13. მჟავა ნალექი. მათი გავლენა ეკოსისტემებზე.
თოვლი, ნისლი, ნამი, წვიმა. რაც უფრო ნაკლები წყალია ატმოსფეროში, მით უფრო მაღალია მჟავიანობა. ბუნებრივი ნალექისთვის ბუნებრივი pH არის 5.6. მჟავა წვიმა: pH მერყეობს 3-დან 5-მდე.
საშიშია არა თავად მჟავა ნალექი, არამედ მისი გავლენის ქვეშ მიმდინარე პროცესები. მჟავა ნალექის ძირითადი კომპონენტებია აზოტის ოქსიდი და გოგირდის ოქსიდი. დიოქსიდის უმეტესი ნაწილი გამოიყოფა საწვავის წვის დროს, ძირითადად ქვანახშირის, მეტალურგიული მრეწველობის, პოლიმეტალური მადნების დამუშავების, გოგირდმჟავას წარმოების, ნავთობის გადამუშავების დროს. აზოტის ოქსიდები ჩნდება თბოელექტროსადგურებში საწვავის წვის დროს, აზოტის სასუქების, აზოტის მჟავას და შიდა წვის ძრავებიდან გამონაბოლქვის წარმოებისას.
აირების ბუნებრივი წყაროები: ბაქტერიების აქტივობა ნიადაგში, ჭექა-ქუხილი, ვულკანური ამოფრქვევები, ტყის ხანძარი.
დიდი რაოდენობით SO 2 და აზოტის ოქსიდების ატმოსფეროში შეყვანა იწვევს ძლიერი მჟავების - გოგირდის და აზოტის წარმოქმნას. ეს რეაქციები მოიცავს ჟანგბადს და წყლის ორთქლს, აგრეთვე ტექნოგენურ მტვრის ნაწილაკებს, როგორც კატალიზატორებს:
2SO 2 + O 2 + 2H 2 O 2H 2 SO 4;
4NO 2 + 2H 2 O + O 2 4HNO 3.
მჟავა ნალექი ანადგურებს ფოთლებზე ცვილისებრ ფენას. შედეგად, მცენარეები ხელმისაწვდომი ხდება სხვადასხვა პათოგენებისთვის. კლებულობს ტყეების წინააღმდეგობა გვალვის, დაავადებებისა და დაბინძურების მიმართ, რაც თავის მხრივ იწვევს მათ, როგორც ბუნებრივი ეკოსისტემების დეგრადაციას.
მჟავა წვიმა გავლენას ახდენს ნიადაგზეც: ნიადაგიდან გამოირეცხება ბიოგენური ელემენტები: კალიუმის, კალციუმის, მაგნიუმის კათიონები და ა.შ. ამავდროულად, ნიადაგიდან გამოირეცხება ტოქსიკური მძიმე მეტალები, გარდა ამისა, მძიმე ლითონები იწყებენ სასარგებლო შეკვრას. კომპონენტები (ფოსფორი), რის შედეგადაც ნიადაგის ნაყოფიერება მცირდება, თუ pH წყალსაცავებში< 4,5, не водится фитопланктон, улитки, мидии, ракообразные, т.е. отсутствует корм для рыб, в результате не водится и рыба.
მჟავა ნალექი ზრდის ლითონების კოროზიას, ანადგურებს სამშენებლო მასალებს, სკულპტურული ძეგლების მასალებს, ე.ი. მარმარილო, კირქვა, ბეტონი, აგური იწყებს ნგრევას.
CaCO 3 + H 2 O + SO 2 + O 2 = CaSO 4 * 2H 2 O
CaSiO 3 + H 2 O + SO 2 + O 2 = CaSO 4 * 2H 2 O
ეკოსისტემებზე ზემოქმედების მაგალითი: ტბების მჟავიანობა კანადაში, შვედეთში, ნორვეგიაში, ეს გამოწვეულია იმით, რომ ემისიების უმეტესობა მოდის აშშ-დან, გერმანიიდან და დიდი ბრიტანეთიდან.
14. კლიმატი. თანამედროვე კლიმატის მოდელები.
კლიმატი- დამახასიათებელი გრძელვადიანი ამინდის რეჟიმი, რომელიც შეინიშნება მოცემულ ტერიტორიაზე საუკუნეების განმავლობაში და განისაზღვრება მეტეოროლოგიური პროცესების ბუნებრივი თანმიმდევრობით.
ამინდიახასიათებს მეტეოროლოგიურ მდგომარეობას (ტემპერატურა, ჰაერის ფარდობითი და აბსოლუტური ტენიანობა, ატმოსფერული წნევა) და ფიზიკურ მოვლენებს (ნალექი, ნისლი, ქარი, ჭექა-ქუხილი) მოცემულ დროს.
კლიმატის რყევები და ბუნებრივი ცვალებადობა დიდ გავლენას ახდენს ცოცხალ ორგანიზმებზე. მცენარეთა და ცხოველთა გეოგრაფიული განაწილება, ბიოლოგიური პროცესების ბუნება და ინტენსივობა დიდწილად განისაზღვრება კლიმატური პირობებით. კლიმატის ცვლილება ბიოსფეროს ევოლუციის ერთ-ერთი ფაქტორია.
დედამიწის კლიმატი იქმნება ჰიდროსფეროს, ატმოსფეროს, კრიოსფეროს, ლითოსფეროს და ბიოსფეროს რთული ურთიერთქმედების შედეგად.
მომავალი კლიმატის ცვლილების პროგნოზირება მოითხოვს მრავალი, მუდმივად ცვალებადი გარემო ფაქტორების მოდელირებას. პირველივე კლიმატის მოდელები ეფუძნებოდა კლიმატის მუდმივობის ვარაუდს: შერჩეული იყო ცვლადები და დროის ინტერვალი მათ შესაფასებლად. მაგრამ ეს მოდელები მხოლოდ ძალიან უხეში და შორს იყო მომავალი კლიმატის ცვლილების ზუსტი პროგნოზებისგან.
უფრო ეფექტური ინტეგრირებული კლიმატის მოდელები ეფუძნება ფიზიკურ კანონებს, რომლებიც წარმოდგენილია მათემატიკური განტოლებებით.
მოსალოდნელი ცვლილებების სწრაფი, მიახლოებითი და მოკლევადიანი პროგნოზირებისთვის გამოიყენება ჰიდროდინამიკური განტოლებები მოძრაობის აღსაწერად.
ალტერნატიულ მიდგომას იძლევა ბალანსის ტიპის განტოლებები, რომლებიც აფიქსირებენ გარკვეული რაოდენობის (მასა, ენერგია, სითბო) ბალანსს სივრცის არჩეულ ნაწილში. ეს განტოლებები მოქმედებს საშუალო მნიშვნელობებით. კლიმატის ცვლილების აღწერისას, საშუალო მაჩვენებელი უნდა გაგრძელდეს მინიმუმ ერთი წლის განმავლობაში და დიდ სივრცულ არეალებზე.
საშუალოდ განსაზღვრის შემზღუდველი შემთხვევა არის დედამიწის ნულოვანი, ანუ წერტილიანი მოდელი, რომელიც აღწერს კლიმატს ერთი ტემპერატურის T-ის გამოყენებით მთელი გლობუსისათვის დედამიწის დისკი გრძელი ტალღის გამოსხივების ნაკადთან, რომელიც ტოვებს დედამიწის ზედაპირს. შტეფან-ბოლცმანის კანონის თანახმად, გამავალი გამოსხივების ნაკადი პროპორციულია ტემპერატურის მეოთხე ხარისხთან. ეს საშუალოდ მიდგომა საშუალებას იძლევა შეფასდეს საშუალო ტემპერატურის განაწილება დედამიწის ზედაპირზე, მაგრამ არ გვაძლევს კლიმატის დინამიკის რეპროდუცირების საშუალებას.
კლიმატის სისტემის უფრო მოწინავე მოდელებია ატმოსფერული მოძრაობების მოდელები, რომლებიც აღწერს ჰაერის ნაკადებს, რომლებიც ასწორებენ ტემპერატურის პროფილს მერიდიანების გასწვრივ. ასეთმა მოდელებმა მნიშვნელოვანი როლი ითამაშეს კლიმატის სისტემებში თვითორგანიზაციის მექანიზმების გაგებაში.
კლიმატის შემდგომი მოდელები უფრო რთული გახდა მათი განზომილების გაზრდით. მათში გაჩნდა ბუნებრივი პროცესების ახალი პარამეტრები. საჭიროა მრავალი დამატებითი პარამეტრის დანერგვა თანამედროვე კლიმატის მოდელებში, რომელთაგან ყველაზე მნიშვნელოვანია:
ბიოტა და ნახშირორჟანგის გლობალური ციკლი;
ჰიდროლოგიური რეჟიმი;
პერმაფროსტი;
თოვლის საფარი და მყინვარები;
სანაპირო პროცესები;
ოკეანის ცირკულაცია და ფსკერის წყლების სტრუქტურა;
ატმოსფეროს დინამიკა, თერმული ბალანსი და შემადგენლობა;
მზის და გეომაგნიტური ზემოქმედება.
