От него мы впервые узнали об антропогенном потеплении
Юбилей Михаила Будыко, одного из первопроходцев в науке климатологии
Попросите кого-нибудь из тех, у кого насущные взрослые проблемы не вытеснили базовые знания, например старшеклассников или студентов, назвать выдающихся российских ученых. Наверняка они вспомнят математиков и физиков, возможно, химиков, историков, философов… Уверен, в их перечне не окажется климатологов.
Энергобалансовая модель, апологетом и разработчиком которой был Михаил Будыко (на фото),— основа современной теории климата
Фото: Рудольф Кучеров / РИА Новости
Энергобалансовая модель, апологетом и разработчиком которой был Михаил Будыко (на фото),— основа современной теории климата
Фото: Рудольф Кучеров / РИА Новости
Да, климатология относительно молодая наука (хотя и можно вести ее от «Метеорологии» Аристотеля), не успевшая в полной мере занять свою нишу в современной системе знаний; кроме того, она зиждется на фундаменте развивавшихся с глубокой древности «старших сестер», в первую очередь физики и математики.
Но беспрецедентно быстрое изменение климата и его последствия — подъем уровня мирового океана, деградация многолетней (специалисты больше не называют ее вечной) мерзлоты, учащение погодно-климатических аномалий — отражаются практически на всех сторонах человеческого бытия.
Сегодня на передний план климатологических исследований вышло математическое моделирование. Это стало возможным благодаря впечатляющему прогрессу в области вычислительной техники, а также налаживанию и регулярному совершенствованию всеохватного (в том числе спутникового) мониторинга. Над моделями работает все больше самых разных ученых: не только математики, физики, программисты, но и химики, гидрологи, гляциологи, биологи и многие другие. Исследования перестали быть уделом выдающихся ученых-одиночек. Но чтобы прийти к этому, необходимы были первопроходцы, обозначившие направления и методы исследований. Одним из главных первопроходцев был Михаил Будыко, по праву занимающий место среди самых авторитетных климатологов XX века.
Начало климатологии
Одну из возможных версий высказал Андрей Лапенис в статье «Выдающийся российский климатолог: памяти М. И. Будыко»: «Еще в 1868 г. выдающийся русско-немецкий климатолог Владимир Петрович Кёппен (1846–1940) отмечал важность приходящей радиации в формировании условий существования растений и их продуктивности. Вместе с тем Кёппен, как и многие его последователи, не смог установить определяющие параметры энергетического баланса и связать их с климатом».
Тепловой баланс Земли
Климатология вплоть до середины прошлого века оставалась наукой главным образом теоретической и описательной, не способной полноценно выполнять своё основное столь актуальное сегодня предназначение — быть прогностической дисциплиной.
Не хватало выделения ключевого природного механизма, главенствующего при формировании эволюции земной климатической системы. И вот по мере накопления эмпирических данных такой механизм — наличие или нарушение среднегодового баланса между приходящей к Земле коротковолновой (солнечной) и уходящей от нее длинноволновой радиацией — был открыт и научно обоснован. Едва ли можно абсолютно точно указать имя ученого, первым высказавшего эту идею, но Михаил Будыко стал ее апологетом. Его понимание определяющей роли энергетического баланса для климатообразования на Земле возникло не на пустом месте — этому предшествовали результаты многолетних исследований.
Михаил Будыко пришел работать в Главную геофизическую обсерваторию им. А. И. Воейкова (ГГО) по распределению по окончании Ленинградского политехнического института. Первые его исследования были посвящены оценке влияния турбулентности пограничного слоя атмосферы на испарение с «подстилающей поверхности». Анализ результатов позволил молодому ученому создать математическую модель турбулентности приземного слоя атмосферы.
Пограничный слой атмосферы — прилегающий к земной поверхности слой атмосферы до высоты в среднем около 1000 м, свойства которого в основном определяются динамическими и тепловыми воздействиями земной поверхности.
Далее его внимание оказалось сосредоточено на структуре подстилающей поверхности, поскольку ее изменения (смена растительности и влажности почв, облачность и пр.) влияют на тепловой баланс, температуру поверхности и атмосферы в целом, а значит и на климат. В середине 1950-х в результате детальных исследований энергетического баланса поверхности вместе со своим учителем, географом и климатологом А. А. Григорьевым Михаил Иванович сформулировал «периодический закон географической зональности» (в разных географических поясах, обладающих различными тепловыми ресурсами, но в близких по увлажнению условиях формируются типы ландшафтов, аналогичные соответствующим географическим зонам), а также произвел расчет теплового баланса Земли с учетом падающего потока солнечной энергии. Логическим продолжением работ стало составление двух атласов теплового баланса Земли, изданных в 1955 и 1963 годах. Эта работа, выполненная под руководством Будыко (с 1954 года — директора ГГО) коллективом ученых ГГО, была удостоена Ленинской премии.
