Сможет ли искусственный интеллект, которому все чаще доверяют решение самых сложных проблем, помочь нам понять и остановить изменение климата?

Ваш телефон умеет распознавать ваше лицо, а ваш банк может отклонить любую транзакцию, хотя и не может научить разумно тратить деньги. Онлайн-супермаркет настойчиво предлагает продукты для веганов лишь потому, что однажды вы купили там овсяное молоко, а стоило вам в прошлом месяце посмотреть всего один сериал, как онлайн-кинотеатр начал забрасывать вас рекламой фильмов категории «Б».

Все большее число гаджетов и сервисов использует технологии искусственного интеллекта (ИИ), который постепенно проникает во все сферы нашей жизни. Ученые, предприниматели и госсектор доверяют ИИ решение самых актуальных проблем современного общества. Одной из них является понимание характера климатических процессов и возможных сценариев их развития. Уже сегодня технологии помогают нам систематизировать большой объем данных. На этом фоне возникает вопрос: а можно ли использовать их и для того, чтобы смягчить последствия изменения климата и адаптироваться к новой реальности?

«Говоря об ИИ, мы часто имеем в виду машинное обучение (МО), которое представляет собой набор алгоритмов, способных «обучаться» на основе данных, ― говорит д-р Дэвид Ролник, доцент Пенсильванского университета. ― В принципе, ИИ не будет работать лучше людей, но он будет намного быстрее, будет способен выявлять закономерности, анализируя огромные объемы данных». Именно эта способность мгновенно обрабатывать большие массивы данных, систематизировать информацию и находить взаимосвязи сделала ИИ инструментом, который радикальным образом изменил правила игры во всех отраслях экономики.

Все это относится и к климатологии и мониторингу изменения климата. Объем климатических данных, собираемый спутниками, достиг беспрецедентных масштабов. Прогнозы погоды составляются с высочайшей степенью детализации. В климатические модели и сценарии все еще закладывается множество факторов неопределенности. Ученые используют ИИ для обработки и систематизации большого массива данных и составления более точных прогнозов, которые позволят обществу и окружающей среде адаптироваться к будущей реальности. «МО позволяет научиться сложному поведению на основе набора данных без понимания сути физических явлений, ― объясняет д-р Питер Дюбен, научный сотрудники ЕЦСПП. ― Чем больше данных, тем лучше инструменты. По мере накопления информации инструменты машинного обучения будут становиться лучше и лучше. Это означает, что эти инструменты будут приносить все больше пользы для ученых».

ИИ помогает ученым анализировать спутниковые снимки и составлять прогнозы

«Машины помогают нам проводить измерения и мониторинг окружающего мира, что чрезвычайно важно для возможности принимать более правильные решения перед лицом неопределенного будущего, ― говорит Наталия Ткаченко, ведущий научный сотрудник в области обработки данных и ИИ Оксфордского университета. ― ИИ ― это не просто набор данных, это ― способность выявлять закономерности и взаимосвязи в сложном мире. Конечным результатом всегда является решение или обработанная информация».

Ученые успешно используют ИИ для получения изображений Земли с более высоким пространственным разрешением. «ИИ отлично справляется с задачей получения пространственной информации, это одна из его сверхспособностей», ― говорит д-р Пьер-Филлипп Матье, руководитель исследовательской лаборатории Ф-lab Европейского космического агентства. Такого же мнения придерживается и д-р Винсент Пеуч, директор Службы мониторинга атмосферы программы «Коперник» (CAMS). «Он очень эффективно сравнивает спутниковые изображения и автоматически отслеживает изменения растительного покрова, поэтому подходит для использования в районах, где нет возможности провести точный наземный мониторинг. Он также помогает ускорить процесс компьютерного моделирования, сделать его менее затратным, особенно это касается подробных прогнозов погоды, требующих постоянных обновлений».

По словам д-ра Пеуча, Служба по контролю за изменением климата (C3S) программы «Коперник» и CAMS тестируют и используют ИИ для выявления изменений в растительном и древесном покрове, уточнения прогнозов качества воздуха в городах и автоматической обработки спутниковых снимков.

В море Амундсена, у берегов Западной Антарктиды, ученые Британского управления по изучению Антарктики (BAS) на базе Института Тьюринга используют МО для обнаружения и мониторинга процессов раскола айсбергов на более мелкие части и обучили ИИ алгоритмам прогнозирования будущих изменений ледникового покрова. ИИ позволяет им интерпретировать результаты этих прогнозов и даже лучше понять, как климатические переменные влияют друг на друга в пространстве и времени.

ИИ все чаще применяется для решения самых разнообразных экологических и социальных проблем. Вашингтонский университет планирует использовать ИИ для мониторинга и улучшения качества прогнозирования морских тепловых волн. Природоохранный центр Танзании будет использовать ИИ для аэрофотосъемки диких животных и наблюдения за деятельностью человека, чтобы предотвратить конфликты между животными и людьми. В Бостоне специалисты тестируют приложение GreenCityWatch на основе ИИ, которое будет собирать информацию о количества и состоянии деревьев в городах.

