Все уже давно исследуют Арктику с целью эффективного освоения ее ресурсов — и Россия, и европейские страны, и Канада, и США, — однако климатическим исследованиям в Арктике российская сторона в настоящее время уделяет существенно меньше внимания, чем другие страны. В частности, там, по мнению ученых Уральского федерального университета, находится недостаточное количество отечественных научных станций, оснащенных современным оборудованием для мониторинга, собирающих необходимые временные ряды климатических данных. А между тем, 65 % нашей страны — территория вечной мерзлоты, и на ней расположена солидная инфраструктура, включающая в себя как промышленные предприятия и установки нефтегазового комплекса, так и целые города. Как поведут себя десятки и сотни метров промерзшего грунта при глобальном потеплении? Не уйдут ли тогда города и нефтегазодобывающая промышленность под землю в буквальном смысле? Этот вопрос изучает целая международная армия ученых, и исследователи УрФУ не остаются в стороне — о том, как повлияет изменение климата на состояние вечной мерзлоты, рассказывает руководитель лаборатории физики климата и окружающей среды Института естественных наук и математики Вячеслав Захаров.

Вячеслав Захаров занимается исследованием клима...

Вячеслав Захаров занимается исследованием климата с начала 2000-х годов. Фото: Александра Хлопотова

Проект под длинным названием «Комплексная система климато-экологического мониторинга, разработка и организация производства новой техники и мультимасштабное моделирование состояния криосистемы Российской Арктики» (проект относится к созданию стратегических академических единиц, — прим. ред.) объединил усилия двух подразделений нашего университета — Института естественных наук и математики и Института радиоэлектроники и информационных технологий. Лаборатория физики климата и окружающей среды, играющая важную роль в проекте, создана в университете еще в 2011 году в рамках мегагранта (постановление правительства РФ № 220) под руководством всемирно известного ученого палеоклиматолога Жана Жузеля (лаборатория входит в число трех научных центров пилотного проекта сотрудничества с ФАНО, — прим. ред).

Жан Жузель — научный руководитель лаборатории, а я заведующий. Изначальная идея, из которой и «появился» мегагрант 2011 года, была использовать новый «инструмент» — изотопологи водяного пара в атмосфере для исследования климата Западной Сибири и изучить влияние потепления климата на таянье вечной мерзлоты. Собственно, сейчас мы продолжаем исследования в этой области, но уже на более высоком уровне.

Климат глобален, и для его изучения важна международная кооперация. Дело в том, что за два года происходит полное перемешивание атмосферы между Северным и Южным полушариями. Для репрезентативности данных наблюдения их нужно непрерывно собирать в различных регионах земного шара за период времени, включающий хотя бы несколько циклов перемешивания атмосферы между полушариями, обмениваться ими — и здесь Жан Жузель помог нам наладить контакты на международной арене.

Глобальное потепление никто не отменял, и Арктика будет греться больше всего. А у нас здесь Норильск, Салехард, нефтегазодобывающие структуры, и если начнется масштабное таянье — а оно начнется — главный вопрос будет в том, когда из городов нужно выселять людей или как менять инфраструктуру и стратегию освоения Арктики. Серьезные изменения проходят уже сейчас и во многом быстрее прогноза — через 5 лет мы, может быть, и не заметим особенных кардинальных изменений, а вот через 50 лет здесь уже ничего может и не быть.

Наша задача — изучить влияние изменения климата на состояние вечной мерзлоты в ближайшие десятилетия. Поясню на примерах: слой вечной мерзлоты в регионах Западной Сибири составляет в среднем глубину около 20 метров. Соответственно, если это все растает, то на 20 метров и провалится, и, вероятно, зальется водой. А вот дальше на Восток эта же мерзлота составляет уже около 200 и более метров, там последствия могут быть более серьезными, это понятно. Опять же, при потеплении увеличиваются осадки — и дожди, в общем-то, более опасны для состояния мерзлоты, чем просто повышение температуры воздуха. Поэтому нами в тесной кооперации с командами немецких и французских специалистов ведутся работы по верификации (проверке) современных климатическая моделей на территории российской Арктике и суб-Арктике, с помощью которых, после определенных их доработок, можно прогнозировать, как поведет себя региональный климат и мерзлота в будущем.