მაგრამ ამ პარამეტრების საკმარისად ზუსტად შეფასება შეუძლებელია დედამიწის კლიმატის სისტემის მონიტორინგის თანამედროვე საშუალებებით. ისინი იმდენად დაბალანსებულია, რომ მცირე ცვლილებებმაც კი შეიძლება გამოიწვიოს ხელშესახები შედეგები. მაგრამ კლიმატის მოდელის პარამეტრების გაზომვის სიზუსტე არ იძლევა მის საერთო მაღალ ხარისხს.
"ელექტრომაგნიტური" კლიმატის მოდელი: ეფუძნება კოსმოსური ელემენტარული ნაწილაკების ენერგიისა და დედამიწის მაგნიტური ველის ურთიერთქმედებას. ამ მოდელის მიხედვით, დედამიწის მაგნიტურ ველში, კოსმოსური ნაწილაკების ენერგია გარდაიქმნება დენებად დედამიწის ბირთვში და რადიაციულ სარტყელში. დედამიწის ბირთვის მაგმის თხევადი ნაწილი მოქმედებს როგორც როტორი. დედამიწის ნაწლავებში მოძრაობს, როგორც ჩანს, ახვევს პლანეტას, განსაზღვრავს მისი ბრუნვის რიტმს და ხელს უწყობს განივი ელექტრული დენის წარმოქმნას. ასეთი დენი მიედინება მყარი და თხევადი მაგმის საზღვარზე და მისი სინუსოიდი ემთხვევა გოლფსტრიმს და სხვა ოკეანის დინებებს.
ბოლო წლებში მეცნიერებმაშემუშავებული NASA-ს მიერ ახალი მოდელი კლიმატიატა. ამ მოდელის მიხედვით კლიმატის ცვლილების ისტორია ორ პერიოდად იყოფა: ტექნოგენური სისტემების გაჩენამდე და შემდეგ. NASA-ს მეცნიერები თვლიან, რომ 1400 - 1700 წლებში, როდესაც გარემოზე სამრეწველო ემისიების გავლენა არ არსებობდა, პლანეტაზე კლიმატის ცვლილებაზე გავლენის ერთ-ერთი ყველაზე დიდი ფაქტორი იყო მზის აქტივობის ცვლილება. კომპიუტერულმა მოდელირებამ შესაძლებელი გახადა ამ დროის კლიმატისა და ატმოსფერული ფენომენების რეკონსტრუქცია.
იმავე კლიმატის მოდელმა აჩვენა, რომ გასულ საუკუნეში ადამიანური ფაქტორის ტექნოგენური გავლენა მზის აქტივობის ზემოქმედებაზე გავრცელდა. მე-20 საუკუნის მეორე ნახევარში აშკარა გახდა, რომ ანთროპოგენური გავლენის გამო, კლიმატის საერთო მდგომარეობა ბევრად უფრო სწრაფად იცვლებოდა, ვიდრე წინა დროს. მე-20 საუკუნის დასასრულმა მოიტანა კლიმატის ცვლილება გლობალური მასშტაბით. გლობალური დათბობა შეინიშნება ბიოსფეროზე ადამიანის ზემოქმედების გამო. ხმელეთის ზედაპირზე ჰაერის ტემპერატურამ მოიმატა, ოკეანეებში წყალი გახურდა, ამის შემდეგ კი ქარიშხალი, წყალდიდობა და გვალვა გახშირდა.
ამიტომ, დედამიწის თერმული ისტორიის მიკვლევისას აუცილებელია განასხვავოთ ბუნებრივი ცვლილებები ადამიანის გავლენით გამოწვეული ცვლილებებისგან. ხოლო კლიმატის მოდელებმა უნდა გამოავლინოს ტექნოგენურ სისტემებში თერმული პროცესების განვითარების თავისებურებები. თუ საბოლოოდ დადასტურდა, რომ ადამიანის მიერ შექმნილი საქმიანობა იწვევს მნიშვნელოვან გლობალურ დათბობას, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს კატასტროფული შედეგები, მაშინ აუცილებელია სწრაფად გადავიდეს ენერგიის ალტერნატიული წყაროების გამოყენებაზე ნახშირბადის გამოყენების გარეშე. ისეთი ქვეყნები, როგორიცაა იაპონია და აშშ, უკვე ახორციელებენ ათობით და ასეულობით მილიონი დოლარის ინვესტიციას წყალბადის საწვავზე მომუშავე ძრავების განვითარებაში.
უკეთესი გაგების უზრუნველსაყოფად რთული სისტემაკლიმატი, კომპიუტერული პროგრამები უნდა აღწერდეს კლიმატის კომპონენტების ურთიერთქმედების მოდელს. ეს ზოგადი ცირკულაციის მოდელები (GCM) ფართოდ გამოიყენება წარსულში დაკვირვებული კლიმატის ცვლილებების გასაგებად და ცვალებად პირობებზე კლიმატის სისტემის შესაძლო მომავალი რეაგირების იდენტიფიცირებისთვის. შეიძლება თუ არა ცვლილებები მოხდეს მოკლე დროში, მაგალითად, ათწლეულში ან საუკუნეში? წინ უძღვის ცვლილებებს ისეთი ფენომენები, როგორიცაა ელ-ნინიოს სიხშირის ზრდა და მათი ჩარევა დასავლეთის თბილ წყლებში? წყნარი ოკეანესამხრეთ ამერიკისკენ მიმართული? რა არის პოლუსზე სითბოს გადაცემის სხვადასხვა მექანიზმი, რამაც შეიძლება უზრუნველყოს სხვა კლიმატური მდგომარეობების არსი? ეს კითხვები და მრავალი სხვა ხაზს უსვამს თანამედროვე კლიმატის კვლევის სირთულეს. მარტივი მიზეზ-შედეგობრივი ახსნა, როგორც წესი, არ არის ეფექტური ამ ასპარეზზე. დახვეწილი კომპიუტერული მოდელები პრაქტიკულად ერთადერთი ხელმისაწვდომი ინსტრუმენტია, ამიტომ ისინი ჩვეულებრივ გამოიყენება კლიმატისა და გლობალური დინამიკის შესახებ პრეტენზიების დასამტკიცებლად.
დროს და 20 წლის განმავლობაში, კლიმატის მოდელირების მკვლევარებმა გამოიყენეს ატმოსფერული კვლევის ეროვნული ცენტრის (NCAR) სათემო კლიმატის მოდელის (CCM1) ზოგიერთი ვერსია. MOK1, რომელიც წარმოებულია 1987 წელს, მუშაობდა დიდ სერიულ სუპერკომპიუტერებზე. ახლა ამ მკვლევართაგან ბევრი იყენებს MOK2-ს, წინგადადგმულ ნაბიჯს, რომლის მნიშვნელობა აღწერილია, როგორც გადაადგილება სხვა პლანეტიდან დედამიწაზე. ეს ნაბიჯი დაახლოებით შეესაბამება დიდი, საერთო მეხსიერების, პარალელური, ვექტორული კომპიუტერების გამოჩენას, როგორიცააკრეი YMP. პარალელური კომპიუტერები შესაძლებელს ხდის კლიმატის უფრო დეტალურად სიმულაციას. მოდელებში ფიზიკური პროცესების ბალანსის დეტალური შესწავლა უახლოვდება დაკვირვებულ სიტუაციას ნაწილების მოდელირების გაზრდით და ფიზიკის მიერ აღწერილი ნდობის მიღწევით.
თანამედროვე ატმოსფერული კლიმატის მოდელები ძალიან კარგად აღწერს გლობალური მიმოქცევის ხარისხობრივ სტრუქტურას. ენერგიის გადაცემა თბილი ეკვატორული რეგიონებიდან ცივ პოლუსებზე და საერთო ქარების ნაწილებად დაყოფა რეპროდუცირებულია სიმულაციებში როგორც ხარისხობრივად, ასევე რაოდენობრივად. ტროპიკული ქარი ჰედლი, შუა სიგრძის ქარი ფერელი და რეაქტიული ნაკადი კარგად ეთანხმება დაკვირვებებს. ეს არის ატმოსფერული ცირკულაციის ძირითადი სტრუქტურები, რომლებიც იგრძნობა დედამიწის ზედაპირზე, როგორიცაა მშვიდი ზოლები, სავაჭრო ქარები, შუა განედების დასავლეთი და პოლარული სიმაღლეები.
მოდელების უნარი განაახლონ თანამედროვე კლიმატი, აყალიბებს ნდობას მათ ფიზიკურ საიმედოობაში. თუმცა, ეს განცხადება არ არის მოდელების გამოყენების საფუძველი მომავალი კლიმატის პროგნოზირებისთვის. მოდელების გამოყენების კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი მტკიცებულება იყო მათი გამოყენება წარსულში კლიმატის რეჟიმებზე. NCAR IOC გამოიყენებოდა მზის რადიაციის გაზრდით გამოწვეული კლიმატის ზემოქმედების სიმულაციისთვის ზაფხულის პერიოდიჩრდილოეთით დედამიწის ორბიტის ცვლილებების გამო. ერთ-ერთი ეფექტი იყო დედამიწის ტემპერატურის დათბობა, რამაც გამოიწვია უფრო ინტენსიური მუსონები. ითვლება, რომ დედამიწის ორბიტის ცვლილებებით გამოწვეული მზის გამოსხივების მატება ან კლება პასუხისმგებელია წინა კლიმატის პირობებზე. შტეფან შნაიდერის თქმით, NCAR-დან, „კომპიუტერული მოდელების უნარი, აღადგინონ ადგილობრივი კლიმატის რეაქცია მზის რადიაციის ცვლილებებზე, რომლებიც წარმოიქმნება დედამიწის ორბიტაზე ცვალებადობის შედეგად, იძლევა საფუძველს ამ მოდელების სანდოობაში, როგორც ინსტრუმენტები მომავალი კლიმატის შედეგების პროგნოზირებისთვის. მზარდი სათბურის ეფექტი."
