Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной?

Погода и климат: в чем разница между ними

Давно замечено: если нужно поддержать разговор, а тему, как назло, не найти – говори о погоде. Вариант беспроигрышный: ведь все присутствующие – лица заинтересованные и до некоторой степени сведущие. В последние же годы интерес людей к данному фактору, в немалой степени определяющему наше бытие, многократно усилился, чему есть вполне объективные предпосылки.

Во-первых, еще совсем недавно погода воспринималась людьми как данность свыше, не зависящая от их воли и вынуждающая к себе приспосабливаться. Но сегодня, во многом благодаря настоящему прорыву в областях компьютерных технологий и спутниковых наблюдений, перед человечеством открылись возможности всестороннего изучения процессов формирования погоды и климата, причин их изменений, а также в какой-то степени, пусть ничтожно малой, влиять на эти процессы (в качестве примера – предотвращение осадков во время празднования дней города в Москве и Санкт-Петербурге).

Во-вторых, резко возросло количество людей, совершающих дальние поездки – деловые, туристические и пр. К слову, только в 2010 и 2011 гг. зарубежные вояжи совершили около 12 и 14,5 миллионов, соответственно, т. е. каждый двенадцатый из наших соотечественников. Во избежание неприятных сюрпризов, путешествующий должен соотнести свои программу и экипировку с особенностями погодных условий в месте пребывания.

В-третьих, накопленная в ходе исследований информация свидетельствует о том, что климат меняется, более того, темпы его изменения в ХХ в. были беспрецедентно высоки. Последнее обстоятельство стало предметом серьезной обеспокоенности, и сегодня о климате не рассуждает только ленивый. Однако с сожалением приходится констатировать явное несоответствие между важностью проблемы (ведь речь идет о «здоровье» среды нашего обитания!) и той легковесностью суждений, а порой некомпетентностью, которыми при обсуждении ее грешат многие, в том числе и весьма солидные издания и телеканалы.

Весомый вклад в «подогрев» интереса к данной проблеме внесло и «жаркое лето 2010». Чуть ли не каждый день приносил на европейскую территорию России рекордные температуры: +38,9 °C – 28 июня в Воронеже; +35,5 °C – 21 июля в Туле; +38,1 °C – 27 июля в Орле; 28 июля пал державшийся с 1981 г. московский рекорд – теперь он равен +38,2 °C. А 12 июля на калмыцкой метеостанции Утта зарегистрирована максимальная за весь период наблюдений в стране температура +45,4 °C. В Санкт-Петербурге рекорд устоял, но от жары треснула стеклянная Башня Мира, подаренная Францией к 300-летнему юбилею города. Неудивительно, что о «глобальном потеплении» в этот период говорилось повсюду.

Между тем считать тот почти двухмесячный изнуряющий зной очевидным свидетельством глобального потепления климата оснований не больше, чем, скажем, заранее объявить чемпионом команду, победившую в первых пяти играх из запланированных пятидесяти. Парадокс? Отнюдь! Дело в том, что в обиходе понятия «погода» и «климат» зачастую отождествляют, а это неверно. Чуть вольно перефразируя известнейшего российского специалиста в области геофизики академика А. С. Монина, можно определить климат как совокупность всех погодных условий, наблюдавшихся на конкретной территории за некоторый продолжительный промежуток времени. При этом такой «конкретной территорией» может быть как отдельная область (к примеру, Вологодская), так и вся Западная Сибирь или Южная Америка, а также и весь земной шар. Но даже школьник знает: холодно – на севере и зимой, жарко – на юге и летом, в тропиках – зной и ливни, а в полярных зонах – круглый год снег и льды. Поэтому, обсуждая климат относительно небольшого в глобальном масштабе региона, мы можем получить достаточно полное представление о его характерных чертах и особенностях. Однако описание материкового и тем более глобального климата неизбежно чревато утратой многих нюансов (например, среднегодовая средняя по земному шару температура воздуха у поверхности, рассчитанная с учетом, в частности, антарктической и тропической температур, сродни средней температуре по больнице) и пригодно только для изучения самых общих закономерностей климата нашей планеты.

