Эффективные рецепты борьбы с потеплением
Объявленные 5 октября нобелевские лауреаты по физике занимались на первый взгляд мало связанными друг с другом вещами. Американский ученый японского происхождения Сюкуро Манабе и немец Клаус Хассельман изучали климат Земли и влияние на него человека. Итальянец Джорджо Паризи, по мнению Нобелевского комитета, внес «революционный вклад в теорию неупорядоченных материй и случайных процессов». Но все же в обоих случаях ученые имели дело со сложнейшими системами.
Манабе и Хассельман создали климатические модели, которые используются сейчас учеными, и сделали «надежный прогноз глобального потепления». Как нельзя более вовремя: меньше чем через месяц в Глазго начнется 26-я сессия Конференции сторон Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Она должна была состояться год назад, но была отложена из-за пандемии.
Нобелевский комитет уже отмечал заслуги в борьбе с глобальным потеплением. В 2007 г. премию мира за усилия по предотвращению изменения климата получили бывший вице-президент США Альберт Гор и Межправительственная группа экспертов ООН по изменению климата (МГЭИК). Прогнозы экспертов опирались в том числе на труды Манабе и Хассельмана.
Сложнейшие фундаментальные исследования Паризи в области теоретической физики неожиданно могут оказаться полезными для противодействия COVID-19, а именно для прогноза распространения коронавирусной инфекции в мире. Этим мнением поделился с ТАСС профессор МГУ Евгений Перепелкин: «К примеру, волны коронавирусной инфекции, которыми сейчас охвачен весь мир: кажется, что вроде бы победили, а новая волна опять появляется. Это очень сложная система, которую трудно прогнозировать, и работа Паризи может быть использована для анализа ее поведения».
Сторонник упрощения
Манабе в сентябре исполнилось 90 лет, но он по-прежнему преподает в Принстонском университете – уже более полувека, если не считать небольших перерывов. Манабе родился в 1931 г. на юге Японии. «Я парень из сельской местности», – рассказывал он (здесь и далее цитаты по интервью сайту Американского института физики (AIP). Он был младшим сыном деревенского врача, его дед был врачом в деревне, его старший брат поступил в медицинский институт. Манабе тоже собирался стать доктором, хотя не особо любил медицину и чем старше становился, тем больше интересовался математикой и физикой. Манабе рос в военные годы и помнит, как готовился к школьным экзаменам, прерываясь на сидение в бомбоубежище, когда объявляли воздушную тревогу. Но их так ни разу и не бомбили.
В 1949 г. Манабе поступил в Токийский университет. За два года обучения интерес к медицине и биологии у него так и не проснулся, и он решил перевестись на физфак. Для теоретической физики он не очень хорошо разбирался в математике. Для экспериментальной у него не слишком хорошо получалось делать что-то руками. Оставался только один вариант – геофизика. Так Манабе выучился на метеоролога. Но работы для себя в Японии не нашел – пришлось бы получать гроши. Дело в том, что метеорологи были среди специалистов, в которых нуждались военные, их подготовили в большом количестве и после окончания войны их оказалось слишком много. Поэтому Манабе продолжил заниматься научной работой в университете. Одна из его научных статей попалась на глаза Иосифу Смагоринскому, известному американскому метеорологу, сотруднику Принстона, который работал в Бюро погоды США, а позже возглавил Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA). Манабе, как и сотрудники Смагоринского, занимался численным прогнозом погоды (для него используются математические модели атмосферы и океанов). Но если американцы проводили подсчеты на компьютере, то в деревянном здании японского университета Манабе с коллегами считали все вручную, тратя по 18 часов в день.
В 1958 г. Смагоринский пригласил Манабе и еще одного приглянувшегося ему сотрудника переехать на работу в США. Манабе было поручено разрабатывать важный для американца проект – климатическую модель Земли. «Я никогда не думал, что глобальное потепление станет такой большой проблемой», – вспоминал Манабе в интервью газете «Майнити симбун». Но тема была сложной и увлекательной, и еще ему повезло с боссом: Смагоринский умел выбивать финансирование, не жалел денег, давал много свободы и, будучи ученым, понимал тонкости научной работы. Он легко мог отказаться от коммерческого заказа на какие-либо исследования, результат которых требовался через два-три года, заявив, что за такой короткий срок невозможно получить качественный результат.