IOC 2, NCAR-ის მიერ შემუშავებული კლიმატის მოდელების უახლესი კოდი, აღწერს ზემოთ აღწერილი ფიზიკური პროცესების კომპლექსურ ურთიერთქმედებას. კლიმატის ეს მოდელი შესაფერისია უნივერსიტეტისა და ინდუსტრიული მომხმარებლებისთვის. სამეცნიერო გამოკვლევა, ახდენს კლიმატის სისტემის დროში ცვალებად რეაქციას მზის სითბოს და ზღვის ზედაპირის ტემპერატურის ყოველდღიურ და სეზონურ ცვლილებებზე.ბოლო 10 წლის განმავლობაში და უახლოეს მომავალში, ამ მოდელებმა საფუძვლად დაედო კლიმატის კვლევებისა და სცენარების ტესტირების ფართო სპექტრს, რომლებიც გამოიყენება გადაწყვეტილების მიღებისას ეროვნული ენერგეტიკული და გარემოსდაცვითი პოლიტიკის ფორმირებისთვის.
გლობალური ცირკულაციის მოდელებში გამოყენებული პარალელური გამოთვლები
კომპიუტერული ტექნოლოგიების წინსვლა მიესალმება კლიმატის მკვლევარების მიერ, რადგან გრძელვადიანი კლიმატის სიმულაციების დასრულებას შეიძლება თვეების გამოთვლითი დრო დასჭირდეს. სუპერკომპიუტერების უახლესი თაობა დაფუძნებულია პარალელიზმის იდეაზე. Intel Paragon XP/S 150-ს შეუძლია ერთი რთული ამოცანის გადაჭრა 2048 პროცესორის კომბინირებული სიჩქარის გამოყენებით. ეს კომპიუტერი განსხვავდება სხვა სუპერკომპიუტერებისგან იმით, რომ თითოეული პროცესორის მეხსიერება მიუწვდომელია სხვა პროცესორებისთვის. ასეთ სისტემას ეწოდება განაწილებული მეხსიერება და არა საერთო მეხსიერება. კომპიუტერის ამგვარად დაპროექტება საშუალებას იძლევა გამოიყენოს უზარმაზარი პარალელიზმი პრობლემებზე, მაგრამ ართულებს გამოთვლების ფორმულირებას.
IOC 2 გამოიყენება თითქმის ექსკლუზიურად პარალელურ სუპერკომპიუტერებში. დიდი გამოთვლითი მოთხოვნები და მოდელის მიერ გენერირებული გამომავალი მონაცემების დიდი მოცულობა გამორიცხავს მათ ეფექტურ გამოყენებას სამუშაო სადგურის კლასის სისტემებში. MOK2-ში დინამიკის ალგორითმის საფუძველი ემყარება სფერულ ტონებს, მათემატიკოსთა და ფიზიკოსთა საყვარელ ფუნქციას, რომელიც უნდა წარმოადგენდეს ფუნქციებს, როგორც მნიშვნელობებს სფეროს ზედაპირზე. მეთოდი აკონვერტებს სფეროს მონაცემებს კომპაქტურ, ზუსტ გამოსახულებად. დედამიწის ზედაპირზე 128x64 წერტილიანი ბადის მონაცემები შეიძლება წარმოდგენილი იყოს მხოლოდ 882 რიცხვის (კოეფიციენტების) გამოყენებით 8192-ის ნაცვლად. ეს მეთოდი დიდი ხანია დომინირებს მეთოდის არჩევაში ამინდისა და კლიმატის მოდელებისთვის სფერული ჰარმონიული წარმოდგენის სიზუსტისა და ეფექტურობის გამო. ტრანსფორმაციის გამოსათვლელად გამოყენებული მეთოდებიდან. ტრანსფორმაცია არის "გლობალური" მეთოდი იმ გაგებით, რომ ის ითხოვს მონაცემებს მთელი მსოფლიოდან ერთი ჰარმონიული კოეფიციენტის გამოსათვლელად. პარალელურ კომპიუტერებში განაწილებული მეხსიერებით, ეს გამოთვლები მოითხოვს კომუნიკაციას ყველა პროცესორს შორის. იმის გამო, რომ კომუნიკაციები ძვირია პარალელურ კომპიუტერში, ბევრი ფიქრობდა, რომ კონვერტაციის მეთოდი მოძველდა.
ORNL-ის შემდგომმა კვლევამ იპოვა გამოთვლების ორგანიზების გზები, რომლებიც საშუალებას აძლევს კლიმატის მოდელს იმუშაოს უზარმაზარ პარალელურ კომპიუტერებზე.
სანამ ORNL მკვლევარები ჩაერთვებოდნენ, მოდელებში პარალელიზმი შემოიფარგლებოდა საერთო მეხსიერების პარადიგმით, რომელიც იყენებდა მხოლოდ რამდენიმე პროცესორს, 1-დან 16-მდე. სპექტრალური ტრანსფორმაციისთვის საჭირო გლობალური კომუნიკაციის გამო, განაწილებული მეხსიერების პარალელური კომპიუტერები პერსპექტიულად არ გამოიყურებოდა. თუმცა, ORNL-ის შემდგომმა კვლევამ იპოვა გამოთვლების ორგანიზების გზები, რაც მთლიანად ცვლის ჩვენს გაგებას და შესაძლებელს გახდის MOC2-ის დანერგვას უზარმაზარ პარალელურ კომპიუტერებზე.
ჩვენმა კვლევამ გამოავლინა რამდენიმე პარალელური ალგორითმი, რომელიც ინარჩუნებს კონვერტაციის მეთოდს კონკურენტუნარიანად მაშინაც კი, როდესაც ORNL იყენებს მრავალ პროცესორს, როგორიცაა Intel Paragon XP/S 150. ამ მძლავრ აპარატს აქვს 1024 კვანძის ბარათი, თითოეულს აქვს ორი გამოთვლითი პროცესორი და საკომუნიკაციო პროცესორი. სრული IOC2 კლიმატის მოდელი შეიქმნა ამ პარალელური კომპიუტერისთვის ORNL-ის, არგონის ეროვნული ლაბორატორიისა და NCAR-ის მკვლევართა თანამშრომლობით. მას ამჟამად იყენებს ORNL-ის კომპიუტერული მეცნიერებისა და მათემატიკის განყოფილება, როგორც საფუძველი ოკეანე-ატმოსფერული კლიმატის დაწყვილებული მოდელის შემუშავებისთვის ჯანმრთელობისა და გარემოსდაცვითი კვლევის განყოფილების სპონსორობით.
ახალი თაობის პარალელური კომპიუტერების მიერ შემოთავაზებული გამოთვლითი შესაძლებლობების გაზრდით, ბევრი მკვლევარი ეძებს კლიმატის მოდელის გაუმჯობესებას.
ახალი თაობის პარალელური კომპიუტერების მიერ შემოთავაზებული გამოთვლითი შესაძლებლობების გაზრდით, ბევრი მკვლევარი ეძებს ოკეანისა და ატმოსფეროს დამაკავშირებელი მოდელების გაუმჯობესებას. მოდელირების ეს შესანიშნავი წინსვლა ერთი ნაბიჯით მიგვიყვანს კლიმატის სისტემის სრულ მოდელთან. ამ ტიპის ჩაშენებული მოდელით გაიხსნება კლიმატის კვლევის მრავალი სფერო. პირველი, დედამიწაზე ნახშირბადის ციკლის სიმულაციის გაუმჯობესებული მეთოდი გამოჩნდება. ოკეანისა და ხმელეთის პროცესები (მაგ. ტყეები და ნიადაგები) ატმოსფეროში ნახშირბადის დეპონირების წყაროებად და ადგილებად მოქმედებს. მეორეც, ატმოსფერული მოდელების გაერთიანება ოკეანის მაღალი გარჩევადობის მოდელებთან, რომლებიც მორევის საშუალებას იძლევა, მეცნიერებს საშუალებას მისცემს დააკვირდნენ კლიმატის პროგნოზირების მანამდე გაუგებარ საკითხებს. მოდელები აჩვენებენ ტიპიური ოკეანე-ატმოსფეროს ურთიერთქმედების ქცევას. ელ ნინო ურთიერთქმედების მხოლოდ ერთი რეჟიმია. ამ რეჟიმების გამოვლენა და დადგენა ხელს შეუწყობს კლიმატის პროგნოზირების პრობლემის გასაღების მოპოვებას.
ჩვენი მოდელები შეიძლება გამოყენებულ იქნას კლიმატზე ატმოსფერული ზემოქმედების საწინააღმდეგო საერთო ზემოქმედების პროგნოზირებისთვის, როგორც ადამიანის მიერ შექმნილი, ისე ბუნებრივი დათბობის გამო. სათბურის ეფექტი» და გაგრილების ეფექტი სულფატური აეროზოლების გამო. Intel-ის, IBM SP2-ის გაზრდილი გამოთვლითი სიმძლავრის გამოყენებით ანკრეის კვლევა T3D, მკვლევარებმა ეტაპობრივად უნდა იმოძრაონ ბუნებრივ პროცესებსა და ადამიანის საქმიანობას შორის რთული ურთიერთდამოკიდებულების გასაგებად, როგორიცაა წიაღისეული საწვავის წვა და ჩვენი მიწიერი სახლის კლიმატი.