Модель Будыко
Сам Михаил Иванович писал: «Каждая научная статья или книга становилась маленьким шагом, после которого следующий шаг был неизбежен». Таким следующим шагом стала энергобалансовая модель климата, описание которой было опубликовано сперва в журнале «Метеорология и гидрология», а годом позже, в 1969-м, в англоязычном журнале Tellus, издаваемом от имени Международного метеорологического института в Стокгольме, Швеция.
Время не пришло
Справедливости ради надо отметить, что в XX веке острой потребности в прогнозах именно климата (а не погоды) не было, поскольку климат считался в общем-то неизменным.
Модель представляла собой уравнение бюджета энергии климатической системы с учетом обратной связи термического режима и альбедо поверхности (в том числе ледяного покрова в Арктике) и позволяла вычислять (и прогнозировать!) единственную неизвестную переменную — температуру.
В августе 1971 года в Ленинграде состоялось знаковое событие, по сей день определяющее главное направление развития климатологии,— Международный симпозиум по физической и динамической климатологии. На нем разгорелась бурная дискуссия о человеческом влиянии (или его отсутствии) на формирование климата. Многие уверяли, что Земле угрожает похолодание из-за аэрозольного загрязнения атмосферы. И только двое, Михаил Будыко и Хельмут Ландсберг, настаивали на противоположном — грядет антропогенное глобальное потепление.
Индекс Будыко
Эта теоретическая работа имела и ряд практических выходов. В частности, введенный Будыко индекс устойчивости пограничного слоя, рассчитываемый по разности измеряемых на двух уровнях значений температуры и скорости ветра, по сей день используется в современных автоматизированных системах метеонаблюдений.
Двумя основными факторами, влияющими на климат, являются рост производства энергии и, вследствие этого, увеличение концентрации углекислого газа СО2 в атмосфере, считал Будыко. Первый из них — непременное условие поступательного развития человеческой цивилизации, а второй (из-за поглощения атмосферным углекислым газом длинноволновой радиации) должен усилить парниковый эффект и способствовать повышению температуры на Земле.
Обладание моделью — одним из первых инструментов для научно обоснованных прогнозов открыло новые и наиболее востребованные обществом (от ученых до политиков, от производственников до обычных людей) возможности для оценки вероятных изменений климата. Будыко по своей модели предсказал повышение средней глобальной температуры на 1°C и исчезновение около 50% многолетних льдов в Арктике к 2019 году в сравнении с 1970-м. Средняя глобальная температура за этот период увеличилась на 0,98°C, а площадь многолетних арктических льдов в сентябре (годовой минимум) 2019 года была примерно на 46% меньше, чем в 1970 году. Другим примером успешного прогноза Михаила Будыко служит указание на опережающий рост температуры над российской территорией и особенно над арктическим регионом — по современным оценкам, они превышают среднеглобальный уровень в 2,7 и 4 раза соответственно.
Озоновый кризис
Химия атмосферы как отдельная наука в те годы только зарождалась. Однако ее тогда очень скромные достижения вскоре пригодились: с открытием антарктической озоновой дыры грянул «озоновый кризис». В последующем в сферу внимания химии атмосферы попали и основные виновники антропогенного глобального потепления — парниковые газы.
Читатель вправе удивиться, почему очень простая по нынешним понятиям модель оказалась способна столь успешно воспроизвести изменения в громадной, зависящей от несчетного числа процессов климатической системе. Конечно, сказалась огромная инерционность самой системы, не позволяющая резко и быстро (в течение нескольких лет или даже десятилетий) откликаться на внешние возмущения. Но одновременно это означает, что поставленный в модели во главу угла энергетический баланс — действительно тот самый основополагающий фактор, который почти полностью определяет реакцию климатической системы на ее антропогенное возмущение.
Потепление и холодная война
И в России, и в контактах с зарубежными коллегами Михаил Будыко убеждал в неизбежности антропогенного глобального потепления
Фото: Авазов А. / Фотохроника ТАСС
И в России, и в контактах с зарубежными коллегами Михаил Будыко убеждал в неизбежности антропогенного глобального потепления
Фото: Авазов А. / Фотохроника ТАСС
Сделанные полвека назад на очень скудном фактическом материале (разворачивание спутниковых систем слежения и сбора данных только зарождалось) прогнозы не могли претендовать на высокую точность. Михаил Иванович, конечно, осознавал это и в поисках более длинных рядов метеорологических параметров обратился к данным палеоклиматических реконструкций. Его анализ, охватывавший данные за несколько последних сотен миллионов лет, подтвердил наличие тесной связи между синхронными изменениями атмосферной концентрации СО2 и глобальной и региональной температуры поверхности. Этот вывод лег в основу достаточно популярного в 1990-е годы «метода палеоаналогов», позволявшего без больших вычислительных затрат давать прогнозы климата.