Поначалу климатическая модель была очень примитивной: всего два значения температуры, ветер всегда дует в одну сторону. Компьютерам того времени просто не хватало мощности для масштабных подсчетов. Но со временем в распоряжении Манабе появлялись все более мощные компьютеры, а модель становилась все сложнее. Помог ему СССР. В 1957 г. был запущен первый спутник, затем Советский Союз послал в космос первого человека. Чтобы вырваться на первое место в космической гонке, американское правительство стало буквально заливать деньгами все, что связано с космосом. Вот так в распоряжение Манабе попал суперкомпьютер Stretch – новаторская машина IBM, впервые построенная на транзисторах. Он создавался для программы по разработке ядерного оружия, но шестая (или около того – Манабе не помнил точно) построенная машина отправилась в Национальное управление океанических и атмосферных исследований.
Но и суперкомпьютеру требовалось много времени для проведения расчетов, что удручало Манабе. Например, водоудерживающая способность почвы была разной для пустыни и поля. Более того, она была разной даже для разных участков поля и пустыни. Таких переменных помимо водоудерживающей способности было еще бесчисленное множество. В отчаянии Манабе принялся упрощать все, что только можно. В его модели, например, во всем мире почва удерживала воду с одинаковой эффективностью.
Смагоринский все больше занимался организационной, нежели научной, работой и часто разъезжал по командировкам. И, как позже Манабе признавался AIP, пользуясь этим, он тайно изымал из модели даже те параметры, на включении которых настаивал его шеф. Он до сих пор большой сторонник упрощения даже при современных возможностях компьютеров. Во-первых, невозможно включить в параметры все, что видишь за окном. И даже если попытаться это сделать, нет гарантии, что введенные параметры реалистичны: «Вы никогда не сможете соревноваться с природой в сложности» (цитаты по интернет-изданию CarbonBrief). Во-вторых, по мере усложнения моделей появляется разделение труда между учеными. Каждый из работающих над моделью является экспертом в одном ее компоненте, но плохо представляет другие. В итоге никто не понимает общей картины, что же происходит внутри: «А если так, то результаты работы не лучше, чем прогноз гадалки».
Как нельзя бороться с потеплением
Упрощая и отбрасывая разные факторы, Манабе наткнулся на один из главных среди определяющих термическую структуру атмосферы. На Земле она состоит в основном из азота и кислорода в соотношении 8:2. Около 1% приходится на аргон и сотые и тысячные доли процента на ряд других веществ. Из-за парниковых газов – углекислого газа, метана и озона – атмосфера разогревается: поверхность Земли нагревается Солнцем, испускает инфракрасные волны, которые легко проходят через смесь азота и кислорода, но поглощаются парниковыми газами. А они, в свою очередь, нагревают остальные газы в атмосфере. «Но если бы атмосфера состояла только из кислорода и азота, температура [воздуха] у поверхности земли была бы примерно около минус 18 градусов Цельсия, – рассказывал Манабе на сайте AIP. – По факту же средняя температура составляет около плюс 12. <...> Разница в 30 градусов. И все благодаря парниковому эффекту!» Так что парниковый газ является вторым по важности фактором для климата после Солнца, сделал вывод Манабе. Без парниковых газов мы бы не выжили на Земле. Но и погибнуть из-за их чрезмерного накопления человечество тоже может, предупреждает Манабе. Еще в 1989 г., когда исследования изменения климата начали привлекать внимание, Манабе сказал в интервью газете «Асахи симбун»: «Будет слишком поздно [сдерживать глобальное потепление], если мы продолжим ждать, пока ученые представят 100%-ные доказательства этого».
Но Манаби не верит в нынешнюю борьбу с потеплением: «Я считаю, что добиться сокращения выбросов углерода так, как требуют сценарии Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC), практически невозможно. Я думаю, пока что <...> мы будем использовать природный газ, полученный путем гидроразрыва пласта. Это позволит выиграть время. Пользуясь им, мы должны сделать основной упор на экологически чистые технологии и заняться оптимизацией, чтобы использовать меньше ископаемого топлива, – говорил он в интервью интернет-изданию CarbonBrief. – Со временем [экологичные технологии] возьмут верх. Это более естественный подход, чем попытка навязать торговлю углеродными квотами и т. д. Мне просто в голову не приходит, как сейчас можно избавиться от использования углеводородного топлива».