Данные для верификации моделей собирают наши станции в Российской Арктике, они расположены в городах Лабытнанги и Игарка. Информация о натурных наблюдениях изотопических трассеров водного цикла накапливается и сравнивается с результатами моделирования, если модель не очень хорошо воспроизводит наблюдаемые данные — ее уточняют, так модель совершенствуется, и когда она начнет хорошо количественно воспроизводить все наблюдаемые данные, модель уже можно пробовать «запускать» для прогноза. Собственно криосистемой мы не занимаемся. Мы в рамках проекта планируем предоставить нашим партнерам из Института криосферы Земли в Тюмени результаты моделирования, т.е. данные о том, как будет меняться температура воздуха и режим осадков в российской Арктике в ближайшие десятилетия. Они, в свою очередь, будут исследовать, как вечная мерзлота поведет себя в результате этих прогнозируемых климатических изменений.

В настоящее время мы работаем со стандартной европейской климатической моделью. В ней несколько компонентов: модель общей циркуляции атмосферы, модель циркуляции океана и подмодель обмена поверхности Земли с атмосферой. На наших станциях данные — так называемые изотопические трассеры водного цикла — фиксируются каждые две секунды, накапливаются временные ряды этих данных, а затем результаты моделирования с использованием климатической модели сравниваются с результатами наших наблюдений: точно ли все воспроизводится, нужно ли что-то улучшить в модели. В данный момент мы находимся на этой стадии. Только когда мы тщательно проверим модель, мы сможем использовать ее, чтобы давать прогнозы.

Университетские технологии в проекте конечно используются. Например, в начале 2000-х мы предложили пионерский метод в исследовании атмосферного водного цикла — спутниковый мониторинг «тяжелой воды» в атмосфере, это и есть тот самый изотопический трассер водного цикла, про который я говорил. Мы первые предложили и апробировали этот метод — определили широтное распределение такой воды над Тихим океаном с помощью дистанционного зондирования атмосферы со спутника, и с этого началось наше сотрудничество с Жаном Жузелем.

С коллегами из Института радиоэлектроники и информационных технологий мы давно хотели скооперироваться, они профессионально занимаются радиозондированием атмосферы, разрабатывают новую технику и системы радиозондирования и, что особенно важно, у них очень давние и хорошие связи с промышленностью и реальными потребителями разрабатываемого оборудования. Достаточно сказать, что именно они (команда профессора Вячеслава Иванова) обеспечивали метеорологическими данными первый запуск ракеты «Союз-2.1» в апреле 2016 года на космодроме Восточный. Это много говорит об их уровне и статусе.

В группе математиков ИЕНиМ (Дмитрий Александров, Петр Галенко) разрабатываются оригинальные методы мультимасштабного описания динамики движения межфазной границы «лед-вода» в океане. Развитие этих методов в рамках проекта может позволить в будущем усовершенствовать климатические модели для задач прогнозирования динамических изменений ледяного покрова в Северном ледовитом океане и климатических изменений арктической зоны Земли.

Тема исследований нашей лаборатории не предполагает прямой связи с промышленностью, а вот у коллег из ИРИТ-РтФ с ней налажена связь. Но мне кажется, основные потребители результатов наших исследований — это политики и хозяйствующие субъекты, принимающие решения, как будут жить и что делать люди в зоне вечной мерзлоты через 10, 20, 30 лет. Именно они скажут, выселять или нет, строить или не строить. Наше дело — дать им картинку того, как будет меняться там климат и вечная мерзлота.

Исследованием климата мы занимаемся с начала 2000-х. Самым первым в лаборатории было направление дистанционного зондирования атмосферы со спутников, потом добавилось наземное зондирование: с помощью Фурье-спектрометра в Коуровской обсерватории собиралась информация о парниковых газах, количестве метана, углекислого газа, изотопологах водяного пара и так далее. Данные наземного зондирования атмосферы в Коуровке использовались для валидации спутниковых данных. Затем, когда мы начали сотрудничать с Жаном Жузелем, в обсерватории добавились лазерные анализаторы для рутинных измерений in situ изотопологов водяного пара в приземной атмосфере. Кроме того, стало возможным собирать осадки и анализировать их на содержание изотопологов воды в лаборатории на аналогичном лазерном анализаторе.

Самым новым направлением исследований является моделирование с использованием модели общей циркуляции атмосферы. Но здесь мы пока не можем работать полноценно без международной кооперации и более мощных суперкомпьютеров, на которых просчитываются модели, ведь чтобы спрогнозировать изменения климата хотя бы на 10 лет вперед, даже суперкомпьютеру, входящему в топ-3 мирового рейтинга, нужно работать над этим почти целый год.