Искусственный интеллект успешно используется и в сельском хозяйстве. Технология FarmBeats на основе облачной платформы Microsoft Azure консолидирует данные наземных датчиков, камер, тракторов и дронов, а также разрабатывает модели МО для мониторинга сельскохозяйственной деятельности и повышения устойчивости фермерских хозяйств к изменению климата. «Производители сельскохозяйственной продукции определяют время посадки, полива, сбора урожая и других видов деятельности в зависимости от погодных условий, ― рассказывает Ранвиир Чандра, главный научный сотрудник Microsoft Azure Global. ― Однако прогнозы погоды поступают с метеостанций, а не с фермы. Один из наших алгоритмов ИИ объединяет детализированные модели погодных условий и данные метеостанций с информацией, полученной с установленных на ферме датчиков, , для составления прогноза погоды в месте расположения фермы. Заполняя пробелы в информации данными с фермы, можно получить прогнозы, которые позволят фермерам принять более правильные решения».

Станет ли ИИ новым мощным инструментом прогнозирования изменения климата?

Одной из амбициозных целей, которую ставят ученые перед ИИ, является создание «цифрового двойника» Земли или реплики всех систем и процессов планеты. «Это была бы виртуальная лаборатория планеты, где мы могли бы проводить эксперименты, разрабатывая экологические стратегии и оценивая результаты», ― говорит д-р Матье. «У нас уже есть строительные блоки ИИ, которые пойдут на создание цифровых двойников объектов окружающей среды, а затем и цифрового двойника Земли, ― говорит д-р Скотт Хоскинг, специалист в области обработки экологических данных в BAS. ― Мы не в состоянии отследить каждый аспект нашей изменяющийся планеты с требуемой степенью детализации. Разрабатывая цифровые двойники природной среды, мы можем сконцентрировать свое внимание на удаленных и труднодоступных районах, таких как полярные регионы, где порой невозможно даже зарядить аккумулятор. Полученную информацию можно будет использовать в режиме реального времени для навигации дронов и подводных беспилотников, чтобы повысить точность будущих измерений».

Однако ИИ еще не обладает абсолютной надежностью. Когда речь идет о прогнозировании климата, ученые предупреждают, что не хватает исторических данных для «обучения» алгоритмов. «ИИ нужно обучать на ретроспективных данных, ― объясняет д-р Джуда Коэн, директор по сезонному прогнозированию компании «Исследования в области атмосферы и окружающей среды» (AER) и климатолог MIT. ― Мы обучаем его с использованием данных начиная с 1979 г., когда стали широко использоваться спутники, но этой информации недостаточно для разработки оптимальных решений на базе ИИ. Возможно, придется прибегнуть к созданию искусственных данных путем моделирования, однако пока не ясно, смогут ли смоделированные данные заменить исторические».

Кроме того, как заметил д-р Ролник, ИИ не может заменить физические процессы, ответственные за формирование климата. «ИИ имеет свои недостатки, ― добавляет д-р Матье. ― Всегда можно найти корреляцию данных, но это не обязательно будет означает наличие причинно-следственной связи, поэтому нужны эксперты, которые смогут дать объяснения на основе законов физики».

По словам д-ра Дюбена из ЕЦСПП, это относится и к моделям прогнозирования погоды. «Есть мнение, что ИИ и МО лучше традиционных технологий справляются с задачами оперативного (на несколько часов вперед) и многолетнего прогнозирования. Однако маловероятно, что МО сможет превзойти большинство других прогнозов и тем самым «заменить» модели прогнозирования погоды, поскольку прогнозы не будут такими точными в большинстве приложений».

Кроме того, системы на базе ИИ хорошо справляются только с теми задачами, выполнению которых были обучены. В этой связи возникает множество проблем. «Нужно обязательно убедиться, что ИИ используется для работы с диапазоном переменных, на которых он был обучен, ― говорит д-р Пеуч. ― Иначе можно получить ложные результаты». Это означает, что, хотя алгоритм и будет правильно анализировать данные, для обработки которых он был создан, поступление новой информации, выходящей за рамки его компетенции, может привести к получению неточных результатов. Что касается климатологии, то здесь изменяются не только данные, но и сам климат. «Когда речь идет об изменении климата, алгоритмы должны быть тщательно продуманы, и поскольку климат продолжает изменяться, мы должны быть уверены, что ИИ использует не только данные прошлого для прогноза будущего, ― добавляет директор CAMS». Когда дело касается вопросов изменения климата, выбор алгоритма становится непростой задачей. «Есть много решений на основе ИИ, и не так-то просто выбрать то, которое оптимально подойдет для прогнозирования климата, ― объясняет д-р Коэн. ― Я считаю, что выбор и оптимизация алгоритма ИИ, который может значительно улучшить имеющиеся климатические прогнозы, будет сложной задачей».

Использование технологий ИИ также поднимает вопросы, связанные с получением и управлением данными. «У нас нет никаких серьезных проблем с обеспечением конфиденциальности данных из обычных источников метеонаблюдений, ― говорит д-р Дюбен. ― Однако есть так называемые данные «Интернета вещей» (IoT), которые сегодня практически не используются для прогнозов погоды, но в будущем могут значительно их улучшить. Например, есть наблюдения с мобильных телефонов и другая информация, полученная путем краудсорсинга. Здесь могут возникнуть вопросы, связанные с конфиденциальностью данных». Д-р Ткаченко идет в своих рассуждениях еще дальше. Он утверждает, что если данные, используемые в формулах принятия решений, были искажены, то это может привести к отрицательным результатам. «Указываем же мы состав продуктов на упаковках с готовой едой, так и здесь мы, возможно, захотим узнать, как именно была разработана технология ИИ и какие источники данных были использованы», ― заявляет д-р Ткаченко.