Как живут волны океана
Хассельман сторонник более жестких мер, чем Манабе. Он считает, что лишь с помощью драконовских мер по сокращению выбросов парниковых газов можно избежать глобального потепления. До 1999 г. Хассельман возглавлял Институт метеорологии Макса Планка и был научным директором Центра климатических вычислений. Потом вышел на пенсию. 25 октября этого года ему исполнится 90 лет, но он еще полон сил и выступает как один из ведущих экспертов по климату. Правда, теперь его больше интересует квантовая физика, которой он увлекся в 1960-х гг., но никогда не занимался ею вплотную. На пенсии у него появилось время. «Я убежден, что квантовая теория поля в том виде, в котором она существует сейчас, рухнет. Никто не отрицает, что у нее есть серьезные проблемы».
Хассельман не впервые меняет сферу научных интересов. Когда-то он думал заняться проблемой турбулентности, но переключился на исследование волн в океане, а это привело его к климатическим моделям.
Хассельман родился в 1931 г. в Гамбурге. Когда ему было три года, семья эмигрировала в Англию. Его отец, социал-демократ, рассудил, что лучше на время уехать с родины. Вернулись они только в 1949 г.
В 13 лет Хассельман купил у приятеля за два шиллинга и шесть пенсов (примерно по цене билета в кино) кристаллический детектор. Его впечатлило, что с его помощью, не подключаясь к розетке, можно слушать музыку по радио через наушники. Чтобы лучше понять, как получить звук, казалось бы, из ниоткуда, он пошел в городскую библиотеку, где зачитался книгами о радио, электричестве, а потом и о других физических явлениях. «Никакой связи между уроками физики в школе и моим личным обучением по книгам в библиотеке я не видел», – признавался он (здесь и далее цитаты по интервью на сайте AIP). Родителям, правда, не всегда нравилось увлечение сына. Проводя опыты, делая своими руками электродвигатели и т. д., Хассельман устроил дома не одно короткое замыкание.
После возвращения в Германию Хассельман в 1955 г. окончил Университет Гамбурга и затем получил докторскую степень по совместной программе Геттингенского университета и Института гидроаэродинамики Макса Планка. Ее темой была однородная изотропная турбулентность, а защитился он на двойку. В Германии эта оценка соответствует нашему «хорошо». Единицу, т. е. «отлично», Хассельман не получил из-за того, что использовал другие решения, нежели предложил его научный руководитель: «Я довольно быстро, всего через несколько месяцев, обнаружил, что его способ не работает. Выбрал другой путь, получил результат – но научный руководитель был не в восторге». После этого Хассельман вернулся в Университет Гамбурга ассистентом профессора геофизики.
Хассельман из чистого любопытства заинтересовался динамикой океанских волн: его всегда привлекали корабли. Он предложил использовать уравнения баланса спектральной энергии для предсказания спектров океанских волн. Эта идея раньше приходила в голову и другим ученым, но Хассельман уверял, что не слышал об их разработках. Не слышали о них и в Институте кораблестроения Университета Гамбурга, который в итоге стал сотрудничать с молодым ученым. Когда в 1961 г. одного из их профессоров пригласили на конференцию по океанским волнам в США, а он не смог поехать, вместо него послали Хассельмана. К его удивлению, исследования океанских волн были в то время одной из популярных тем в научной Америке. Хассельман немедленно получил приглашение работать сразу в нескольких университетах Нового Света и в том же 1961 году принял предложение Института океанографии Скриппса.
Работа не лишена была приятных моментов. Например, три летних месяца он с семьей провел на Гавайях за казенный счет, участвуя в эксперименте по мониторингу волн. Чудесное времяпрепровождение порой прерывалось из-за выхода из строя электрогенераторов на острове. У станции их было пять, но все времен Второй мировой, так что четыре постоянно находились в ремонте. Хассельман стал настоящим экспертом в том, где на Гавайях найти запчасти для генераторов.
Профессор, придумавший эксперимент, был несколько разочарован результатами работы Хассельмана. Он рассчитывал доказать, что при пересечении районов пассатов волны ослабляются. Однако значительных потерь энергии у волны, прошедшей путь от Антарктиды до Аляски, не обнаружилось.
