Висков В.В.1

 

 
      Обзор геофизических проектов и моделей

 

К середине ХХ столетия  лишь довольно узкому кругу ученых было ясно, что человечество вступило в эпоху, когда масштаб его влияния  на все оболочки Земли соизмерим  с естественными процессами. Это обстоятельство заставило ученых согласованно изучать изменения, которые могут приводить к катастрофам и  процессам, имеющим принципиально важное значение для существования отдельных регионов и биосферы в целом. 

К концу столетия   эти  представления  уже  получили широкое признание  не только среди ученых. Политики, экономисты,   инженеры, социологи, юристы, работники культуры, просвещения, образования (список открыт) не только признают этот факт, но и  уделяют биосферным проблемам должное внимание. Особенно  при разработке концепций, стратегий, программ и проектов  развития поселений, регионов, отраслей экономики и т.д.

Однако для такого отношения потребовалось более ста лет. Ведь еще в конце ХIХ века внимание ученых привлекли кризисные явления. Первым проявлением  внимания к ним стал международный полярный год  -  с августа 1882 г. по август 1883 г.

Лишь через полвека был проведен  Второй международный полярный год - с августа 1932 по сентябрь 1933 г. Основные исследования тогда были посвящены метеорологическим наблюдениям, измерениям температуры почвы и морской воды, изучению геомагнитного поля и наблюдениям полярных сияний. Были проведены многочисленные экспедиционные исследования. Но, хотя к этому времени  уже были опубликованы работы Вернадского о роли биосферы, живого вещества планеты, в ходе таких исследований биота  как целостность не изучалась (фиг.1).

 

 

 
Фиг.1. Изучаемые объекты

 

Этот  феномен  оказался живуч: и по сей день Международная программа геосферных и биосферных изменений  игнорирует биоту и  влияние  техносферы, как проявление  живой материи в форме  стихийного развития цивилизаций, технологий, орудий их жизнедеятельности. середине  50-х г.г. ХХ столетия было реализовано крупнейшее научное мероприятие - Международный геофизический год (МГГ). Исследования    охватили территорию всей планеты и все фазы солнечной активности. Охват наблюдений был огромен. В МГГ участвовали ученые  67 стран. Ученые мира  понимали необходимость согласованных мероприятий, координированных  наблюдений.

МГГ продолжался значительно дольше обычного календарного года - почти  30 месяцев: с 1 июля 1957г. по 31 декабря 1959 г. По программе МГГ был запущен  первый искусственный спутник Земли, построены  и отправлены в рейсы новые экспедиционные суда, открыты новые обсерватории, в частности, советские арктическая и антарктическая.

Объектами изучения были  полярные сияния,  солнечная активность, сейсмика, вулканические явления и ряд других проявлений геофизической активности. В итоге был  накоплен огромный фактический материал, который до сих пор изучается специалистами. В исследованиях участвовали представители разных  отраслей знания: гляциологии, физики атмосферы и ионосферы, ближнего космоса и космических лучей, метеорологии, океанографии, геодезии. Но не было биологов, технологов, социологов и других представителей ученого мира.

Идея так называемых «комплексных междисциплинарных  исследований»  казалась столь плодотворной, что вслед за  МГГ последовал  ряд других, более узких проектов: Международный год спокойного Солнца, Проект верхней мантии, Международный геодинамический проект, Международный год активного Солнца, Программа исследования глобальных атмосферных процессов,     Международные исследования магнитосферы и средней атмосферы, Международный антарктический гляциологический проект, океанологическая  экспедиция  ПОЛИМОДЕ, ЭЛАС (с целью изучения электропроводности  астеносферы), Международный проект солнечного максимума.

Совокупность знаний, полученных в результате исследований, естественным образом позволила поставить новую задачу, концептуально несколько отличающуюся от предыдущих и превосходящую их по масштабу: необходима  фундаментальная  суперпрограмма, которая  могла бы (см. фиг.2 и фиг.3).