კლიმატის მოდელი არის კლიმატის სისტემის მათემატიკური მოდელი.
კლიმატის სისტემის მოდელი უნდა მოიცავდეს მისი ყველა ელემენტის ფორმალიზებულ აღწერას და მათ შორის კავშირებს. საფუძველს წარმოადგენს თერმოდინამიკური დიზაინი, რომელიც დაფუძნებულია კონსერვაციის კანონების მათემატიკურ გამონათქვამებზე (იმპულსი, ენერგია, მასა, აგრეთვე წყლის ორთქლი ატმოსფეროში და მტკნარი წყალი ოკეანეში და ხმელეთზე). კლიმატის მოდელის ეს მაკრობლოკი საშუალებას გვაძლევს გავითვალისწინოთ ენერგიის მოსვლა გარედან და გამოვთვალოთ პლანეტის კლიმატის შედეგად მიღებული მდგომარეობა.
თერმოდინამიკური პროცესების მოდელირება აუცილებელი, მაგრამ არა საკმარისი პირობაა კლიმატის რეჟიმის სრული რეპროდუქციის უზრუნველსაყოფად. მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ზოგიერთი ქიმიური პროცესი და გეოქიმიური კონტაქტები კლიმატის სისტემის ელემენტებს შორის. ამ შემთხვევაში ისინი საუბრობენ ციკლებზე ან ციკლებზე - ეს არის ნახშირბადის ციკლი ოკეანეში, ჟანგბადის (და სხვა: ქლორის, ბრომის, ფტორის, წყალბადის) ოზონის ციკლები სტრატოსფეროში, გოგირდის ციკლი და ა.შ. კლიმატის მოდელში ადგილი უნდა დაიკავოს კლიმატურად მნიშვნელოვანი ქიმიური პროცესების მაკრობლოკმა.
კლიმატის სისტემაში მესამე მაკრობლოკი უნდა მოიცავდეს კლიმატის ფორმირების პროცესებს, რომლებიც უზრუნველყოფილია ხმელეთზე და ოკეანეში ცოცხალი ორგანიზმების აქტივობით. ამ ძირითადი რგოლების სინთეზი უნდა იყოს იდეალური კლიმატის მოდელი.
მოდელები უნდა შეიქმნას კლიმატის ფორმირებაში ჩართული პროცესების დამახასიათებელი დროის გათვალისწინებით. ერთი მოდელის შექმნა, რომელსაც შეუძლია ნებისმიერ დროში მუშაობა, თუ შეუძლებელი არაა, მაშინ მაინც არაპრაქტიკულია გამოთვლითი ხარჯების თვალსაზრისით. ამიტომ მიღებულია მოდელების შექმნის პრაქტიკა გარკვეული მასშტაბის კლიმატური პროცესების აღწერისთვის. მოდელირებისთვის არჩეული შკალის გარეთ, ნელი პროცესების მხარეს, გამოიყენება მუდმივი სასაზღვრო პირობები და პარამეტრები (ითვლება, რომ ცვლილებები ძალიან ნელია შესწავლილებთან შედარებით). უფრო მცირე მასშტაბით, მიღებულია, რომ ხდება "სწრაფი" შემთხვევითი რყევები, რომელთა დეტალური აღწერა შეიძლება შეიცვალოს მიღებული ეფექტების სტატისტიკური განხილვით (მაგალითად, საშუალო მდგომარეობის გრადიენტების მეშვეობით, როგორც ეს ნახევრად ემპირიულ თეორიაშია გავრცელებული. ტურბულენტობის).
ზოგადი პრინციპები, რომლებიც ემყარება იდეალურ მოდელს, შეიძლება განხორციელდეს სისრულის სხვადასხვა ხარისხით. ამრიგად, თანამედროვე მოდელები წარმოადგენს უკიდურესად ფრაგმენტულ ბიოლოგიურ ეფექტებსა და ქიმიურ პროცესებს. ეს ნაწილობრივ განპირობებულია იმით, რომ მოდელები შეიქმნა მოკლევადიანი კლიმატის ცვლილებების შესწავლაზე, როდესაც გრძელვადიანი (მაგალითად, გეოქიმიური) ეფექტები შეიძლება ხასიათდებოდეს მუდმივთა სიმრავლით. ამიტომ, თანამედროვე კლიმატის მოდელები, ძირითადად, თერმოდინამიკური მოდელებია. ზოგიერთ შემთხვევაში მათ ემატება ქიმიური ან ბიოლოგიური ბლოკები უკუკავშირის შეზღუდული ნაკრებით.
თერმოდინამიკური მოდელები, თავის მხრივ, მნიშვნელოვნად განსხვავდება პროცესების აღწერის დეტალების ხარისხით. ზოგი დაფუძნებულია გამარტივებულ გამონათქვამებზე, ზოგი იყენებს „სრულ“ მათემატიკურ ფორმებს ძირითადი ფიზიკური კანონების ჩაწერისთვის. ამის შესაბამისად, თითოეული მოდელი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს ალგორითმების გარკვეული ნაკრების სახით, რომელთაგან ზოგიერთს აქვს მკაფიო მათემატიკური და ფიზიკური დასაბუთება (და ამ თვალსაზრისით უზადოა), ხოლო მეორე ნაწილი არის ფენომენოლოგიური, სიმულაციური ბუნება. ეს არის ეგრეთ წოდებული პარამეტრიზაცია.
განსხვავებები "სრულ" და გამარტივებულ მოდელებს შორის ვლინდება იმით, რომ პირველებს აქვთ უფრო მდიდარი ფიზიკური შინაარსი. ამის გამო, უკუკავშირების დიაპაზონი უფრო ფართოა, რომლებიც ავტომატურად სრულდება სისტემაში. გამარტივებულ მოდელებში საჭირო უკუკავშირი უნდა იყოს „ხელით ჩასმული“, ანუ ძალით, ხშირად ღრმა დასაბუთების გარეშე, განტოლებებს უნდა დაემატოს გარკვეული დამოკიდებულებები. ამ ტიპის პროცედურები ამცირებს მოდელირების ღირებულებას, ვინაიდან უკუკავშირის მოდელის ხელოვნური დაწესება რეალურად წინასწარ განსაზღვრავს მოდელირების შედეგს აპრიორი. გარდა ამისა, მითითებული კავშირი ყოველთვის, ამა თუ იმ ფორმით, ეფუძნება ინფორმაციას კლიმატის ამჟამინდელი მდგომარეობის შესახებ და სხვა კლიმატურ პირობებში გადასვლისას, გარანტირებული არ არის, რომ ასეთი დიზაინი საიმედო შედეგებს მოგცემთ. აქედან გამომდინარე, მოდელების გაუმჯობესება არ არის თვითმიზანი, არამედ გზა არსებული მექანიზმების ფიზიკურად უფრო სრულყოფილი რეპროდუქციულობისკენ.
თუმცა, ეფექტების დაზუსტების სრულად მიტოვება მხოლოდ იდეალურ მოდელში იქნება შესაძლებელი. თანამედროვე მოდელები არ შეიცავს მნიშვნელოვან ბიოლოგიურ და ქიმიურ ეფექტებს, რომლებიც პარამეტრიზაციას საჭიროებს.
"სრული" მოდელების ერთი შეხედვით აშკარა უპირატესობის მიუხედავად, გამარტივებული მოდელები კვლავაც გამოიყენება და ვითარდება. ეს გამოწვეულია შემდეგი მიზეზების გამო. ჯერ ერთი, ეგრეთ წოდებული "სრული" მოდელები, ფაქტობრივად, როგორც უკვე აღვნიშნეთ, შორს არის დასრულებისგან, მათში შემავალი ზოგიერთი პარამეტრიზაცია ძალიან უხეშია და ეს არის ცალკეული ბლოკების არასრულყოფილება, რომელიც განსაზღვრავს მოდელის არასრულყოფილებას. მთელი. მეორეც, გამარტივებული მოდელები უფრო მარტივია, მათი პრაქტიკული განხორციელება ბევრად, ფუნდამენტურად უფრო ადვილია, ვიდრე "სრული" მოდელები. ისინი საჭიროებენ უფრო დაბალ (მაგნიტუდის ბრძანებით!) კომპიუტერის სიჩქარეს და, შესაბამისად, შესაძლებელია გრძელი კომპიუტერული ექსპერიმენტების ჩატარება, წინასწარი გამოთვლების ჩატარება და ახალი პარამერიზაციის სქემების ტესტირება. მეოთხე, გამარტივებული მოდელები იძლევა ბევრად უფრო მკაფიო და ადვილად ინტერპრეტაციას შედეგებს, ვიდრე „სრული“ მოდელები. შედეგების ეს „გამჭვირვალობა“ ზოგჯერ შესაძლებელს ხდის ნებისმიერი ინდივიდუალური ეფექტის შესწავლას გამარტივებული მოდელის გამოყენებით - მაგალითად, თერმული რეჟიმისა და ზედაპირის ალბედოს პირდაპირი და უკუკავშირის იზოლირება, კვალი გაზის მინარევების რადიაციული ეფექტების გულდასმით შესწავლა. და ა.შ.