От волны к климату
Хассельман так бы и остался работать в Америке, но через три с небольшим года жена и дети убедили его вернуться на родину, в Германию.
Он затеял масштабный проект по измерению роста волн в условиях ветра с берега. В нем помимо германского Института кораблестроения участвовали институты из США, Великобритании и Голландии. Поначалу Хассельман, будучи теоретиком, думал измерять при восточном ветре волны у западного побережья Германии, а когда ветер поменяет направление – у восточного побережья Англии. На что коллега, имеющий опыт полевой работы, резонно заметил: при изменении ветра исследовательские корабли не успеют перебазироваться к другому берегу. Поэтому эксперимент решили провести в Северном море у острова Зильт. В спорах о месте ученые как-то забыли обсудить, кто же будет координировать исследования. Вскоре Хассельман, к своему ужасу, выяснил, что по умолчанию коллеги стали считать главным его. У него не было никакого организаторского опыта. Но деваться было некуда. И все пошло не так, как надо.
Эксперимент у Зильта должен был занять все лето 1968 г. За несколько месяцев до его начала Хассельману позвонили из минобороны Германии и рекомендовали его отменить: НАТО планировало провести крупномасштабное испытание ракет класса «воздух – воздух» в Северном море. Оборудование ученых мешало военным испытывать радиолокационные методы слежения за ракетами. Хассельман сказал, что отмена невозможна: на подготовку эксперимента потрачено более 2 млн немецких марок. Ему возразили, что на учения уже потрачено более 50 млн марок. В итоге договорились о компромиссе. В 1968 г. проводится пробный эксперимент, не пересекающийся по времени с учениями. А в следующем году еще один, более полный, в финансировании которого участвует минобороны. Как оказалось позже, это спасло Хассельмана. Потому что организатором он оказался отвратительным. Суда уходили не туда и не тогда, когда надо, оборудование не прибывало в срок, да еще начались проблемы со связью – отчасти из-за того, что Хассельман не вник заранее в нюансы ее организации. А отчасти потому, что военные из СССР глушили их передатчики, думая, что работа ученых лишь прикрытие, а на самом деле уже идут учения НАТО.
«В мире бизнеса меня бы уволили. Но научное сообщество чрезвычайно терпимое и понимающее», – говорил Хассельман AIP. Он учел опыт, подготовился лучше, и в следующем году эксперимент был успешно завершен. Анализ полученных данных заложил основу для современных волновых моделей, разработанных при участии Хассельмана, которые используются по всему миру – в том числе для прогнозирования погоды. Кстати, через год он прочитал доклад об эксперименте на научной конференции в Москве.
Тем временем в Институте кораблестроения Университета Гамбурга терпение кончалось. Эксперименты Хассельмана отвлекали множество ресурсов. Как-то его руководитель подошел и тихо сказал: «Герр Хассельман, вам не кажется, что вам следует найти где-нибудь другую должность? Потому что на самом деле измерение волн в Северном море не является основной задачей Института кораблестроения».
Хассельман поинтересовался у президента Немецкого гидрографического института, нет ли работы. Тот обещал посодействовать и позвонил в федеральное министерство науки и технологий. Так в 1972 г. Хассельман внезапно получил в свое распоряжение собственную кафедру в Институте геофизики Гамбургского университета, финансирование от министерства науки и технологий, секретаря и, по его словам, «небольшую квартиру примерно из шести комнат» рядом с университетом. На этой должности он проработал три года, пока у него с коллегами не появилась идея основать собственный Институт метеорологии на средства Общества по содействию науке имени Макса Планка, который в том числе занимался бы климатическими исследованиями.
Хассельман серьезно занялся проблемами изменения климата еще в 1971 г. Тогда некоммерческая ассоциация GARP искала океанографов для своей глобальной программы «Устойчивость и климатические риски» (SCR) и предложила ему войти в оргкомитет. Затем ученый участвовал во многих знаменательных научных дискуссиях по климату, в том числе в первой Конференция ООН по проблемам окружающей среды в 1972 г. в Стокгольме.