Вышеприведенное определение климата содержит довольно расплывчатое указание на срок наблюдений. Действительно, какой промежуток времени следует считать «продолжительным» – месяцы, годы, десятилетия? Он не должен быть чересчур коротким, поскольку тогда изменениями климата придется признать и смену времен года, и аномально жаркий (или холодный) год, даже если многие предшествующие ему и последующие годы были близки к норме. С другой стороны, использование достаточно длительного промежутка времени (например, столетия) тоже вряд ли возможно хотя бы из-за отсутствия разветвленной сети станций, производивших по всему миру каждодневные измерения в течение такого срока. Следовательно, оптимальный выбор находится где-то посередине.

Почему отсчет по сей день ведется именно до уже далекого 1990 г., а, например, не до 2000 или 2010 гг., вправе поинтересоваться читатель. В достаточно консервативной ВМО традиционно считается, что негоже менять границы выбранного интервала ранее его завершения (как, скажем, недопустимо сообщить футболистам в перерыве матча, что второй тайм будет играться по баскетбольным или хоккейным правилам). В этом есть определенный резон: результаты различных исследований приводятся к некоторому единому хорошо известному всем «знаменателю», и их удобно сравнивать и анализировать. Так что появления новых границ тридцатилетнего периода, официально рекомендованного ВМО, придется подождать до 2020 г., хотя в научной периодике уже сейчас встречаются работы, в которых в качестве «стандартного» рассмотрен период 1980–2010 гг. Несомненно, выбор промежутка времени несет в себе элемент произвола: почему именно 30 лет? Начиная с Международного геофизического года, проводившегося под эгидой ООН в 1957 г., мировое сообщество предприняло успешные шаги по созданию и развитию всемирной системы контроля за окружающей средой, включающей регулярный мониторинг метеорологических элементов – температуры воздуха, атмосферного давления, скорости и направления ветра, количества осадков и т. д. – не только у земли, но и на высотах. Таким образом, к моменту принятия вышеуказанной рекомендации уже существовал достаточно полный банк метеорологических данных, охватывавший приблизительно тридцатилетний период измерений. Дав волю фантазии, можно сравнить климат с толстенным отрывным календарем, рассчитанным на 30 лет, где каждый листок соответствует погоде в означенный на нем день.

Исходя из данного определения, скоропалительные выводы обычных людей, измаявшихся на солнцепеке («Вот оно глобальное потепление, а дальше будет еще хуже!») или продрогших в 30-градусный мороз на автобусной остановке («И они говорят о каком-то глобальном потеплении?!») спишем на всплеск эмоций и на… вполне простительную некомпетентность. В этих репликах, заметьте, главным является слово «потепление» (здесь и сейчас!), а определение «глобальное» добавляют, не задумываясь, следуя укоренившемуся словесному штампу. Однако в устах специалиста оба этих слова одинаково важны. В 2010 г. среднеиюльская температура воздуха в Москве превзошла среднеклиматическую (т. е. среднюю в июле за 30 лет) на 7,8 °C – это очень много, но… Чтобы получить «июльскую добавку» к московской среднегодовой температуре, нужно разделить ее на число месяцев в году (7,8 °C: 12 = 0,65 °C). Если же мы захотим найти долю этой «июльской добавки» в глобальной среднегодовой температуре, нам придется снова делить – теперь на количество разбросанных по всему миру метеорологических станций, исчисляемых тысячами, и в результате доля эта окажется ничтожно мала.

В то же время измерения показали рост глобальной среднегодовой температуры – той самой, которая сродни «средней по больнице» – с начала ХХ в. по настоящее время приблизительно на 0,7 °C (рис. 1), а это означает, что устойчивое увеличение температуры зафиксировано на большинстве действовавших в течение прошлого столетия метеостанций. Специально отметим: именно на большинстве, поскольку на земном шаре найдутся регионы, в которых не наблюдалось уверенного роста среднегодовой температуры, хотя в среднем по всему земному шару среднегодовая температура возрастала.