თუ კლიმატის მოდელებს დავახარისხებთ მათი ფიზიკური სისრულის ხარისხის მიხედვით და, ამავე დროს, სირთულის მიხედვით, ასევე კომპიუტერულ რესურსებზე მზარდი მოთხოვნების მიხედვით (სიჩქარე, გაცვლითი კურსი გარე მოწყობილობებთან), მაშინ უმარტივესი იქნება სახელწოდებით Budyko-Sellers ტიპის მოდელები, რასაც მოჰყვება მოდელები „შუალედური სირთულის“ და ბოლოს სრული კლიმატის მოდელები.
ყველა მოდელი, სანამ დაიწყებს გამოყენებას კლიმატის ცვლილების დიაგნოსტიკისა და პროგნოზირების მიზნით, გადის ვალიდაციის ეტაპს. ის მოიცავს შემოწმებას, შეუძლიათ თუ არა მოდელებს მოცემული ნაკრებიპარამეტრები, რომლებიც შეესაბამება კლიმატის ფორმირების ფაქტორების ამჟამინდელ მდგომარეობას და ადეკვატურად ასახავს არსებულ კლიმატს რეალურად. თუ ეს საკმაოდ წარმატებით გაკეთდა, მაშინ შეგვიძლია ასე ვიმსჯელოთ: თუ მოდელს შეუძლია სწორად უპასუხოს გარე პირობების მოცემულ (შემთხვევით, ზოგადად რომ ვთქვათ) ერთობლიობას, მაშინ ის თანაბრად წარმატებით ამრავლებს პირობებს, რომლებიც შეესაბამება სხვადასხვა კომპლექტს. პარამეტრები. ბუნებრივია რომ ამ მდგომარეობასდამაჯერებელი იქნება მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ მოდელი ჩაითვლება დასრულებულად, ანუ ყოველგვარი რეგულირების პარამეტრისა და კავშირის გარეშე.
ენერგეტიკული ბალანსის მოდელები (Budyko-Sellers ტიპის მოდელები) დაფუძნებულია კლიმატის სისტემის ენერგეტიკული ბიუჯეტის განტოლების გამარტივებულ გამოხატულებაზე, რომელშიც მხოლოდ ერთი რაოდენობა მოქმედებს როგორც უცნობი რაოდენობა - ტემპერატურა. ამ ტიპის მოდელებზე დაყრდნობით, პირველად გამოვლინდა უკუკავშირის ეფექტურობა თერმულ რეჟიმსა და ზედაპირულ ალბედოს შორის. არსებობს მოდელების ერთგანზომილებიანი (ტემპერატურა განედთან მიმართებაში) და ორგანზომილებიანი (გრძედი და გრძედი) ვერსიები.
აშკარაა შუალედური სირთულის მოდელების დადებითი ასპექტები. ისინი არ აწესებენ სპეციალურ მოთხოვნებს გამოთვლით ტექნოლოგიაზე და, შესაბამისად, მათი გამოყენება შესაძლებელია გრძელვადიანი ექსპერიმენტების ჩასატარებლად; მიღებული შედეგები, ისევე როგორც ნებისმიერი „მარტივი“ მოდელი, საკმარისად ნათელია ინტერპრეტაციისთვის. ნაკლოვანებები ასევე გასაგებია - მთავარი ის არის, რომ არ არსებობს ნდობა, შეუძლიათ თუ არა გამარტივებულ მოდელებს კლიმატის რეპროდუცირება კლიმატის ფორმირების პირობებში, გარდა თანამედროვე.
მოდელების შემუშავების შემდეგი ეტაპი არის ე.წ. ზოგადი ატმოსფერული ცირკულაციის მოდელები. ეს სახელი ენიჭება გლობალურ სამგანზომილებიან მოდელებს ე.წ სრული განტოლებებითერმოჰიდროდინამიკა. AGCM-ის სივრცითი გარჩევადობა მერყეობს დაახლოებით 200x200 კმ გრძედი და განედი და დაახლოებით 20 დონე ~ 30x30 კმ და 60 დონე ატმოსფეროში. უკვე 90-იან წლებში მიღწეული იქნა ოპტიმალური AGCM სტრუქტურის გაგება, რამაც კომპრომეტირება მოახდინა მოდელირების ამოცანებსა და კომპიუტერულ რესურსებზე.
კლიმატის მოდელების გაუმჯობესება მიმდინარეობს ოკეანის მოდელირების გაუმჯობესების გზაზე. უკვე ჩნდება მოდელები რამდენიმე ათეული კილომეტრის გარჩევადობით რამდენიმე ათეული ვერტიკალური დონეებით, რომლებსაც აქვთ მოდელებისთვის ყველაზე მნიშვნელოვანი თვისება - ოკეანეში მორევები, ძირითადი მიმოქცევა და ენერგიის მატარებელი წარმონაქმნები, მათში ავტომატურად მრავლდება. , პარამეტრიზაციის გამოყენების გარეშე.
სუშის ბლოკის განვითარება გზაზეა დეტალური აღწერაჰიდროლოგიური პროცესები და სითბოს და ტენის გაცვლა მიწასა და ატმოსფეროს შორის მცენარეული საფარის როლის გათვალისწინებით. ზოგიერთ შემთხვევაში, მოდელების ორიენტაციის მიხედვით, კონტინენტური გამყინვარების დინამიკის ბლოკები მიმაგრებულია AGCM-ზე.
მოდელების შემდგომი განვითარება გულისხმობს სიმულირებული ველების დეტალების შემდგომ გაზრდას. ეს მოითხოვს ფიზიკოსების, მათემატიკოსების და თანამედროვე კომპიუტერების არქიტექტურის სპეციალისტების ერთობლივ ძალისხმევას, ზოგადად, გაურკვეველია, მიგვიყვანს თუ არა ეს მოდელის სასურველ ფიზიკურ „სისრულემდე“ მის იდეალთან მიახლოებამდე. პრობლემები დაუყოვნებლივ წარმოიქმნება პროცესების შემდგომ, უფრო ღრმად განხილვისას, პრობლემები დაკვირვების მონაცემების არასაკმარისი ქსელში და ა.შ. ამგვარად, ფუნდამენტური გადასვლა რეინოლდსის განტოლებიდან, რომელიც გამოიყენება ფართომასშტაბიანი დინამიკის აღსაწერად, ნავიე-სტოკსის განტოლებამდე გამოიწვევს. ახალი პრობლემები, კერძოდ, საჭირო იქნება დეტალური ინფორმაცია მოლეკულური სიბლანტის კოეფიციენტის სივრცითი განაწილების შესახებ და ა.შ.
შესავალი
თანამედროვე კლიმატის თეორიის ცენტრალური პრობლემა არის ანთროპოგენური აქტივობებით გამოწვეული კლიმატის ცვლილებების პროგნოზირების პრობლემა. კლიმატის სისტემის სპეციფიკური თავისებურებების გამო, რომელიც ქვემოთ იქნება განხილული, ამ პრობლემის გადაჭრა შეუძლებელია ტრადიციული მეთოდებით, რომლებიც არაერთხელ იქნა გამოცდილი. ნატურალური მეცნიერება. შეიძლება ითქვას, რომ მთავარი მეთოდოლოგიური საფუძველიამ პრობლემის ამჟამინდელი გადაწყვეტა არის კლიმატის სისტემის რიცხვითი მოდელირება გლობალური კლიმატის მოდელების გამოყენებით, რომლებიც დაფუძნებულია ატმოსფეროსა და ოკეანის ზოგადი მიმოქცევის გლობალურ მოდელებზე. ბუნებრივია, კლიმატის მოდელების ფორმულირება მოითხოვს სრულმასშტაბიანი ექსპერიმენტების ჩატარებას, რომელთა შედეგების ანალიზი საშუალებას გვაძლევს ჩამოვაყალიბოთ კონკრეტული ფიზიკური პროცესების უფრო ზუსტი მოდელები, რომლებიც განსაზღვრავენ კლიმატის სისტემის დინამიკას. თუმცა, ასეთი ექსპერიმენტები არ წყვეტს მთავარ პრობლემას - რეალური კლიმატის სისტემის მგრძნობელობის დადგენა მცირე გარე გავლენის მიმართ.