И наконец, могут ли климатологи и экологи перенять опыт использования ИИ в других отраслях? «Используйте ИИ только тогда, когда это необходимо для решения конкретной проблемы,― предупреждает д-р Ролник. ― Легко соблазниться модной технологией. Каждый раз, используя ИИ, убедитесь, что в этом есть смысл. Приложения на базе ИИ должны быть ориентированы на конечный результат и разработаны в сотрудничестве со всеми сторонами, которые будут пользоваться этой технологией и извлекать из нее выгоду. Было бы большой ошибкой думать, что ИИ волшебным образом решит все проблемы. Это мощный инструмент, но лишь один из многих, которые можно использовать для борьбы с изменением климата».

Ссылка: https://ru.euronews.com/2020/10/12/will-artificial-intelligence-help-to-stop-climate-change

Подводные арктические резервуары метана и газгидратов, как ожидается, серьёзно пострадают от повышения температуры океана и уровня моря. Однако наше понимание феномена эмиссии метана в Арктике является неполным, особенно в глубоких средах, где доступ затруднен, а гидроакустические исследования носят спорадический характер. Авторы сообщают о первых непрерывных измерениях порового давления (давления воды в грунтовой массе) и температуры в течение четырёх дней в неглубоких отложениях вдоль западной окраины Шпицбергена. Данные с участков, где выбросы газа ранее не определялись в гидроакустических профилях, показывают, что приливы существенно влияют на интенсивность и периодичность выбросов газа. Эти наблюдения предполагают, что количественная оценка современных эмиссий метана в Арктике может быть недооценена. Однако высокие приливы, похоже, влияют на выбросы, уменьшая их высоту и объём. Следовательно, остаётся вопрос, может ли повышение уровня моря частично уравновесить потенциальную угрозу подводных выбросов метана, вызванных потеплением Северного Ледовитого океана.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-020-18899-3

Генеральный секретарь ООН изложил план борьбы с глобальным потеплением, которое, по его словам, угрожает самому существованию человеческой цивилизации. «Если мы не начнем действовать прямо сейчас, нынешнее столетие может оказаться последним веком для человечества», — предупредил Антониу Гутерриш, выступая перед участниками форума, проходящего под эгидой международной климатической инициативы TED Countdown.

Антониу Гутерриш напомнил, что, по данным ученых, необходимо удержать повышение глобальной температуры на уровне полутора градуса по шкале Цельсия. Несмотря на рекомендации климатологов, в настоящее время эта задача не выполняется.

«Миллиарды людей во всем мире уже страдают от нашего бездействия, — заявил Генсек ООН. — Из-за укоренившейся зависимости от ископаемого топлива мы топчемся на месте. Глобальные климатические изменения вызывают беспрецедентные лесные пожары, интенсивные и частые циклоны, наводнения, засухи и другие экстремальные погодные явления».

Из-за укоренившейся зависимости от ископаемого топлива мы топчемся на месте

По словам Антониу Гутерриша, от климатического кризиса не застрахована ни одна страна мира. При этом в каждом государстве более всего страдают беднейшие и наиболее уязвимые слои населения, которые менее всего причастны к возникновению проблемы изменения климата.

«В последние 25 лет на долю самых богатых 10 процентов населения мира приходилось более половины выбросов углерода в атмосферу, — сказал глава ООН, — а на долю беднейших 50 процентов — всего семь процентов. Мы все еще можем построить более безопасный, справедливый и устойчивый мир, но действовать нужно быстро».

Мы можем выиграть эту битву только вместе

Антониу Гутерриш призвал правительства и все международное сообщество взять на вооружение простой план, базирующийся на следующих принципах:

• приоритетные инвестиции в «зеленые» рабочие места;
• отказ от поддержки отраслей промышленности, загрязняющих окружающую среду;
• прекращение субсидирования предприятий, которые занимаются добычей и переработкой ископаемого топлива;
• учет климатических рисков при принятии любых финансовых и политических решений;
• глобальное сотрудничество в духе взаимопомощи и солидарности.
• помощь государствам, которые оказались в отстающих в борьбе за здоровый климат на планете.

Этого плана действий уже придерживаются тысячи компаний, городов, регионов, университетов и частных инвесторов, взявших на себя обязательство к 2050 году сократить выбросы [парниковых газов] в атмосферу, — отметил Антониу Гутерриш. — Я признателен тем, кто уже присоединился к нашему движению. Остальным я хочу еще раз сказать, что мы можем выиграть эту битву только вместе».

Ссылка: https://news.un.org/ru/story/2020/10/1388012

Компания «Делойт», опираясь на четыре сценария развития стран в области климатической повестки IPCC, подготовила исследование, в котором демонстрирует, что глобальное потепление поспособствует стимулированию экономического развития в 70 странах, среди которых особенно выделяют Чехию, Россию, Таджикистан, Швецию и другие территории с преимущественно холодным климатом. С другой стороны, ожидается, что 130 стран, в которых исторически жаркий климат, пострадают. Несмотря на возможные экономические выгоды, которые ранее упомянутые стран могут получить от глобального потепления, риски, связанные с нарушением стабильности окружающей среды оцениваются высоко.

Ссылка: https://www.consultancy.eu/news/4964/global-warming-boosts-the-economies-of-some-70-countries

Примечание составителя: «Делойт» - международная сеть компаний, оказывающих услуги в области консалтинга и аудита. «Делойт» входит в «большую четвёрку» аудиторских компаний.