Рис. 1. Изменение среднегодовой среднеглобальной температуры приземного воздуха относительно средней за 1961–1990 гг. Усредненная кривая, кружки – значения отдельных лет

Рис. 2. Средние годовые аномалии температуры приземного воздуха (°С) для регионов России за 1936–2010 гг. Усредненные кривые; прямые линии иллюстрируют темпы роста температуры в период 1976–2010 гг.

Теперь еще раз обратимся к светской беседе о погоде. Почти наверняка она будет содержать «добрые» слова в адрес синоптиков. По мнению неизвестного острослова, «синоптик – человек, который ошибается только один раз, зато каждый день». Ему вторит вполне известный Ален Шеффилд: «Метеорология – научное обоснование неверных прогнозов». Пожалуй, ограничимся этими двумя суждениями, хотя на эту же тему высказывались такие великие остроумцы, как Оскар Уайлд, Марк Твен, Джером Клапка Джером, Станислав Ежи Лец. Безусловно, жертвами неудачных прогнозов погоды становились все, не минула чаша сия и авторов данной книги. Однако это обстоятельство не помешает нам сказать несколько слов в защиту людей, ежедневно кропотливо собирающих, обрабатывающих и анализирующих оперативную метеорологическую информацию, чтобы в урочный час сообщить нам, каких сюрпризов можно ждать от погоды в самое ближайшее время.

Начнем с банального: точных прогнозов погоды несравненно больше, чем ошибочных. Косвенным признанием этого факта служит то, что даже после провальных прогнозов мы проявляем интерес к очередному и в соответствии с ним зачастую планируем свои действия. Признайтесь, стали бы вы так поступать, если бы удача сопутствовала синоптическим оракулам лишь в одном-двух случаях из десяти?

Следующая мысль, скорее всего, вызовет искреннее недоумение читателя: абсолютно верный прогноз довольно часто воспринимается потребителем как ошибочный. И вот почему. Обычно прогноз дается для достаточно больших площадей – городов, областей или крупных районов. Конечно, если имеет место сплошная облачность, ошибиться в ближайших перспективах данной местности проблематично. А если облака на небе – все наперечет и на каждую деревню их не хватает? Как в этом случае отреагируют на прогноз «дожди» жители окропленной дождем деревни «А» и не дождавшейся осадков соседней деревни «Б»? По-разному… Потребитель всегда прав? Вряд ли в обозримом будущем кому-либо из нас доведется услышать такой прогноз: «Завтра в Кривоколенном переулке города N-ска сильный дождь будет идти с 15 час. 34 мин. до 17 час. 18 мин.». Увы, подобный точечный прогноз – несбыточная мечта.

Тем не менее время от времени синоптики ошибаются. Постараемся разобраться почему. Существуют три разных подхода к составлению прогноза. Первый из них основан на решении системы дифференциальных уравнений. Уравнений настолько сложных, что получить их точное решение фактически невозможно. Помогают компьютеры, позволяющие ценой некоторых упрощений найти решение, «близкое к правде». Во втором подходе прогноз зиждется на мастерстве и опыте конкретного синоптика, который, анализируя карты текущего (измеренного) состояния наиболее важных метеорологических величин («предикторов») и их изменчивость, выносит свой «вердикт». Третий подход – «примитивистский». В несколько упрощенном виде суть его такова. На метеорологических станциях по нескольку раз в сутки измеряются многие характеристики: температура, влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, балл облачности и др. Затем все полученные данные архивируются (с недавних пор они заносятся в мощный компьютер – не только текущие, но и датированные несколькими десятилетиями ранее). Для составления прогноза на следующий день компьютер перебирает все имеющиеся в архиве варианты в поисках совпадения метеорологических характеристик, имеющих место на текущий день. При достаточно обширном архиве подобное соответствие отыщется наверняка. Предположим, совпали метеорологические характеристики 4 июля 2012 г. и 18 июня 1982 г. Извлекаем из архива данные на 19 июня 1982 г., и прогноз на 5 июля 2012 г. готов! Идея третьего подхода не нова, однако его реализация стала возможной только после внедрения быстродействующих вычислительных систем, ведь оперативно перебрать десятки тысяч наборов ежедневных данных человеку не под силу. Хотя в общем-то народные приметы можно рассматривать в качестве предтечи третьего подхода.