კლიმატური სისტემა და კლიმატი
კლიმატი გულისხმობს ამინდის ყველაზე ხშირად განმეორებად სქემებს მოცემულ ტერიტორიაზე, რაც ქმნის ტემპერატურის, ტენიანობის და ატმოსფერული ცირკულაციის ტიპიურ რეჟიმს. ამავე დროს, "ტიპიური" ეხება იმ თვისებებს, რომლებიც პრაქტიკულად უცვლელი რჩება ერთი თაობის განმავლობაში, ე.ი. დაახლოებით 30-40 წელი. ეს მახასიათებლები მოიცავს არა მხოლოდ საშუალო მნიშვნელობებს, არამედ ცვალებადობის მაჩვენებლებს, როგორიცაა, მაგალითად, ტემპერატურის მერყეობის ამპლიტუდა. ასეთ ხანგრძლივ პროცესებთან ურთიერთობისას შეუძლებელია რომელიმე ტერიტორიის კლიმატის განხილვა იზოლირებულად. სითბოს გაცვლისა და ჰაერის მიმოქცევის გამო მის ფორმირებაში მთელი პლანეტა მონაწილეობს. აქედან გამომდინარე, ბუნებრივია პლანეტა დედამიწის კლიმატის ცნების გამოყენება. ასე რომ, ეს არ არის იმდენად გლობალური კლიმატი, რომელიც შედგება ადგილობრივი კლიმატებისგან, არამედ ის, რომ ადგილობრივი კლიმატი განისაზღვრება გლობალური კლიმატით. და ამინდი და არა კლიმატის ცვლილება განისაზღვრება ფენომენებით, რომლებიც ხდება მხოლოდ ატმოსფეროში, არამედ სხვა გეოსფეროებშიც. ატმოსფეროზე გავლენას ახდენს არა მხოლოდ ოკეანე, მცენარეულობა, თოვლი და ყინულის საფარი, ნიადაგი და ადამიანის შემდგომი საქმიანობა. ამრიგად, კლიმატის სისტემა მოიცავს ატმოსფეროს, ისევე როგორც გეოგრაფიული გარსის სხვა ელემენტების პროცესებსა და თვისებებს, რომლებიც გავლენას ახდენენ ატმოსფეროზე და დამოკიდებულია მასზე. გარეგანი ფენომენები, შინაგანისგან განსხვავებით, გავლენას ახდენს ატმოსფეროზე, მაგრამ არ არის დამოკიდებული მასზე. ეს არის, მაგალითად, რადიაცია, რომელიც მოდის კოსმოსიდან.
კლიმატის სისტემის, როგორც ფიზიკური ობიექტის მახასიათებლები
კლიმატის სისტემას, როგორც ფიზიკურ ობიექტს, აქვს მთელი რიგი სპეციფიკური მახასიათებლები.
1. სისტემის ძირითადი კომპონენტები - ატმოსფერო და ოკეანე - გეომეტრიული თვალსაზრისით შეიძლება მივიჩნიოთ თხელ ფენებად, ვინაიდან ვერტიკალური და ჰორიზონტალური მასშტაბის შეფარდება არის 0,01 - 0,001 ბრძანებით. ამრიგად, სისტემა არის კვაზიორგანზომილებიანი, თუმცა, ვერტიკალური სიმკვრივის სტრატიფიკაცია ძალზე მნიშვნელოვანია და ფართომასშტაბიანი ვერტიკალური მოძრაობები პასუხისმგებელია ბაროკლინიკური ენერგიის გარდაქმნებზე. ენერგეტიკულად მნიშვნელოვანი ფიზიკური პროცესების დამახასიათებელი დროის მასშტაბები მერყეობს 1 საათიდან ათეულ და ასეულ წლამდე. ყოველივე ეს იწვევს იმ ფაქტს, რომ ასეთი სისტემის ლაბორატორიული მოდელირება, რბილად რომ ვთქვათ, უკიდურესად რთულია.
2. კლიმატის სისტემით მიზნობრივი ფიზიკური ექსპერიმენტის ჩატარება შეუძლებელია. მართლაც, ჩვენ არ შეგვიძლია კლიმატის სისტემის ამოტუმბვა, მაგალითად, ნახშირორჟანგით და, სხვა პირობების თანაბარ პირობებში, გავზომოთ მიღებული ეფექტი.
3. ჩვენ ხელთ გვაქვს მხოლოდ დაკვირვების მონაცემების მოკლე სერიები და მაშინაც მხოლოდ კლიმატის სისტემის ცალკეული კომპონენტების შესახებ. რა თქმა უნდა, კლიმატის სისტემის მრავალი სხვა მნიშვნელოვანი მახასიათებელია, რაც გასათვალისწინებელია, თუმცა ზემოთ ჩამოთვლილიც კი გვაძლევს საშუალებას დავასკვნათ, რომ კლიმატის სისტემის შესწავლის მთავარი საშუალება მათემატიკური მოდელირებაა. გამოცდილება ბოლო წლებშიაჩვენებს, რომ კლიმატის თეორიის ძირითადი შედეგები მიღებული იქნა გლობალური კლიმატის მოდელების აგების და გამოყენების საფუძველზე.
კლიმატის სისტემის მათემატიკური მოდელები
ამ ნაწილში მოკლედ განვიხილავთ ძირითად პრინციპებს, რომლებზეც ეფუძნება თანამედროვე კლიმატის მოდელების მშენებლობა. თანამედროვე კლიმატის მოდელები არის მოდელები, რომლებიც ეფუძნება ატმოსფეროსა და ოკეანის ზოგადი მიმოქცევის თანამედროვე მოდელს და მათი განვითარების ცენტრალური მიმართულება არის კლიმატის ფორმირებაში ჩართული ყველა ფიზიკური პროცესის უფრო ზუსტი აღწერა. თანამედროვე კლიმატის მოდელების მშენებლობა ეფუძნება მთელ რიგ პრინციპებს. ვარაუდობენ, რომ კლასიკური წონასწორობის თერმოდინამიკის განტოლებები ადგილობრივად მოქმედებს. გარდა ამისა, ვარაუდობენ, რომ ნავიე-სტოქსის განტოლებები შეკუმშვადი სითხისთვის მართებულია ატმოსფეროსა და ოკეანის დინამიკის აღსაწერად. ვინაიდან თანამედროვე მოდელებში, ძირითადად გამოთვლითი შესაძლებლობების გამო, გამოიყენება რეინოლდსის განტოლებები - ნავიერ-სტოქსის განტოლებები, რომლებიც საშუალოდ არის განსაზღვრული სივრცითი და დროითი მასშტაბებით, ითვლება, რომ არსებობს მათი დახურვის ფუნდამენტური შესაძლებლობა. დახურვის პროცედურა ვარაუდობს, რომ ქვექსელის მასშტაბის პროცესების ეფექტი (საშუალო მასშტაბზე მცირე მასშტაბები) შეიძლება გამოიხატოს ფართომასშტაბიანი პროცესების მახასიათებლებით. ეს პროცესები მოიცავს:
1) რადიაციის გადაცემა (მოკლეტალღოვანი და გრძელტალღოვანი გამოსხივება);
2) ტენიანობის ფაზური გადასვლები და ადგილობრივი დალექვის პროცესი;
3) კონვექცია;
4) სასაზღვრო და შიდა ტურბულენტური ფენები (ამ ფენების ზოგიერთი მახასიათებელი აშკარად არის აღწერილი);
5) მცირე ზომის ოროგრაფია;
6) დამახასიათებელი წინაღობა(მცირე მასშტაბის გრავიტაციული ტალღების ურთიერთქმედება ძირითად ნაკადთან);
7) მცირე მასშტაბის გაფანტვა და დიფუზია;
8) მცირე მასშტაბის პროცესები მიწის აქტიურ ფენაში.
დაბოლოს, ფართომასშტაბიანი ატმოსფერული და ოკეანეური მოძრაობების აღსაწერად მოქმედებს ჰიდროსტატიკური მიახლოება: ვერტიკალური წნევის გრადიენტი დაბალანსებულია გრავიტაციით. ასეთი მიახლოების გამოყენება მოითხოვს დამატებით გამარტივებებს (დედამიწის მუდმივი რადიუსი, კორიოლისის ძალის კომპონენტების უგულებელყოფა სიჩქარის ვერტიკალურ კომპონენტთან), რათა ენერგიის შენარჩუნების კანონი დაკმაყოფილდეს განტოლებათა სისტემაში არარსებობის შემთხვევაში. ენერგიის გარე წყაროები და გაფრქვევა. ატმოსფეროსა და ოკეანის ჰიდროთერმოდინამიკის განტოლებები, ქვექსელის მასშტაბის პროცესების დახურვა და სასაზღვრო პირობები.
I. გლობალური ამოხსნადობის თეორემა ნებისმიერ, თუმცა დიდი დროის ინტერვალზე t.
სამწუხაროდ, სფერულ კოორდინატთა სისტემაში „სწორი“ სასაზღვრო პირობებით ამჟამად არ არსებობს ასეთი თეორემა, რაც არ არის ასეთი თეორემების არარსებობის შედეგი ნავიე-სტოქსის სამგანზომილებიანი განტოლებისთვის. თანამედროვე კლიმატის მოდელების განტოლებებს აქვს "2.5" განზომილება, ვინაიდან ჰიდროსტატიკური განტოლება გამოიყენება მოძრაობის სრული მესამე განტოლების ნაცვლად.
II. გლობალური მიმზიდველის არსებობა.
ეს განცხადება დასტურდება იმ პირობით, რომ S არის მკაცრად დადებითი განსაზღვრული ოპერატორი:
(Sϕ ϕ) ≥ μ(ϕ,ϕ), μ >0
პრობლემა ის არის, რომ ზოგად შემთხვევაში ეს არ შეიძლება ჩაიწეროს, რადგან შეკუმშვადი სითხის უწყვეტობის განტოლება არ არის დისპაციური.
III. მიმზიდველი განზომილება.
ამ კლასის მოდელებისთვის მიმზიდველების განზომილების კონსტრუქციული შეფასებები ძალიან უხეშია. ისინი წარმოადგენენ ზედა საზღვრებს, რომლებიც, ზოგადად, უვარგისია წინა ნაწილში განხილული თეორიისთვის.
