Алгоритмы развития - Моисеев Н.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Все перечисленные процессы чрезвычайно сложны. Поэтому, несмотря иа многочисленные упрощения и параметризации, которые приходится делать, их математические модели оказываются очень сложными многомерными системами уравнений. В результате исследователь-конструктор этой системы моделей попадает в весьма трудное положение. С одной стороны, он должен построить систему моделей, которая бы отражала основные климатические процессы с требуемой точностью (ее разрешимость должна позволять отличать, например, климат Поволжья от климата центральных районов РСФСР, т. е. используемая географическая сетка не должна быть чересчур крупной; скажем, для биотических расчетов ее ячейки не должны превосходить 4—5° по широте и долготе). С другой стороны, эта система должна быть и достаточно простой, чтобы допускать по мере надобности массовый эксперимент и не требовать для своего анализа астрономических затрат машинного времени.
Чрезвычайная сложность процессов, протекающих
в живой составляющей биосферы, ставит очень острую проблему отыскания «золотой середины» между требованиями адекватности и простоты. Для того чтобы правильно отражать реальность, подобная модель должна описывать циркуляцию всех основных биогенных элементов, прежде всего углерода, азота, кислброда, воды, микроэлементов и др., от которой в первую очередь зависит жизнь, ее интенсивность и устойчивость. Однако именно процессы жизнедеятельности определяют характер круговорота этих элементов.: Значит, модель биоты должна описывать и процессы фотосинтеза, дыхания растений, и процессы, протекающие в почве, и многое другое. Заметим к тому же, что в разных частях земного шара, в разных условиях температуры и влажности, при разной структуре почв все эти йроцессы протекают совсем по-разному.
Выделить в этом многообразии особенностей, связей, взаимовлияющих факторов тот минимальный набор фазовых переменных, которые с достаточной полнотой рисуют общую картину развития биоты, очень непросто. И мы отдаем себе отчет в том, что наша система моделей еще очець несовершенна, что мы находимси только на начальном этапе работы. По существу, сегодня более или менее хорошо отработана модель круговорота лишь для одного биогенного элемента — углерода. Однако и это уже немало, поскольку с помощью подобной модели мы способны теперь проводить интересные и важные эксперименты.
По мере совершенствования вычислительной техники и наших знаний об окружающей среде, по мере того как будут возникать все новые и новые информационные массивы, наша минимальная модель тоже будет расширяться и совершенствоваться, однако основные принципы ее конструкции будут сохранены. И главное — должно быть сохранено разумное соотношение между точностью и возможностью проведения массового эксперимента, которая обеспечивается лишь относительной простотой модели (и, добавлю, квалифицированной математикой!).
Широкое экспериментирование с системой моделей, разработанной в Вычислительном центре АН СССР, мы начали относительно недавно (с середины 1980 г.). Но уже первые результаты оказались достаточно обнадеживающими.
Первая группа экспериментов, которая была проведена В. В. Александровым и его сотрудниками, относилась к тестированию моделей климата, проверке их на типичных метеорологических ситуациях. Синоптики хорошо изучили, например, так называемый Сибирский антициклон, который устанавливается в январе, круговое движение воздушных масс в Антарктике в летние месяцы, Бермудский максимум в зимние месяцы, западный перенос и т. д. Все это примеры типичных ситуаций, а модели, которые предназначаются для получения прогнозных оценок, в любом случае должны их воспроизводить. Это необходимое требование вполне естественно (оно необходимо, но не достаточно!).
В экспериментах выяснилось, что предложенная модель климата более или менее правильно отражает эти и подобные им типичные ситуации, что и позволило расширить программу экспериментов, начать изучение следствий возможных антропогенных воздействий. Прежде всего было начато исследование влияния на климат и бноту изменения концентрации углекислоты. Выбор этого исследования был отнюдь не случайным. Углекислота в атмосфере приводит, как известно, к «парниковому эффекту». Он является следствием того, что углекислый газ, будучи прозрачным для солнечных лучей, экранирует длинноволновое тепловое излучение земной поверхности, повышая тем самым температуру атмосферы. Это повышение температуры происходит неравномерно. В экваториальной зоне температура практически не меняется. Зато в полярных областях потепление оказывается весьма значительным. В результате сильно изменяется поле температурных градиентов. А это влечет за собой перестройку
всей картины, атмосферной циркуляции, влагопереноса, структуры облачности и т. д. Изменение всех этих факторов влияет, естественно, на биоту, которая реагирует изменением продуктивности и структуры биоценозов.
В эксперименте мы задавали изменение концентрации углекислоты, не выясняя причины, которые могут быть ответственны за это. Такой подход кажется вполне оправданным, поскольку характерное время выравнивания концентрации углекислого газа во всей атмосфере измеряется всего лишь несколькими днями. По изменению концентрации СОг рассчитывалось изменение средних климатических характеристик (средних значений температуры, осадков, интенсивности фотоактивной радиации, балла облачности и т. д.) для различных месяцев в различных районах мира. Оказалось, что после удвоения существующей концентрации углекислоты в атмосфере зависимость изменения средней температуры (и других климатических характеристик) от дальнейшего роста концентрации углекислого газа перестает быть линейной. Авторы этой работы (Г. Л. Стенчиков и В. П. Пархоменко) показали, что при длительном увеличении концентрации углекислоты скорость нарастания температуры начинает спадать. При изменении концентрации углекислоты изменяется и распределение влажности. При этом засушливые районы становятся еще более засушливыми, а увлажненные — еще более увлажненными. Причины данного явления понять нетрудно. В самом деле, повышение концентрации углекислоты в атмосфере приводит, как уже было сказано, к потеплению, прежде всего в зонах полюсов. Это означает уменьшение температурного градиента разности температур между экваториальной и полярными зонами. Поскольку же именно эта разность является одним из основных двигателей, перемещающих воздушные массы, постольку с ростом концентрации углекислоты в атмосфере ее циркуляция становится все более вялой, а перенос влаги, следовательно, — все менее интенсивным.
