газами в атмосфере и оценки влияния поглощающего фактора на радиационный форсинг.
Анализом, эталонными расчетами и приложениями базы HITRAN-2016 [10] (США) к расчетам занимаются и члены нашего коллектива [11]. По данным 2016 года уже известны около 2 млн линий поглощения и это без учета континуального поглощения воды в разных фазах (водяной пар, капли, ледяные кристаллы) и аэрозолей разного происхождения. Для расчета коэффициентов поглощения необходимы профили метеорологических данных (температуры, давления) и концентраций компонент. И, естественно, важны время суток, сезоны, регионы и т.д. И, конечно, нужно учитывать многообразие подстилающих поверхностей и влияние океанов и облаков. Как следствие, для расчетов нужна библиотека математических моделей и методов в зависимости от «оптической погоды».
Для проверки реалистичной гипотезы Р.И. Нигматулина с целью объяснения механизмов сложнейшего взаимодействия атмосферы с облаками и океана и их влияния на климат важно уметь моделировать образование облаков и разделять вклады атмосферы и океана в суммарное поле излучения Земли, регистрируемое из космоса.

Исследование выполняется в рамках темы № 0017-2019-0002 госзадания при частичной финансовой поддержке РФФИ (проекты № 17-01-00220, № 18-01-00609).