В августе, когда лесные пожары приближались к исторической обсерватории Лик недалеко от Сан-Хосе, Калифорния, Клэр Макс (Claire Max) наблюдала в прямом эфире веб-камеры, как пламя приближается к зданиям обсерватории и нескольким телескопам. В конце концов, пожарные сдержали пламя. Хотя два неиспользуемых здания были разрушены, а несколько домов повреждены, на зеркалах рабочих телескопов оставалось лишь немного пепла. «Нам действительно повезло», - говорит Макс, директор обсерватории Калифорнийского университета, руководящего ею. По её словам, прибрежная Калифорния всегда переживала циклы засух и пожаров. «Но люди вполне могут сказать, что глобальное потепление не улучшило ситуацию».

У астрономов есть проблема с климатом. Глобальное потепление не только увеличивает частоту лесных пожаров и силу ураганов, которые физически угрожают обсерваториям, но и изменение климата может исказить их наблюдения, вследствие роста температуры, влажности и турбулентности у их горных насыпей. Астрономы сами усугубляют проблему климата, продолжая перелёты на удалённые объекты и встречи, а также интенсивно используя энергоемкие суперкомпьютеры для космических расчётов. «Мы - часть проблемы, а не её решение», - говорит Лео Буртшер (Leo Burtscher) из Лейденского университета.

Эти опасения были резко выражены в шести статьях, опубликованных в прошлом месяце в журнале Nature Astronomy. Одна из них, посвященная углеродным затратам на встречи, появилась непосредственно на заседании Европейского астрономического общества 2019 года во Франции, проходившем во время рекордной жары, когда температура превышала 45°C. «Мы сидели без кондиционера и потели во время всех этих интересных бесед», - говорит Буртшер. Обсуждения перешли на изменение климата и выбросы углерода, и они вдохновили Буртшера и его коллег оценить выбросы, потребовавшиеся для прибытия на эту встречу. В сумме они составили почти 1900 тонн эквивалента углекислого газа (CO2) или около 1,5 тонны на одного участника - примерно столько же, сколько выбрасывает средний житель Индии за год.

Несомненно, аналогичные выбросы происходят и при проведении больших собраний представителей других областей науки, но это не единственный источник углерода в работе астрономов. Другое из шести исследований показало, что австралийские астрономы производят по 37 тонн эквивалента CO2 в год, из которых 60% приходятся на использование суперкомпьютеров. «Мы были удивлены, насколько велик вклад суперкомпьютеров. Все думали, что полёты будут доминировать», - говорит ведущий автор Адам Стивенс (Adam Stevens) из Университета Западной Австралии в Перте. Аналогичный анализ выбросов в 2018 г., проведённый Институтом астрономии Макса Планка и опубликованный в журнале Nature Astronomy, показал, что в целом выбросы ниже (18 тонн на одного астронома), наибольший вклад в которые внесли полёты. Авторы говорят, что более широкое использование возобновляемых источников энергии в Германии может частично объяснить эту разницу, но астрономы Института астрономии Макса Планка по-прежнему генерируют в три раза больше выбросов, чем типичный немец.

Потепление, которому способствуют астрономы, в свою очередь, угрожает их наблюдениям за небом. В другом статье Фаустин Канталлоб (Faustine Cantalloube) и её коллеги из Института астрономии Макса Планка проанализировали метеорологические записи за 30 лет, полученные в обсерватории Паранал в Чили, управляемой Европейской южной обсерваторией. Они обнаружили, что средняя температура там повысилась на 1,5°C, что превышает средний глобальный рост на 1°C с доиндустриальных времен. Канталлоб говорит, что это уже создаёт проблемы для Очень Большого Телескопа Паранала - четырёх отдельных 8,2-метровых отражателей. В течение дня включаются системы охлаждения с целью поддержания температуры внутри купола телескопа такой же, как и во внешнем воздухе на закате, чтобы избежать разницы температур, создающей турбулентность при открытии купола. Когда дневная температура превышает 16°C, система испытывает проблемы. «Охлаждение купола недостаточно хорошее», - говорит Канталлоб. «В то время, когда он был построен в 1990-х годах, мы не думали, что [температуры] будут такими высокими к 2020 году».

Повышение температуры также увеличило турбулентность в приземном слое, в воздухе на несколько десятков метров над телескопами. По словам Канталлоб, турбулентность поверхностного слоя возросла с 1980-х годов, и, хотя она ещё не повлияла на наблюдения, но вызывает беспокойство. «Ясно, что что-то происходит очень близко к земле», - говорит она.

Ожидается, что более тёплый климат также повысит уровень влажности, а, значит, приведёт к увеличению облачности - очевидная проблема для астрономов. Сам по себе водяной пар может блокировать инфракрасное и микроволновое излучение, являющееся фокусом большой миллиметровой / субмиллиметровой решетки Атакамы (ALMA), также в Чили. Как показывает отдельное исследование, пока влажность не увеличилась ни в Паранале, ни в ALMA. Климатические модели ещё недостаточно детализированы, чтобы предсказать будущие тенденции изменения влажности в окрестности обсерваторий. «Нам нужно посмотреть, приведет ли изменение климата к увеличению влажности в регионе», - говорит исследующий атмосферу учёный Европейской южной обсерватории Анхель Отарола (Angel Otárola).