უკრაინის განათლებისა და მეცნიერების სამინისტრო
ოდესის სახელმწიფო ეკოლოგიური უნივერსიტეტი
OGECU სტუდენტურ სამეცნიერო კონფერენციაზე
„კლიმატის მოდელების ანალიზი გამოყენებით ფიზიკური მეთოდები»
დამზადებულია ს.კ. VB-11
სმოკოვა ვ.დ.
სამეცნიერო ხელმძღვანელი: ტექნიკის მეცნიერებათა დოქტორი
რომანოვა რ.ი.
ოდესა-2015წ
ბიბლიოგრაფია:
http://umeda.ru/concept_climate
http://www.inm.ras.ru/vtm/lection/direct2/direct2.pdf
ვოლოდინი E.M., Diansky N.A. ატმოსფერო-ოკეანის საერთო მიმოქცევის მოდელის პასუხი ნახშირორჟანგის დონის მატებაზე.
ვოლოდინი E.M., Diansky N.A. კლიმატის ცვლილების სიმულაცია მე-20-22 საუკუნეებში შეწყვილებული ატმოსფერო-ოკეანე ზოგადი ცირკულაციის მოდელის გამოყენებით.
გრიცუნ ა.ს., დიმნიკოვი ვ.პ. ბაროტროპული ატმოსფეროს რეაქცია მცირე გარე გავლენებზე. თეორია და რიცხვითი ექსპერიმენტები.
Dymnikov V.P., Lykosov V.N., Volodin E.M., Galin V.Ya., Glazunov A.V., Gritsun A.S., Diansky N.A., Tolstykh M.A., Chavro A. .AND. კლიმატის მოდელირება და მისი ცვლილებები. - IN: " თანამედროვე საკითხებიგამოთვლითი მათემატიკა და მათემატიკური მოდელირება",
ზედაპირის საშუალო წლიური დათბობის გეოგრაფიული განაწილება 21-ე საუკუნის ბოლოს. წარმოდგენილია RCP4.5 სცენარისთვის 21 კლიმატის მოდელის ანსამბლის (CMIP5 მოდელები) საშუალო გამოთვლების შედეგები. ნაჩვენებია ტემპერატურის ცვლილებები 2080 - 2099 წლებში. 1980 - 1999 წწ. CMIP5 მოდელები და RCP ოჯახის სცენარები გამოიყენება (და დეტალურად არის აღწერილი) კლიმატის ცვლილების მთავრობათაშორისი პანელის მეხუთე შეფასების ანგარიშში (2013, 2014)
რუკა: ლიუბა ბერეზინა
კლიმატის პროგნოზირება, კლიმატის ცვლილების შედეგების ჩათვლით, კლიმატის მეცნიერების ცენტრალური ამოცანაა. კლიმატის მეცნიერების ყველა სფერო ექვემდებარება ამ ამოცანას - დაწყებული კლიმატის სისტემის დაკვირვების მონაცემების ანალიზიდან და ინტერპრეტაციიდან დაწყებული, გარე გავლენისა და პროგნოზირებადობისადმი მისი მგრძნობელობის შესწავლამდე. კლიმატის სისტემის ქცევა განისაზღვრება ხუთი კომპონენტის ურთიერთქმედებით - ატმოსფერო, ოკეანე, კრიოსფერო, ბიოსფერო და მიწის აქტიური ფენა. ამ კომპონენტების დამახასიათებელი რელაქსაციის დრო გარე გავლენის მიმართ განსხვავდება სიდიდის რამდენიმე რიგით. ამ გარემოში თანდაყოლილი პროცესების არაწრფივობისა და წარმოქმნილი უკუკავშირების მრავალფეროვნების გამო, კლიმატის სისტემაში ბუნებრივი რხევები აღფრთოვანებულია სხვადასხვა დროის მასშტაბით. გარე გავლენის (როგორც ანთროპოგენური, ისე ბუნებრივი) გავლენის ქვეშ ასეთი რთული სისტემის ქცევის გასაგებად და პროგნოზირებისთვის აუცილებელია კლიმატის სისტემის ფიზიკური და მათემატიკური მოდელების გამოყენება, რომლებიც აღწერენ ამ გარემოში მიმდინარე პროცესებს საიმედოობის საკმარისი ხარისხით. და დეტალი. კლიმატის მოდელის აგება იწყება განტოლებათა სისტემის განსაზღვრით, რომელიც წარმოადგენს კლიმატის სისტემაში მოქმედი ფიზიკის კანონების მათემატიკურ აღწერას. ძირითადი კანონები კარგად არის ცნობილი - ნიუტონის მეორე კანონი, თერმოდინამიკის პირველი კანონი, მასის შენარჩუნების კანონი და ა.შ. თუმცა, როდესაც გამოიყენება სფეროზე მოძრავ სითხეებზე (და გონივრული მიახლოებით, ეს მოიცავს როგორც ატმოსფეროს, ასევე ოკეანე), ამ კანონების მათემატიკური წარმოდგენა უფრო რთული ხდება. შეუძლებელია შესაბამისი ნაწილობრივი დიფერენციალური განტოლებების ანალიზური ამოხსნა. კომპიუტერულ გამოთვლებს უნდა მივმართოთ. კომპიუტერის დავალება შეიძლება გაადვილდეს სხვადასხვა გზები, დაწყებული განტოლებათა ორიგინალური სისტემის გამარტივებიდან (მაგალითად, პროცესების გამორიცხვით, რომლებიც არ არის მნიშვნელოვანი ამოცანის ფარგლებში), გამოთვლითი ალგორითმების ოპტიმიზაცია (მაგალითად, სივრცითი გარჩევადობის შემცირებით) და დამთავრებული კომპიუტერული პროგრამის გაუმჯობესებით (მიღებით გაითვალისწინეთ კონკრეტული კომპიუტერის პროცესორების რაოდენობა, მეხსიერების რაოდენობა და ა.შ.). ცხადია, განტოლებათა საწყისი სისტემის განსაზღვრა ფიზიკოსის ამოცანაა, ალგორითმის შემუშავება მათემატიკოსის, ხოლო კომპიუტერული პროგრამის შექმნა პროგრამისტის ხელოვნებაა. ამ მიზეზით, არ არის საკმარისი ერთი ადამიანის მიერ კლიმატის მოდელის შექმნა, მისი გამოყენებით კვლევის ჩატარება და რაც მთავარია, შედეგების ანალიზი. კლიმატის მოდელირება არის ამოცანა, რომელსაც მხოლოდ სპეციალისტთა ჯგუფი შეუძლია გაუმკლავდეს. კლიმატის მოდელის განვითარებასთან ერთად სულ უფრო მეტი სპეციალისტის საჭიროება ჩნდება - ქიმიკოსები, ბიოლოგები და ა.შ. ამრიგად, კლიმატის მოდელები, როგორც დღეს ამბობენ, დედამიწის სისტემის მოდელებად იქცევა. კომპიუტერული ტექნოლოგიების სწრაფი განვითარების მიუხედავად, გლობალური მოდელების გამოყენებით მიღებული მომავალი კლიმატის ცვლილების შეფასებებში სივრცითი დეტალების საჭიროება აიძულებს მკვლევარებს მიმართონ რეგიონალური კლიმატის მოდელების გამოყენებას. ასეთ მოდელებში, რეგიონის საზღვრებში, მითითებულია გლობალური მოდელის გამოყენებით მიღებული სიმულაციური რაოდენობების მნიშვნელობები და ისინი "ხელახლა გამოითვლება" ამ რეგიონისთვის უფრო მაღალი სივრცითი გარჩევადობით.
მოსალოდნელი ცვლილებები (%) ზაფხულის ექსტრემალურ ნალექებში (95-ე პროცენტილის ზემოთ) 21-ე საუკუნის შუა პერიოდისთვის, მიღებული სახელმწიფო გეოფიზიკური ობსერვატორიის სახელობის რეგიონალური კლიმატის მოდელის გამოყენებით. A.I. Voeikova, რომლის ორი გამოთვლითი ზონა უზრუნველყოფს რუსეთის ფედერაციის მთელი ტერიტორიის დაფარვას 25 კმ ჰორიზონტალური გარჩევადობით.
რუკა: ლიუბა ბერეზინა
მოდელების სივრცითი გარჩევადობის გაუმჯობესების აუცილებლობის გარდა, კლიმატის მოდელირების განვითარების ამჟამინდელი პრიორიტეტები დაკავშირებულია დამატებითი ინტერაქტიული კომპონენტების ჩართვასთან. უფრო მეტიც, ვინაიდან კლიმატის სისტემის მომავალ ცვლილებებში გარკვეული გაურკვევლობა გამოწვეულია მისივე ცვალებადობით და არ შეიძლება აღმოიფხვრას გაუმჯობესებული მოდელებით, აუცილებელია ამ თანდაყოლილი გაურკვევლობის გამოკვლევა ალბათურ სივრცეში. ამ მიზნით, აუცილებელია ანსამბლის გამოთვლების განხორციელება როგორც საწყისი მდგომარეობებით, ასევე მოდელის პარამეტრებით. ექსტრემალური და იშვიათი მოვლენების რეპროდუცირება ასევე მოითხოვს მასიური ანსამბლის გამოთვლებს. დაბოლოს, კლიმატის სისტემის ზოგიერთი „ნელი“ კომპონენტის მომავალი ცვლილებების შეფასებები, როგორიცაა ყინულის ფურცლები, ან კლიმატის მახასიათებლები, როგორიცაა ზღვის დონე, საჭიროებს გრძელვადიან ციფრულ ექსპერიმენტებს. აქედან გამომდინარე, ეჭვგარეშეა, რომ უახლოეს მომავალში მაღალი ტექნოლოგიების და, უპირველეს ყოვლისა, კომპიუტერული ტექნოლოგიების განვითარება გადამწყვეტ როლს ითამაშებს კლიმატის პროგნოზირების გაუმჯობესებაში.