И еще тенденция
Данные палеоклиматических реконструкций высветили еще одну важную тенденцию — сохранявшееся несколько лет после мощных вулканических извержений снижение температуры поверхности. Его причиной служили выбросы в атмосферу двуокиси серы с последующим образованием из нее аэрозольных частиц, отражавших в космос солнечную коротковолновую радиацию. Таким образом, пока этот аэрозоль оставался в атмосфере, работал аэрозольный экран, создавая «антипарниковый эффект». Этот эффект, впервые описанный Михаилом Ивановичем в его монографии «Изменения климата» (Л., Гидрометеоиздат, 1974, 280 c.), позже изучался на предмет использования в геоинженерии как способа борьбы с глобальным потеплением, однако в ходе обсуждения нашел немало возражений специалистов, в частности, опасавшихся плохо изученных побочных явлений.
Вклад Михаила Будыко в современную климатологию не ограничивается вышеупомянутыми новаторскими трудами, задавшими вектор ее развития на многие десятилетия вперед. Творческая энергия и высокий авторитет Михаила Ивановича способствовали созданию вокруг него креативной научно-исследовательской среды. За 20 лет его директорства в ГГО штат обсерватории увеличился в три раза, это увеличение происходило не только с целью усиления традиционных «зон ответственности» института, но и на перспективу. По инициативе Будыко в 1970-е в ГГО была образована лаборатория, специализировавшаяся на моделировании атмосферных химических процессов.
Закладывалась база для комплексных исследований состояния и динамики современного климата с учетом всего многообразия происходящих в земной системе процессов. Но, и это знакомо каждому руководителю большого научного коллектива, администрирование не бывает «бесплатным»: оставалось очень мало времени на самостоятельную научную работу. Ситуация несколько изменилась лишь после ухода с директорской должности в Государственный гидрологический институт, где Будыко возглавил отдел, в круг интересов которого входили различные аспекты изменений климата — от сбора и анализа данных до изучения влияния изменений климата на продуктивность естественных и сельскохозяйственных экосистем, изучения глобального цикла углерода и пр.
Современной науке противопоказана обособленность. Сегодня развитие климатологии в значительной степени строится на международной научной кооперации в рамках многочисленных глобальных и региональных программ, растет число представительных научных форумов, способствующих широкому обмену мнениями и информацией.
Полвека назад возможности международного сотрудничества были много скромнее: сказывались отсутствие ныне обыденных быстрых электронных средств коммуникации, недостаточность финансирования, политические моменты. Тогда создание в рамках Соглашения о сотрудничестве в области охраны окружающей среды между СССР и США от 1972 года так называемой Рабочей группы №8 (РГ-8), ориентированной на обсуждение специалистами двух стран связанных с изменениями климата проблем, выглядело подобно оазису в пустыне. Благодаря РГ-8 даже в разгар холодной войны советские и американские специалисты смогли установить личные контакты и найти общие научные интересы. Группа просуществовала вплоть до 1992 года, и все это время бессменным сопредседателем с советской стороны был Михаил Будыко.
Разносторонняя плодотворная научная деятельность Михаила Ивановича Будыко была отмечена многими государственными, ведомственными и международными наградами. Особое место среди них занимает полученная им в 1998 году премия «Голубая планета» Фонда Асахи. Эта премия ежегодно присуждается «за выдающиеся усилия в области научных исследований или применения научных достижений, которые способствуют решению глобальных экологических проблем» и является своего рода аналогом Нобелевской премии в области экологии. На сегодняшний день М. И. Будыко — единственный среди наших соотечественников лауреат этой престижнейшей премии.
Американское имя
В том же 1969 году схожую модель создал и опубликовал Уильям Селлерс из университета Аризоны (США). Поэтому в последующие годы при упоминании об энергобалансовых моделях климата стало принято ссылаться на них как на модели Будыко — Селлерса.
Друг Ахматовой
И еще один штрих к портрету. Вопреки широко распространенному клише, что мир делится на технарей и гуманитариев, «физиков и лириков», Михаила Ивановича нельзя отнести лишь к одной из этих категорий. Конечно, когда на одну чашу весов лягут 24 монографии и более 200 научных статей, а на другой окажутся эссе и воспоминания об Анне Ахматовой, с которой он дружил, а также две научно-популярные книги по всемирной истории и истории литературы, что перевесит — очевидно. Однако едва ли вызывает сомнения, что перед разносторонне развитой личностью открываются большие возможности для творчества, и кто знает, не будь в жизни Михаила Будыко «лирической» составляющей, не было бы и того прорыва, который стал предметом гордости всей отечественной науки.