Астрономы сейчас принимают меры по сокращению своего углеродного следа. В другом из шести исследований Саймон Портеджис Цварт (Simon Portegies Zwart) из Лейденского университета призывает к изменениям в стратегии вычислений. По словам Цварта, астрономам следует избегать традиционных компьютеров и вместо этого использовать те, которые полагаются на более эффективные графические процессоры, хотя их сложнее программировать. Астрономам также следует отказаться от популярных языков программирования, таких как Python, в пользу эффективных компилируемых языков. По подсчётам Цварта, такие языки, как Fortran и C ++, более чем в 100 раз экономичнее, чем Python, поскольку они требуют меньше операций. Другой вариант, говорит Кнуд Янке (Knud Jahnke) из Института астрономии Макса Планка, - это установить суперкомпьютеры в Исландии с её безуглеродной геотермальной энергией и холодным климатом, что снижает потребности в охлаждении, или в других странах с обильными возобновляемыми источниками энергии.

Крупные обсерватории также принимают меры. Европейская южная обсерватория завершила строительство солнечной электростанции в 2016 году для своей обсерватории Ла Силья в Чили, а в прошлом году подписала сделку по установке фотоэлектрической станции для охлаждения её чрезвычайно большого телескопа, который сейчас строится недалеко от Паранала. Телескопы Кека и Джемини на Гавайях и Радиоастрономическая обсерватория Мерчисон в Австралии также установили солнечные батареи. Чтобы сократить время полётов, всё больше и больше телескопов занимаются рутинными удалёнными наблюдениями. Клэр Макс говорит, что Калифорнийский университет построил комнаты для удалённых наблюдений в своих обширных кампусах, поэтому исследователям не нужно было ездить к Лику и другим телескопам. С появлением COVID-19 схема была распространена на домашние ноутбуки - Макс называет это «наблюдением в пижаме». «Дни полетов на Гавайи для наблюдений сочтены», - говорит она.

Встречи - ещё одна цель, созревшая для реформ. «Потенциал виртуальных встреч вызывает большой интерес», - говорит Трэвис (Travis), ректор Университета Аляски в Анкоридже, возглавляющий комитет по устойчивому развитию Американского астрономического общества. Когда в этом году встреча Европейского астрономического общества стала виртуальной из-за COVID-19, команда, подсчитавшая углеродные затраты на встречу 2019 года, провела новый анализ. Основываясь на опросе делегатов и организаторов об использовании компьютеров и Интернета, они подсчитали, что выбросы составляют 582 килограмма для всего собрания, что составляет менее одной-трёх тысячных от общего количества выбросов 2019 года. «Это действительно заставило задуматься», - говорит Марк МакКогриан (Mark McCaughrean), писатель и старший советник Европейского космического агентства.

Европейское астрономическое общество изучает гибридный формат для будущих встреч, в которых удалённые его члены будут принимать участие виртуально. Ректор говорит, что у Американского астрономического общества есть контракты личных встреч на несколько лет, но он ожидает, что после этого общество перейдет на виртуальные встречи. По его словам, общества «будут учиться друг у друга, как делать это лучше».

В этом месяце рабочие Лик очистили территорию от кустарников и деревьев, чтобы снизить риск будущих пожаров. Бертшер считает, что астрономы тоже должны действовать. Он говорит, что это моральное решение и практическое. «Нам нужно измениться, чтобы продолжить нашу профессию».

Ссылка: https://www.sciencemag.org/news/2020/10/we-re-part-problem-astronomers-confront-their-role-and-vulnerability-climate-change

Дым от многочисленных лесных пожаров, горящих на Западе, сделал качество воздуха опасным для миллионов людей в Соединенных Штатах. И именно мельчайшие частицы аэрозоля в воздухе делают его особенно вредным для здоровья человека. Но в течение десятилетий мы не знали, как долго эти частицы действительно остаются в воздухе.

Новое исследование учёных из Университета штата Колорадо даёт возможность гораздо улучшить понимание этого процесса, что может помочь не только в прогнозировании качества воздуха, но и в моделировании глобального климата.

Частицы аэрозоля, будь то дым от лесных пожаров или выхлопные газы автомобилей, играют большую роль в том, сколько тепла поглощается или отражается атмосферой. Однако мы не совсем точно понимаем, как быстро эти крошечные частицы удаляются из воздуха, особенно в отсутствие влаги. Это обстоятельство существенно добавляет неопределённости и без того сложным климатическим моделям.

Дельфина Фармер (Delphine Farmer), доцент кафедры химии Колледжа естественных наук Университета штата Колорадо, знала, что пора внести улучшения.
Фармер и её коллеги недавно объявили, что они смогли определить в реальных условиях - от лесов до лугов - скорость, с которой эти важные частицы покидают атмосферу. Их результаты впервые были опубликованы 5 октября в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Эта работа действительно подчёркивает важность и эффективность полевых измерений», - сказала Фармер. «Мы можем напрямую использовать наблюдения из полевых исследований, чтобы уменьшить неопределённости в климатических моделях и улучшить наше понимание процессов, связанных с климатом».

Сосредоточение внимания на неопределённости

Частицы аэрозоля удаляются из воздуха двумя основными способами. Первое и наиболее распространенное явление - «влажное» осаждение, когда происходит их удаление влагой в результате образования облаков, снега или дождя. Учёные довольно хорошо изучили его и знают, что на него приходится около 80% аэрозольного эффекта в атмосфере.