 

 

Фиг.2. Геосферно-биосферные программы, связанные с МГБП

 

 

 

Фиг. 3.  Взаимосвязь биосферных программ на современном этапе.

 

Y      решать проблемы научно обоснованных прогнозов состояния естественных сред на ближайшие несколько десятилетий,

Y     описать общее состояние планеты, связи ее оболочек  и их эволюцию,

Y     изучать эволюцию биоты,

Y     объединить полученные знания  в единую модель, описывающую  планету как единое целое.

В конце 80-х годов Международный Совет Научных Союзов так сформулировал эту задачу: “Описать и понять взаимодействие физических, химических и биологических процессов, которые определяют всю систему Земли - среду жизни и происходящие изменения в этой системе под  влиянием деятельности  человека”. 

Для ее решения  была сформирована  организация “Международная  геосферно-биосферная программа  “Глобальные изменения”  (IGBP,  или в русском переводе МГБП).

МГБП реализует разные возможности и виды деятельности. На уровне программ и проектов  создаваемая структура стала ключевой частью организации  новых исследований  и организаций. Например, программа СТАРТ -  английская аббревиатура  программы «Глобальная СИСТЕМА (SysTem) Анализа, Исследования (Research)  и  обучения (Training)  - была специально создана, чтобы помочь МГБП, а теперь IHDP (Человечество и глобальные изменения) и WCRP (глобальные изменения климата) аналогично  способствуют расширению участия  в разных областях  глобальных исследований. Для того, чтобы  научно обосновать систему глобальной устойчивости, становящейся  миссией совместных проектов,  необходимо  быстро наладить координацию индивидуальных и  коллективных действий.

В качестве основных направлений  деятельности МГБП были  утверждены следующие проекты и программы:

Y   Биосферные аспекты гидрологического цикла  (BAHC)

Y  Глобальные  изменения и наземные системы      (GCTE)

Y  Глобальная атмосферная химия (IGAC)

Y   Потоки вещества и энергии в океане (JGOFS)

Y   Взаимодействие суши и океана в прибрежных зонах (LOICZ)

Y   Землепользование и изменения покрова суши (LUCC)

Y   Глобальные изменения в прошлом (PAGES)

Y   Глобальные анализ, интерпретация и моделирование (GAME)

Y   Данные и информационные системы (IGBP-DIS)

Y   Система для анализа, исследований и обучения        (START)

Перечисленные направления стали называть ключевыми. Начало работ было приурочено  к 1990 г. Предполагалось, что к этому моменту человечество будет располагать  мощными техническими средствами, включая космические системы, наземные геофизические и биофизические обсерватории и мощную вычислительную технику. 

Особый интерес представляет программа GAIM   (Глобальный анализ, интерпретация и моделирование),  вступившая  во второе десятилетие. Опыт этой программы целесообразно учитывать при разработке  динамической модели биосферы.

Общие перспективы IGBP на следующее десятилетие определил руководитель  IGBP  Берин Мур III (IGBP NewsLetter, n.41 2000  www.igbp.kva.se). В частности,  он отметил усиление  интеграции, междисциплинарности и системности исследований. Важным направлением должен стать синтез ключевых проектов. Основу программы МГБП  составят три взаимодополняющих принципа: 

Y     ключевые проекты  будут выполнять роль фокусов (интеграционных центров)  всех проектов МГБП;

Y    будет  осуществляться  формально интегрированное   изучение Земной системы как целого с точки зрения ее функциональной эффективности  и географической сложности;

Y      будут исследоваться средства и возможности поддержания глобальной системы  жизнеобеспечения человечества.

В основу работы  должны быть положены программы “Человек и глобальные изменения”, а также климатические программы. Новые работы  должны развивать взаимодействие между дисциплинами, темами, программами и носить межнациональный  и межрегиональный характер.