Меньше всего неприятностей доставляет синоптикам ситуация, когда над регионом господствует циклон или особенно антициклон (области низкого и высокого давления, соответственно). Куда менее определенна ситуация, при которой равносильные циклон и антициклон соперничают между собой; она становится совсем скверной, если это соперничество затягивается надолго. В последнем случае погода может даже измениться несколько раз в течение одного дня. Ну, и куда, скажите, при этом скрыться бедному синоптику от праведного народного гнева? Отчасти спасти положение может наработанная годами интуиция профессионала.

Другой источник синоптических ошибок – большая заблаговременность прогноза. Практика показала, что прогноз на три дня чаще в целом соответствует действительности, прогноз на 5–7 дней – не исключено, что оправдается, но вот прогнозу на 10 дней и более может доверять лишь человек, непоколебимо убежденный в исключительном даре ясновидения у сотрудников Гидрометцентра.

Проиллюстрируем ситуацию с заблаговременным прогнозом примером стрельбы по мишени (рис. 3). При выстреле траектория пули неизбежно отклонится от прямой, соединяющей кончик оружия и центр мишени – точку «0». Пока мишень расположена достаточно близко, пуля все равно попадет в ее габариты. Однако по мере отдаления мишени от стрелка расстояние между местом попадания пули в мишень и точкой «0» будет увеличиваться, и в какой-то момент пуля пройдет мимо мишени. Теперь представим, что три изображенные мишени – это реальные погодные условия, которые будут иметь место через 1, 5 и 10 дней соответственно, а траектория пули – прогноз, сделанный сегодня на базе данных вчерашних измерений. При увеличении срока заблаговременности прогноза заложенные в самом прогнозе ошибки[1] к десятому дню накапливаются, и его качество стремительно падает.

Рис. 3. Иллюстрация зависимости степени точности заблаговременного прогноза от его сроков

Почему именно 15 дней? Строгое обоснование этого утверждения требует знания основ гидромеханики. Не будем вдаваться в детали и опять прибегнем к аналогии. Каждый из нас, наблюдая за летящим самолетом, видел тянущийся за ним шлейф, состоящий из продуктов сгорания в авиамоторах. Сначала такой шлейф представляет собой четкую линию, но вскоре линия начинает размываться, а через несколько минут и вовсе исчезает из поля зрения. В момент выхода из сопла самолета все частицы продуктов сгорания в основном продолжают двигаться с одинаковой скоростью и в одном направлении, совершая упорядоченное движение. Однако далее эти вновь прибывшие в атмосферу частицы, подвергшись воздействию совершенно неупорядоченных турбулентных потоков, перемешиваются с фоновыми воздушными частицами, и шлейф перестает существовать. Причин возникновения турбулентных движений великое множество, например неровности и неоднородность земного рельефа, лесные пожары и пр. В большинстве случаев в атмосфере упорядоченные потоки имеют бо́льшую мощность, нежели турбулентные, но это не означает, что последние не играют заметной роли в атмосферной циркуляции. При существующих в атмосфере упорядоченных скоростях движения воздушных потоков упорядоченное движение разрушается турбулентным приблизительно за те самые 15 дней. А прогнозировать поведение образовавшегося хаотического движения – занятие бесперспективное.

Возвращаясь к погоде на европейской территории России, отметим, что для этого региона характерно регулярное вторжение воздушных масс с запада, с Атлантического океана. В случае передвижения воздушной массы над сушей Западной Европы, она прогревается и «усыхает». Если же ее маршрут пролегает над Скандинавией (1) или Средиземноморьем (2), она становится более влажной и холодной (в первом случае) или влажной и теплой (во втором). Типичной для европейской территории России является ситуация, когда одна такая масса «сменить другую спешит, дав» конкурентке 2–4 дня.