Но другое явление, «сухое» осаждение, гораздо более загадочно, хотя играет немаловажную роль в глобальном масштабе. Аэрозоли настолько малы (измеряются в нанометрах и микронах), что не оседают под действием силы тяжести. Они могут долго плыть в потоках воздуха. Однако как долго, оставалось под вопросом.

«После того как частица попадает в атмосферу, срок, в течение которого она находится в воздухе, зависит от этих процессов удаления», - сказала Фармер. Это очень важно, объяснила она, потому что «чем дольше частица находится в атмосфере, тем больше у неё возможностей путешествовать дальше, образовывать облака или влиять на здоровье человека. Поэтому знание особенностей процедуры удаления очень важно для прогнозирования концентраций частиц и их эффектов ".
Первые результаты теоретических расчётов 1970-х и 80-х годов и более грубые измерения, выполненные на гладких поверхностях около 2000 года, десятилетиями использовались в климатических моделях.

Именно здесь Фармер, которая сделала карьеру исследователя, отслеживая химические процессы в атмосфере с помощью приборов высокого разрешения, увидела возможность для улучшения.

Улучшенные климатические модели и здоровье человека

Фармер и её коллеги знали, что поверхность Земли и даже океана не всегда гладкая. Поэтому они хотели увидеть, что на самом деле происходит с этими частицами в реальном мире.

В частности, они изучили силы помимо силы тяжести, управляющие движением этих аэрозолей. «Что касается мелких, важных для климата и здоровья частиц, турбулентность атмосферы переносит их к поверхности, где они и задерживаются», - сказала Фармер.
И из-за этого у этих мелких частиц нет прямого пути к поверхности, особенно в сложной поверхностной среде, такой как лес. Фармер объяснила это тем, что у каждой микроскопической частицы аэрозоля свой собственный путь, «вроде американского воина ниндзя, где частица должна избегать столкновения с различными препятствиями, чтобы оставаться в атмосфере. И каждый путь разнится для частиц разного размера».

Чтобы увидеть, как частицы разного размера преодолевают полосу препятствий, исследователи применили аэрозольный спектрометр сверхвысокой чувствительности, в котором для подсчёта частиц используется лазер. Они установили измерительные станции в сосновом лесу в экспериментальном лесу Маниту в Колорадо и на лугах на Южных Великих равнинах в Оклахоме, чтобы собирать реальные данные об этих частицах, когда они в конечном итоге достигли поверхности.

«Мы измерили, насколько быстро различные частицы проходят свой путь», - пояснила Фармер. «Затем мы использовали эти измерения, чтобы выяснить, какая часть пути замедляет различные частицы».

Они обнаружили гораздо более узкий диапазон времен жизни этих важных частиц, чем предполагалось при более раннем моделировании. Фактически, старые прогнозы строились в предположении более быстрого удаления очень мелких частиц (менее 100 микрон) и более медленного более крупных частиц (более 400 микрон).
«Это означает, что мы могли недооценивать косвенный эффект аэрозоля в моделях», - сказала Фармер. «Хорошая новость состоит в том, что мы переоценивали неопределённость - теперь мы лучше знаем скорость потери частиц».

Новые результаты могут быть применены ко всем видам неровных поверхностей, от лесов до лугов и сельскохозяйственных угодий, даже до неспокойных морей.

Больше аэрозольных эффектов над сушей

Привнеся свои оценки в модели воздействия аэрозолей в глобальном масштабе, Фармер и её соавторы предсказывают, что на определённых территориях суши, в том числе в некоторых частях Северной Америки, Европы, Азии, Южной Америки, Австралии и к югу от Сахары, будет больший эффект аэрозоля, чем предполагалось ранее, и что аэрозольный эффект уменьшится над океанами.

«Оказывается, путь оседания частиц на поверхность очень важен для предсказания радиационных эффектов» и для того, как может выглядеть будущий климат, - сказала Фармер.
Новые данные также свидетельствуют о том, что мы недооценили количество наиболее вредных для здоровья человека, размером менее 2,5 нанометров (также известных как PM2,5) аэрозолей в воздухе, которые, например, являются наиболее опасной частью дыма лесных пожаров.

«Наша переоценка увеличивает поверхностные концентрации PM2,5 на 11% во всём мире и на 6,5% над сушей», - написали Фармер и её сотрудники в своей новой статье. Это важно знать, потому что «воздействие PM2,5 связано с респираторными и сердечно-сосудистыми заболеваниями».

Эта работа также демонстрирует, насколько передовыми и эффективными становятся технологии полевых измерений.

«Для меня самым захватывающим аспектом этой работы является то, что мы можем проводить измерения в реальном мире над лесом и пастбищами и использовать их для непосредственного улучшения нашего понимания климатической системы», - сказала Фармер.

Ссылка: https://phys.org/news/2020-10-climate-aerosol-field.html

Антарктический континент не нагревается последние семь десятилетий, несмотря на монотонный рост концентрации парниковых газов в атмосфере. В этой статье авторы исследовали, помогла ли высокая орография антарктического ледникового щита задержать потепление над континентом. С этой целью они сопоставили реакцию климата Антарктики на удвоение CO2 при современной и сглаженной орографии антарктического ледникового щита. Чтобы подтвердить свои выводы, авторы выполнили этот эксперимент с двумя разными климатическими моделями. Они обнаружили, что при более плоском антарктическом ледниковом щите удвоение CO2 вызывает более скрытый перенос тепла к антарктическому континенту, большую конвергенцию влаги над континентом и, как следствие, больший конденсационный нагрев поверхности. Большая конвергенция влаги над континентом становится возможной благодаря сглаживанию влажных изоэнтропических поверхностей, что уменьшает градиенты влажности вдоль траекторий, по которым преимущественно происходит внетропический перенос влаги к полюсу, тем самым позволяя большему количеству влаги достигать полярной области. Более того, полярная меридиональная ячейка исчезает, когда орография антарктического ледникового щита сглаживается, обеспечивая большую адвекцию тепла, вызванную парниковым эффектом СО2, к антарктическому континенту. Полученные результаты предполагают, что большая высота нынешнего антарктического ледникового щита играет важную роль в снижении восприимчивости антарктического континента к потеплению, вызванному выбросами CO2.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41612-020-00143-w