Важно отношение к Земле как к нелинейной системе, для которой характерно наличие пороговых,  контрольных и управляющих точек, наличие неопределенностей и нелинейных процессов.

Мур отметил значение биогеохимических циклов, подчеркнув взаимодействие трех сред - атмосферы, океана, суши, а также динамику границ между ними. Он дал характеристику отдельных проектов по изучению этих сред. Важнейшими назвал  глобальный углеродный цикл, водные ресурсы и инициативы в части продовольствия и растительных волокон.

Качественный сдвиг тематики в сторону биоты произошел относительно недавно, в последний год тысячелетия. Во время совещания GAIM  на Гавайях, 31 января -2 февраля 2000 г. В ходе дискуссии было предложено создать унифицированные формы и термины  описания структуры и функции «экосферного механизма», а также его чувствительности и неустойчивости к воздействию человека. Такие описания должны лечь в основу обоснования устойчивого развития, коэволюции природы и общества и утверждения этических принципов.

Разумеется, для этого необходимо пройти длинный путь согласований и встреч.   В итоге был предложен  NEW GAIM    под общим названием  «принципы Вайкики», суть которых сводится к следующим позициям:

Y     При выполнении GAIM особая роль отводится ключевым проектам, в которых исследуются познавательные возможности сочетания методов и результатов. Это означает, в частности, роль таких проектов, тематика которых важна для всех частных проектов.  Этот принцип иллюстрируется проектом TRACES (Trace Gas and Aerosol Cycles in the Earth System), 

Y    GAIM должен развивать интеграцию научных результатов внутри и вне МГБП. То есть, с одной стороны, предполагается создание наиболее приемлемых  технологий, а с другой - включение систем и подходов,  ранее применяемых в родственных программах WCRP и IHDP. Этот принцип   относится к проекту  the Carbon Project     и темам по водной, продовольственной тематике и производству технических культур.

Y    GAIM  создаст условия  для анализа  Земной системы, для построения, поддержания  и изучения моделей Земли с учетом их места в иерархической системе. Это означает, в частности, создание моделей  различной степени сложности и использование дополнительных  ансамблей моделей для проведения  виртуальных планетарных экспериментов, относимых к прошлым, настоящим и будущим изменениям. 

Этот принцип  рекомендован для проекта EMICs (Earth System Models of  Intermediate Complexity), в котором предполагается реализовать подход к моделированию как к поэтапному процессу. Подчеркивается важность взаимодействия биотической и абиотической составляющих - оболочек Земли. Вводится понятие  так называемой климатической системы, к описанию которой применимы термодинамические понятия, что, как правило, не применимо к психосоциальным компонентам.

Показана необходимость  объединения программ МГБП  и ЧГИ («Человечество и глобальные изменения»)    для полного описания модели Земли. Учитывая различную терминологию, приходится  говорить о  необходимости сочетания двух важных типов объектов: оболочек и потоков. Заслуживают  внимания воздействия на регионы и их отклик (обратные связи).

Поскольку сложные по структуре модели могут быть очень дорогими, а  простые модели позволяют решать лишь весьма упрощенные задачи,  могут быть использованы паллиативные варианты. Этот принцип предложен авторами EMICs.

Перечень конкретных, частных моделей достаточно велик и для ознакомления с ним целесообразно обратиться к  IGBP News Letter 41, 2000 г., http://www.igbp.kva.se.

В заключение отметим лишь, что, по мнению авторов GAIM,  за минувшие годы заложен хороший фундамент для быстрого продвижения вперед, главным образом,  в развитии прогностических  биохимических моделей. Особенно продвинуты модели углеродного цикла в различных средах. Разработан и получил применение ряд новых  методик на основе данных об общей циркуляции океана, атмосферного переноса малых составляющих  и других эффективных методов. Подготовлена почва  для развития интегрированной модели Земли.



1 ученый секретарь Проекта  Международной программы  «Динамическая модель биосферы», член-корреспондент РАЕН.