Увлекшись, Хассельман разработал собственную модель изменения климата. С помощью его методов удалось доказать, что увеличение температуры на поверхности Земли действительно связано с попаданием все большего количества углекислого газа в атмосферу. Неудивительно, что Хассельман стал не только сооснователем, но и руководителем открытого в 1975 г. Института метеорологии Макса Планка.
Когда в 1980-х и 1990-х гг. широкую общественность начало интересовать глобальное потепление, Хассельман стал завсегдатаем телевидения и радио, а также ездил с по миру с открытыми лекциями о климате. Его институт даже написал компьютерную игру на основе климато-экономической модели: управляя промышленностью, игрок мог спасти или погубить Землю. Как пишет журнал Nature, заслуга Манабе в том, что он показал, как и почему увеличение выбросов углекислого газа приводит к глобальному потеплению. А Хассельман доказал, что это сейчас и происходит. Нобелевский комитет в своем заявлении о награждении приводит еще одну заслугу Хассельмана: «Он создал модель, которая связывает погоду и климат. Тем самым он показал, как климатические модели могут быть надежными, несмотря на то что погода изменчива и хаотична».
Исследователь хаоса
Джорджо Паризи получил свою премию на 74-м году жизни «за открытие того, как беспорядок и флуктуации взаимодействуют в физических системах на масштабах от атомов до планет».
Если бы Паризи пошел по стопам отца и деда, то стал бы инженером-строителем. Но вместо бетона его увлекали физические и математические загадки.
В интервью Лауре Бонолис, опубликованном на его личном сайте, ученый рассказывает, что цифры он начал читать раньше, чем слова, а к четырем-пяти годам научился «Игре в 15» – головоломке, в которой нужно упорядочить квадратики с цифрами, перемещая их в коробке с пустым местом для одного квадратика. Это было первым упражнением, когда он познавал хаос. Еще он не уставал часами складывать Lego, а став старше, увлекся химией и много играл в шахматы. Из книг ему нравилась научная фантастика. К 13 годам он самостоятельно освоил интегральное исчисление. Так что шансов склонить сына к карьере инженера у Паризи-старшего не было. Единственное, в чем Джорджо сомневался, – что выбрать: физику или математику. И склонился к математике, которая представлялась ему более сложной и неизведанной. Но тут недалеко было и до теоретической физики, которой он всю жизнь и занимается. «Большая часть моей карьеры колебалась между статистической механикой и физикой высоких энергий», – говорит Паризи.
Паризи окончил римский университет Сапиенца и после нескольких десятков лет работы в лабораториях и других университетах в 1992 г. вернулся преподавать в него квантовую теорию – чем и занимается до сих пор. Его интересы выходят за рамки одной науки. Паризи интересуют физические закономерности в сложных системах.
Одна из самых известных работ Паризи связана со спиновыми стеклами – в твердом немагнитном материале в беспорядке разбросаны магнитные атомы. Паризи узнал о спиновых стеклах в 1973 г. Это была находка для исследователя, изучающего неупорядоченные системы. Атомы расположены хаотично, но это застывший хаос. При этом они взаимодействуют друг с другом, меняя ориентацию магнитного поля.
Неупорядоченные системы возникают не только в магнитных сплавах, и уроки, вынесенные из изучения спиновых стекол, распространились на другие области, объясняла в статье в журнале Академии наук США PNAS Реджина Нуццо, – области компьютерных наук, машинного обучения, нейробиологии и проч.
Какими бы сложными и абстрактными ни казались темы, которыми занимается Паризи, его труды не запылятся на полке в ожидании практического применения. «Это очень близко к жизни людей, это не только рафинированная наука», – сказал в программе телеканала «Наука» профессор РАН Эдуард Девятов. Он привел пример: «Понимание неупорядоченной системы очень пригодилось, когда эти методы перенесли, например, в физику твердого тела, где тоже есть беспорядок, взаимодействие с примесями. Все это, в конце концов, активно использовалось для того же самого транзистора. То есть для понимания работы основного элемента современных вычислительных систем и для проектирования, например, задачи спинтроники применяются те же самые методы».
Кстати, объекты для исследования Паризи имеются и в живой природе. Некоторое время он искал закономерности, по которым движутся скворцы в стае – тоже неупорядоченной системе.
Ссылка; https://www.vedomosti.ru/society/articles/2021/10/06/890077-pochemu-nobelevskii