Прогнозы потенциально резкого повышения уровня моря в результате таяния ледяного покрова в Антарктиде были самыми разнообразными, но группа исследователей из Университета Рутгерса создала модель, позволяющую улучшить прогнозы и способную помочь лучше противостоять угрозам изменения климата.

Основным источником повышения уровня моря может стать таяние больших участков обширного антарктического ледяного покрова. Ископаемые коралловые рифы, выступающие над океанической поверхностью, свидетельствуют о том, что уровень моря был более чем на 20 футов выше примерно 125 000 лет назад, в тёплый период последнего (эмского) межледниковья.

«Свидетельства повышения уровня моря в тёплом климате в давние времена могут многое рассказать нам о том, как уровень моря может повыситься в будущем», - сказал ведущий автор Дэниел М. Гилфорд (Daniel M. Gilford), научный сотрудник лаборатории Роберта Э. Коппа (Robert E. Kopp), профессора кафедры наук о Земле и планетах Школы искусств и наук Университета Рутгерса в Нью-Брансуике и соавтора работы. «Эти данные свидетельствуют о том, что, поскольку изменение климата вызывает потепление в атмосфере и океанах, в будущем глобальное повышение уровня моря может оказаться значительным».

В статье, опубликованной в журнале Journal Geophysical Research: Earth Surface, исследуется, как данные палеоклимата, соответствующие эпохе примерно 125 000 лет назад, могут быть использованы для улучшения компьютерных модельных прогнозов обрушения антарктического ледяного покрова и повышения уровня моря. Такие данные становятся все более эффективными для улучшения прогнозов, обеспечивая ценную информацию об уязвимости ледяного покрова как минимум до 2150 года.

В исследовании используется сходство между прошлым и потенциальным будущим уровнями моря для обучения статистической модели ледяного покрова с использованием искусственного интеллекта. Быстрый, простой и менее дорогой «эмулятор» - разновидность программного обеспечения для машинного обучения - учат имитировать поведение сложной модели, которая фокусируется на физике ледяного покрова, что позволяет рассчитывать гораздо больше вариантов, чем можно было бы изучить с помощью одной сложной модели. Тем самым удаётся сократить затраты дорогостоящего времени работы сложной модели ледяного покрова, учитывающей такие явления, как трещины ледяного покрова из-за таяния поверхности и обрушения высоких прибрежных ледяных скал.

В исследовании отмечается: то, что может случиться с антарктическим ледниковым покровом по мере потепления климата, является самой большой неопределённостью при оценке глобального повышения уровня моря в этом столетии. В сочетании с данными об уровне моря в прошлом новая модель может улучшить качество прогнозов повышения уровня моря как минимум до 2150 года.

«Если большие участки антарктического ледяного покрова растаяли и рухнули около 125 000 лет назад, когда полярные регионы были теплее, чем сегодня, части ледяного покрова могут также разрушиться в будущем по мере потепления климата, и это повлияет на наши прогнозы подъёма уровня моря и затопления береговой линии в течение следующих 130 лет », - сказал Гилфорд.

Новые оценки уровня моря около 125000 лет назад могут быть использованы для определения вероятности того, что через 75 лет наводнение, подобное вызванному ураганом «Сэнди» (около 9 футов над уровнем земли в Нью-Йорке), будет происходить один раз в столетие или ежегодно вдоль части территории на северо-восточном побережье США. Улучшенные прогнозы также могут быть включены в готовящийся Шестой оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата, который, вероятно, поможет официальным и другим заинтересованным лицам решить, как бороться с угрозами изменения климата.

Ссылка: https://phys.org/news/2020-10-sea-level-state-of-the-art.html

Последние данные Службы по изменению климата Copernicus (C3S, внедряемые Европейским центром среднесрочных прогнозов погоды по поручению Европейской комиссии) показывают, что в этом году по-прежнему наблюдаются рекордные температуры. Каждый месяц 2020 года входит в четвёрку самых тёплых месяцев за рассматриваемый период: январь на 0,03°C теплее, чем любой предыдущий январь, а май на 0,05°C теплее любого предыдущего мая. Сейчас подтверждено, что сентябрь 2020 года - ещё один рекордный месяц для набора данных C3S.

Протяжённость морского льда в Арктике в сентябре также была значительной, занимая второе место среди наименьших в истории наблюдений как по суточной, так и по среднемесячной протяжённости.

В 2020 году сентябрь стал самым тёплым в мире за всю историю наблюдений.

В глобальном масштабе месяц был на 0,05°C теплее, чем в 2019 году, и на 0,08°C теплее, чем в 2016 году, которые ранее занимали первое и второе места среди самых тёплых сентябрей за всю историю наблюдений. Необычно высокие температуры были зарегистрированы у берегов северной Сибири, на Ближнем Востоке, а также в некоторых частях Южной Америки и Австралии.