Все вышесказанное относится к прогнозу погоды. А как обстоят дела с прогнозированием климата? Предвидим отповедь внимательного читателя: «Если “они” с грехом пополам прогнозируют погоду на завтра, расписываются в полном бессилии прогнозировать ее даже на месяц, то что уж говорить о сроках, исчисляемых годами и десятилетиями!»

Поясним этот тезис на простом примере. Мальчики пустили по реке два кораблика (рис. 4). Первый из них, оказавшись на середине реки, беспрепятственно проследовал вниз по течению до условного пункта «А», второй же прибился к заводи, далее попал в водоворот и лишь затем, много позже первого, достиг того же пункта «А». Но достиг!

Рис. 4. Иллюстрация к вопросу об успешности климатического прогноза

Говоря о прогнозах изменения климата, необходимо упомянуть о двух важных аспектах. Во-первых, существуют предельные сроки, на которые в принципе возможно давать такие прогнозы, исходя из сведений о состоянии климата на сегодняшний день и в прошлом (климатологи в этом случае говорят о предсказуемости климата). Понятно, что несколько десятилетий вполне укладываются в такие временны´е пределы, а вот оценить, каким будет климат в IV тысячелетии, едва ли реально. Предсказуемость климата, совершенно очевидно, зависит от того, насколько точно нам известно его начальное состояние (предсказуемость I рода)[2], и от внешних воздействий на него в период, охватываемый прогнозом (предсказуемость II рода).

Для иллюстрации сказанного сравним предсказуемость климата с изменением состояния финансов некоего бизнесмена в течение ближайших трех месяцев. Размер его банковского счета через три месяца будет определяться суммой, находившейся на его счете сегодня, т. е. в начальный момент времени (аналог предсказуемости I рода), а также доходами и расходами в эти три месяца, как плановыми, так и, возможно, неожиданными. Произвести калькуляцию плановых операций, как правило, не трудно, хуже, когда возникают незапланированные («внешние») обстоятельства (аналог предсказуемости II рода). Последствия таких внешних обстоятельств могут быть как незначительными и кратковременными, так и существенными, приводящими к банкротству.

При реальном прогнозировании изменений климата мы всегда знаем лишь его приближенное начальное состояние, а о многих будущих внешних воздействиях нам ничего не известно. Например, невозможно предвидеть где, когда и какой силы будут извержения вулканов в 2020 г. Здесь мы подходим ко второму важному аспекту: прогноз представляет собой оценку изменений климата под действием «неслучайных» процессов («калькуляцию плановых операций» в вышеприведенном примере). Однако случайные процессы могут весьма заметно исказить эту оценку! И тут на помощь приходит математическая статистика. В частности, продолжая пример с вулканическими извержениями, отметим наличие баз данных, содержащих информацию об их ежегодном количестве, месте, размере и химическом составе вулканических выбросов, а также оценки воздействия этих выбросов на климат, в первую очередь на температуру воздуха. Тогда предположив, что вулканическая активность в 2020 г. будет близка к средней за последние десятилетия, мы можем внести коррективы в оценку будущего изменения климата. Однако в реалиях вулканическая активность 2020 г., вероятно, окажется несколько отличной от такой средней величины.

Разумеется, рано бить в литавры – вероятность ошибочности климатического прогноза достаточно велика. Во-первых, человеку, как известно, свойственно ошибаться. Он может недооценить или переоценить масштабы какого-либо явления или его интенсивность или банально «потерять» нолик в расчетах. Во-вторых, еще замечательный французский математик Пьер Лаплас однажды сказал: «То, что мы знаем, – ограничено, а то, чего не знаем, – бесконечно». Поэтому незнание каких-то законов природы на современном этапе развития науки может временно привести нас к неверным умозаключениям. При всем при этом необходимо понимать, что успешное прогнозирование изменений климата имеет исключительную важность, так как с оглядкой на предполагаемое его состояние уже сегодня принимаются многие хозяйственные и политические решения.

Итак, надеемся, вы почувствовали разницу между понятиями «погода» и «климат». Оставим заботы о состоянии погоды Гидрометцентру и продолжим наш рассказ о климате.