Климатические модели сложны, как и мир, который они отражают. Они одновременно моделируют взаимодействующий хаотичный поток атмосферы Земли и океанов и работают на крупнейших суперкомпьютерах мира.
Критики климатологии, такие как группа, подготовившая отчёт для Министерства энергетики США в 2025 году, часто указывают на эту сложность, утверждая, что модели слишком неопределённы, чтобы помочь нам понять текущее потепление или сказать что-то полезное о будущем.
Но история климатологии рассказывает другую историю. Самые ранние климатические модели делали конкретные прогнозы о глобальном потеплении за десятилетия до того, как эти прогнозы могли быть доказаны или опровергнуты. И когда наблюдения были проведены, модели оказались правы.
Прогнозы были не просто предсказаниями глобального среднего потепления — они также предсказывали географические модели потепления, которые мы видим сегодня.
Эти ранние прогнозы, начиная с 1960-х годов, исходили в основном из одной, несколько малоизвестной правительственной лаборатории за пределами Принстона, штат Нью-Джерси: Лаборатории геофизической гидродинамики. Многие из открытий несут на себе отпечаток одного особенно проницательного и настойчивого климатолога Сюкуро Манабе, который был награждён Нобелевской премией по физике 2021 года за свою работу.
Модели Манабе, основанные на физике атмосферы и океана, прогнозировали мир, который мы видим сейчас, одновременно создавая основу для современных климатических моделей и их способности моделировать наш крупномасштабный климат. Хотя у моделей есть ограничения, именно этот послужной список успеха даёт нам уверенность в интерпретации изменений, которые мы наблюдаем сейчас, а также в прогнозировании будущих изменений.
Первое задание Манабе в 1960-х годах в Бюро погоды США, в лаборатории, которая впоследствии стала Лабораторией геофизической гидродинамики, состояло в точном моделировании парникового эффекта — чтобы показать, как парниковые газы удерживают лучистое тепло в атмосфере Земли.
Чтобы проверить свои расчёты, Манабе создал очень простую климатическую модель. Она представляла глобальную атмосферу как единый столб воздуха и включала ключевые компоненты климата, такие как поступающий солнечный свет, конвекция от гроз и его модель парникового эффекта.
Несмотря на свою простоту, модель довольно хорошо воспроизводила общий климат Земли. Более того, она показала, что удвоение концентрации углекислого газа в атмосфере приведёт к потеплению планеты примерно на 5,4 градуса по Фаренгейту (3 градуса по Цельсию).
Эта оценка чувствительности климата Земли, опубликованная в 1967 году, оставалась по существу неизменной на протяжении многих десятилетий и отражает общую величину наблюдаемого глобального потепления. Сейчас мир находится примерно на полпути к удвоению содержания углекислого газа в атмосфере, и глобальная температура повысилась примерно на 2,2 °F (1,2 °C) — прямо в соответствии с тем, что предсказал Манабе.
Другие парниковые газы, такие как метан, а также запоздалая реакция океана на глобальное потепление также влияют на повышение температуры, но общий вывод остаётся неизменным: Манабе правильно определил чувствительность климата Земли.
Поверхность и нижние слои атмосферы в одностолбцовой модели Манабе нагревались по мере роста концентрации углекислого газа, но, что стало неожиданностью того времени, стратосфера модели фактически охлаждалась.
Температуры в этом верхнем слое атмосферы, между примерно 7,5 и 31 милей (12 и 50 км) в высоту, регулируются хрупким балансом между поглощением ультрафиолетового солнечного света озоном и выделением лучистого тепла углекислым газом. Увеличьте содержание углекислого газа, и атмосфера будет улавливать больше лучистого тепла у поверхности, но фактически будет выделять больше лучистого тепла из стратосферы, вызывая её охлаждение.
Это охлаждение стратосферы было обнаружено в течение десятилетий спутниковых измерений и является отличительным признаком потепления, вызванного выбросами углекислого газа, поскольку потепление по другим причинам, таким как изменения солнечного света или циклы Эль-Ниньо, не приводят к охлаждению стратосферы.
Манабе использовал свою одностолбцовую модель в качестве основы для прототипа квазиглобальной модели, которая имитировала лишь часть земного шара. Она также имитировала только верхние 100 метров или около того океана и игнорировала эффекты океанских течений.
В 1975 году Манабе опубликовал симуляции глобального потепления с помощью этой квазиглобальной модели и снова обнаружил стратосферное охлаждение. Но он также сделал новое открытие — что Арктика нагревается значительно сильнее, чем остальной мир, в два-три раза.
Это «арктическая амплификация» оказывается устойчивой особенностью глобального потепления, наблюдаемой в современных наблюдениях и последующих симуляциях. Потепление Арктики также означает сокращение морского льда в Арктике, который стал одним из наиболее заметных и драматических индикаторов изменения климата.
В начале 1970-х Манабе также работал над тем, чтобы соединить свою атмосферную модель с первой в своём роде динамической моделью всего мирового океана, созданной океанографом Кирком Брайаном.
Примерно в 1990 году Манабе и Брайан использовали эту связанную модель атмосферы и океана для моделирования глобального потепления на реалистичной континентальной географии, включая эффекты полной циркуляции океана. Это привело к множеству озарений, включая наблюдение, что суша нагревается в среднем сильнее океана примерно в 1,5 раза.
Как и в случае с арктической амплификацией, этот контраст между сушей и океаном можно увидеть в наблюдаемом потеплении. Его также можно объяснить на основе основных научных принципов и он примерно аналогичен тому, как сухая поверхность, такая как тротуар, нагревается сильнее, чем влажная поверхность, такая как почва, в жаркий солнечный день.
Контраст имеет последствия для таких жителей суши, как мы, поскольку каждый градус глобального потепления будет усилен на суше.
Возможно, самый большой сюрприз от моделей Манабе пришёл из региона, о котором большинство из нас редко думает: Южный океан. Этот обширный удалённый водоём окружает Антарктиду, и над ним беспрепятственно дуют сильные восточные ветры из-за отсутствия суши в южных средних широтах. Эти ветры постоянно поднимают глубокие океанские воды на поверхность.
Манабе и его коллеги обнаружили, что Южный океан нагревался очень медленно, когда концентрация углекислого газа в атмосфере увеличивалась, потому что поверхностные воды постоянно пополнялись за счёт этих поднимающихся глубоководных вод, которые ещё не успели нагреться.
Это замедленное потепление Южного океана также видно в температурных наблюдениях.
Оглядываясь назад на работу Манабе более чем полвека спустя, становится ясно, что даже ранние климатические модели уловили основные черты глобального потепления. Модели Манабе имитировали эти закономерности за десятилетия до того, как они были обнаружены: арктическая амплификация была смоделирована в 1975 году, но с уверенностью наблюдалась только в 2009 году, в то время как стратосферное охлаждение было смоделировано в 1967 году, но окончательно наблюдалось только недавно.
Конечно, у климатических моделей есть свои ограничения. Например, они не могут предсказывать региональные климатические изменения так хорошо, как хотелось бы людям. Но тот факт, что в климатологии, как и в любой другой области, есть значительные неизвестные, не должен ослеплять нас тому, что мы знаем.
Предоставлено The Conversation