Аномалия глобальной температуры с начала года показывает, что 2020 год находится на одном уровне с 2016 годом, пока самым тёплым за всю историю наблюдений. Кроме того, за тот же период 2020 год теплее 2019 года - второго самого тёплого года за всю историю наблюдений. В последние три месяца 2020 года климатические явления, такие как Ла-Нинья, и, вероятно, низкий уровень осеннего ледяного покрова Арктики, повлияют на то, станет ли год в целом самым тёплым за всю историю наблюдений.

Сибирь - регион, испытывающий в этом году особенно экстремальные температуры. Зима и весна были необычно тёплыми, например, в мае температура была на 10°C выше, чем обычно. Эти исключительно высокие температуры сохранялись в течение всего лета, при этом средняя температура июня для всей арктической Сибири оказалась более чем на 5°C выше средней за 1981–2010 гг., а рекордная суточная максимальная температура достигала 38°C.

Самый тёплый сентябрь в Европе за всю историю наблюдений

Средние температуры сентября также достигли рекордно высокого уровня для Европы, примерно на 0,2°C выше, чем в предыдущем самом тёплом сентябре 2018 года. На большей части континента, особенно в юго-восточных районах, в течение месяца наблюдались температуры выше средних. Однако, как видно из временных рядов выше, аналогичные значения также регистрировались несколько раз за последние два десятилетия и больше не считаются необычными.

Протяжённость морского льда снижается до второго самого низкого значения за всю историю наблюдений

Протяжённость морского льда в Арктике в сентябре была второй среди наименьших по величине за всю историю наблюдений как по суточной, так и по среднемесячной протяжённости.

Однако это не является полной неожиданностью, поскольку протяжённость морского льда сокращается в течение нескольких десятилетий, а сентябрь – месяц с самыми низкими значениями за год. Кроме того, сибирская Арктика продолжала оставаться аномально тёплой в течение 2020 года, причём погодные условия, определявшие потепление над Сибирью, также привели к сокращению морского ледяного покрова дальше на север.

Хотя существует общая тенденция к исчезновению морского льда, которая вызвана глобальным потеплением и, в свою очередь, способствует ему, связь не является однозначной. Поскольку морской лёд находится на границе между океаном и атмосферой, на него влияют не только приземные температуры воздуха, но также приземные ветры и океанские течения. Кроме того, сокращение летнего морского ледяного покрова позволяет большему количеству солнечной радиации согревать воду в верхнем слое Северного Ледовитого океана, поэтому морской лёд начинает таять снизу в конце сезона.

Это означает, что нет прямой корреляции между распределением и значением глобальных температур и протяжённостью арктического морского льда за конкретный месяц. Например, 2012 год - это год с самой низкой минимальной протяжённостью морского льда за всю историю наблюдений. В то время это был второй самый тёплый сентябрь за всю историю наблюдений, но сейчас этот месяц занимает лишь десятое место среди самых тёплых, оказавшись на 0,3°C холоднее, чем сентябрь 2020 года. Однако в 2012 году сильный арктический шторм в начале августа порвал и без того тонкий морской лёд на мелкие куски. Это сделало его более подверженным таянию или удалению из региона, что в свою очередь, вероятно, способствовало рекордному минимуму.

Чтобы узнать больше о тенденциях изменения состояния морского льда, посетите Индикатор морского льда, входящий в ежегодный отчёт о состоянии климата в Европе.

Если набор данных Copernicus в настоящее время начинается только в 1979 году, как можно назвать климатические переменные рекордными?

Набор данных реанализа ERA5, который используется для мониторинга температуры приземного воздуха, начинается с 1979 года, поэтому заявления, сделанные в отношении «самого тёплого месяца за всю историю наблюдений», например, относятся к периоду с 1979 года. Однако, учитывая глобальную тенденцию к повышению температуры приземного воздуха, большинство этих утверждений о тёплых месяцах и годах, скорее всего, будут справедливыми для всей индустриальной эпохи, особенно для глобальных средних и годовых европейских показателей.

Это предположение основано на исследовании значений C3S до и после 1979 г., полученных с помощью хорошо зарекомендовавших себя традиционных наборов данных (основанных только на данных на местах), дополненных оценками, сделанными другими агентствами, о том, что температура за период 1720–1800 гг. была ниже, чем во второй половине XIX века.

Это не относится к рекордам холода, так как многие из них имели место раннее 1979 года.

Следующий дополнительный график иллюстрирует это как для глобальных, так и для европейских средних значений, начиная с 1900 года.

Ссылка: https://climate.copernicus.eu/september-record-breaking-warm-temperatures-low-sea-ice

Ряд важных оценок экономических издержек изменения климата основывается только на результатах небольшого числа совместных моделей климата и экономики. Центральной особенностью этих оценок является учёт экономической стоимости эпистемической неопределённости - части неопределённости, проистекающей из нашей неспособности точно оценить ключевые параметры модели, такие как равновесная чувствительность климата. Однако эти модели не учитывают стоимость случайной неопределённости - неснижаемой неопределённости, которая остаётся, даже если истинные значения параметров известны. Авторы показывают, как объяснить этот второй источник неопределённости физически обоснованным и легко поддающимся обработке способом, и демонстрируют, что даже скромная изменчивость подразумевает неучтённые ранее экономические убытки в триллионы долларов.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-020-18797-8