ამინდის რიცხვითი პროგნოზისგან განსხვავებით, რომელიც მუდმივად მოწმდება ფაქტობრივი მონაცემების მიხედვით, მოდელების ვარგისიანობა კლიმატის სისტემის მომავალი მდგომარეობის გამოსათვლელად არ შეიძლება განისაზღვროს ამ გამოთვლების რეალური შედეგების ანალიზით. მაგრამ მიზანშეწონილია ვივარაუდოთ, რომ მომავალი კლიმატის გამოთვლების სანდოობა დასტურდება მოდელის უნარით გაამრავლოს კლიმატის სისტემის ამჟამინდელი მდგომარეობა, ისევე როგორც მისი მდგომარეობა წარსულში, არსებული დაკვირვების მონაცემების შესაბამისად. თუ, გარდა თანამედროვე კლიმატისა, მოდელი ასახავს კლიმატის სისტემის მდგომარეობას შორეულ წარსულში (როდესაც გარეგანი ძალები ძალიან განსხვავდებოდა თანამედროვეებისგან), ასევე კლიმატის სისტემის ცნობილ ევოლუციას (მაგალითად, მე-20 და წინა საუკუნეებში), შეიძლება იმედი ვიქონიოთ, რომ ამ მოდელის კლიმატის ცვლილების შეფასების გამოყენებით მიღებული შედეგები სარწმუნოა მომავალი გარე იძულებითი სცენარების მიხედვით. დღეს მთელ მსოფლიოში ცნობილი გლობალური მოდელების რაოდენობა რამდენიმე ათეულია. და მათ შორის არ არსებობს მოდელი, რომელიც უკეთ აღწერს, მაგალითად, თანამედროვე კლიმატს. როგორც წესი, თითოეული მოდელი კარგად ასახავს სასურველი კლიმატის მნიშვნელობების მხოლოდ ნაწილს, დანარჩენი კი უარესად არის რეპროდუცირებული. უმაღლეს წარმატებას, როგორც წესი, აჩვენებს "საშუალო" (ანსამბლის) მოდელი. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ცალკეული მოდელების სისტემატური შეცდომები არ არის დამოკიდებული ერთმანეთზე და კომპენსირდება ანსამბლზე საშუალოდ გაანგარიშებისას. კლიმატის სცენარები მიღებული იქნა სათბურის გაზების და აეროზოლების მომავალი ემისიების სცენარებზე დაყრდნობით თანამედროვე კლიმატის მოდელების გამოყენებით. მაგრამ აუცილებელია გავითვალისწინოთ, რომ უახლოეს ათწლეულებში კლიმატის ცვლილების შეფასებებში გაურკვევლობის მნიშვნელოვანი წყაროა კლიმატის ანთროპოგენური ცვლილების შედარებით მცირე რაოდენობა მისი ბუნებრივი ცვალებადობის ფონზე.
სახელობის მთავარ გეოფიზიკურ ობსერვატორიაში. ვოეიკოვამ როსჰიდრომეტმა შექმნა და იყენებს სამგანზომილებიანი პროგნოზირების სისტემას, რათა მოიპოვოს რაოდენობრივი შეფასებები მომავალი კლიმატის ცვლილებების შედეგების შესახებ რუსეთის ტერიტორიაზე და რუსეთის ფედერაციის გეოპოლიტიკური ინტერესების რეგიონებში (არქტიკა). , მეზობელი ქვეყნები). იგი მოიცავს დედამიწის კლიმატის სისტემის დაწყვილებულ გლობალურ მოდელს, რეგიონალურ კლიმატის მოდელებს სივრცითი გარჩევადობით 50 და 25 კმ, ასევე კლიმატის სისტემის ცალკეული კომპონენტების მოდელებს სივრცითი დეტალური კვლევებისთვის (მუდმივი ყინვა, მდინარის სისტემები, ატმოსფერული სასაზღვრო ფენა). მიუხედავად კლიმატის მოდელების უზარმაზარი და ამოწურული პოტენციალისა, მათი შესაძლებლობები უსაზღვრო არ არის. კლიმატის სისტემის პროგნოზირებადობასთან დაკავშირებული ბევრ კითხვაზე პასუხის გაცემა რჩება. შესაძლებელია, რომ ჩვენ არ ვაფასებთ გარკვეული ფაქტორების როლს მომავალ კლიმატის ცვლილებაში და ამ გზაზე ჯერ კიდევ გველოდება სიურპრიზები. მიუხედავად ამისა, უდავოდ, თანამედროვე კლიმატის მოდელები შეესაბამება კაცობრიობის მიერ კლიმატის სისტემის შესწავლის დროს დაგროვილი ცოდნის უმაღლეს დონეს და მათ ალტერნატივა არ არსებობს მომავალი კლიმატის ცვლილებების შეფასებაში.
არ აურიოთ პროგნოზი და სცენარი
კლიმატის სცენარი გაგებულია, როგორც კლიმატის სისტემის სარწმუნო (ან სავარაუდო) ევოლუცია მომავალში, რომელიც შეესაბამება ვარაუდებს სათბურის გაზების და ატმოსფერული სხვა დამაბინძურებლების, როგორიცაა სულფატის აეროზოლის, მომავალი ემისიების შესახებ (ემისიების სცენარით) და არსებულთან. იდეები ამ დამაბინძურებლების კონცენტრაციის ცვლილების კლიმატზე გავლენის შესახებ. შესაბამისად, კლიმატის ცვლილების სცენარი გულისხმობს განსხვავებას კლიმატის სცენარსა და კლიმატის ამჟამინდელ მდგომარეობას შორის. ვინაიდან ემისიის სცენარები ემყარება გარკვეულ ვარაუდებს კაცობრიობის მომავალი ეკონომიკური, ტექნოლოგიური, დემოგრაფიული და ა.შ. განვითარების შესახებ, კლიმატის სცენარები, ისევე როგორც კლიმატის ცვლილების სცენარები, უნდა განიხილებოდეს არა როგორც პროგნოზი, არამედ მხოლოდ შიდა თანმიმდევრული სურათი შესაძლო მომავლის შესახებ. სახელმწიფოთა კლიმატის სისტემა.არ აურიოთ კლიმატი ამინდთან
კლიმატი არის ყველა ამინდის პირობების მთლიანობა კონკრეტულ ტერიტორიაზე (რეგიონი, რეგიონი, კონტინენტი, დედამიწა) ხანგრძლივი დროის განმავლობაში. კომპლექსურ არაწრფივ სისტემებს, მათ შორის კლიმატს, აქვთ შეზღუდული პროგნოზირებადობა. არსებობს პირველი და მეორე სახის პროგნოზირებადობა. პირველი ტიპის პროგნოზირებადობა განისაზღვრება სისტემის ევოლუციის საწყის მდგომარეობაზე დამოკიდებულებით. მეორე სახის პროგნოზირებადობა განსაზღვრავს სისტემის მომავალი მდგომარეობის სტატისტიკური აღწერის შესაძლებლობას. პროგნოზირებადობის თვალსაზრისით, განსხვავება კლიმატსა და ამინდს შორის (ანუ საშუალო და არასაშუალო მდგომარეობებს შორის) ფუნდამენტურია. ატმოსფერო კლიმატის სისტემის ყველაზე არასტაბილური და სწრაფად ცვალებადი კომპონენტია. აქედან გამომდინარე, ამინდის პროგნოზი ჩვეულებრივ არ აღემატება ორ კვირას. კლიმატის სისტემის სხვა კომპონენტები უფრო ნელა იცვლება და უფრო პროგნოზირებადია, მაგრამ ასევე შეზღუდულია დროში. კლიმატის ცვლილება გამოწვეული გარე გავლენები, პროგნოზირებადია დროის ფართო დიაპაზონში - წლებიდან საუკუნეებამდე და სხვა.
* კრიოსფერო არის კლიმატური სისტემის კომპონენტი, რომელიც შედგება მთელი თოვლისგან, ყინულისა და გაყინული მიწისგან (მუდმივი ყინვის ჩათვლით) დედამიწისა და ოკეანეების ზედაპირზე და მის ქვემოთ.
** აქტიური მიწის ფენა (აქტიური მიწის ზედაპირი) - ტრანსფორმაციაში ჩართული მიწის ზედაპირი მზის ენერგია, ანუ მზის ენერგიის მიღება და გამოშვება.
ტექსტი ვლადიმერ კაცოვი ფიზიკა-მათემატიკის მეცნიერებათა დოქტორი, მთავარი გეოფიზიკური ობსერვატორია. ა.ი. ვოეიკოვა, როსჰიდრომეტრი
კარტოგრაფია ლიუბა ბერეზინა