Возрождение науки
В.М.Сомсиков. Пути решения проблемы изменения климата
27 ноября 2009
В работе анализируются пути решения проблемы изменения климата. Рассмотрено две возможных причины его изменения: естественная и антропогенная. Рассмотрены трудности решения проблемы. В качестве основных трудностей приводятся, как чисто научные, так и трудности, продиктованные социальным устройством человеческого общества. Утверждается, что для создания эволюционной модели климата необходима теория физики эволюции.Сегодня, пожалуй, даже в самых отдаленных уголках планеты трудно встретить человека, который бы ничего не слышал про изменение климата и не замечал его последствий. При этом, к сожалению, невозможно найти и того, кто понимал бы его причины.
Проявление изменения климата наблюдается повсеместно. Резко возросло количество аномалий погоды, таких как торнадо, над американским континентом, выпадения аномальных осадков в европейской части, сократился горизонт предсказуемости погоды, и т.п. Интенсивно тает лед в Арктике и Антарктике, исчезают ледники Тянь-Шаня, Альп, Гренландии, происходит рост средней температуры. Исчезают лесные массивы, происходит опустынивание земель. Поднимается уровень океана, и нарастают темпы его загрязнения. Под угрозой исчезновения находится живность обоих полюсов [1-3].
Изменение климата на Земле протекает намного быстрее, чем предполагалось. В своих прогнозах по сокращению льдов в Арктике исследователи ошиблись как минимум на 30 лет. Мы являемся свидетелями резких флуктуаций погоды во всех регионах земного шара. Согласно известным законам неравновесной динамики, наблюдаемая картина явно носит бифуркационный характер. Если это так, то после прохождения точки бифуркации, климат уже не вернется к исходному состоянию. Он будет обладать совершенно иными характеристиками, чем те, которые были ему присущи ранее. Это в любом случае создает серьезную угрозу человечеству.
Действительно, если придерживаться эволюционной теории происхождения жизни, то человек оптимально соответствует тому климату, при котором он возник. Конечно, существуют некоторые пределы изменения климата, в рамках которых они не существенно влияют на жизнедеятельность человека. Но эти рамки относительно узкие. И ни кто не сможет сказать, что, пройдя точку бифуркации, климат останется для нас приемлемым. Но даже если он и будет приемлемым, само его изменение на планете приведет к существенным нарушениям условий существования. Возникнут проблемы с водой, с сельским хозяйством. Уже сегодня эти изменения дают о себе знать.
Если бы человечество понимало природу изменения климата, то оно могло бы принять меры для уменьшения катастрофических последствий этих процессов. Тем не менее, уже сейчас мировая общественность пытается предпринять соответствующие меры. Так, известное Киотское соглашение, предписывает сокращение выбросов в атмосферу и загрязнение суши и океанов. Согласно оценкам, 500 млрд. тон СО уже выброшено человечеством в атмосферу и каждый год эта цифра увеличивается примерно на 9 млрд. тон [Time to act. Nature. Vol 458 Issue no. 7242. p. 1077. April 2009]. Согласно статистическим данным, вклад США в загрязнение атмосферы составляет примерно 27%, а вклад России около 7%. Киотское соглашение пытается принят необходимые меры по сокращению таких выбросов. Но вряд ли следует ожидать эффективность этих мер, если мы даже не знаем природы происходящих процессов.
Вот почему одна из главных современных задач человечества - определить причины и механизмы изменения климата, чтобы принять необходимые меры по предотвращению, или, хотя бы, уменьшению катастрофических последствий этих изменений.
Современное понимание проблемы изменения климата
На земном шаре созданы очень развитая метеослужба и космические средства наблюдения за Землей, позволяющие выполнять глубокий мониторинг климата, сбор и обработку информации. Существует множество геофизических институтов, ведущих исследования погоды и климата. Пока выполняемые ими научные исследования, главным образом, ограничиваются наблюдениями за происходящими явлениями на земном шаре, их статистической обработкой и составлением эмпирических карт и прогнозов погоды. Все это, в лучшем случае, может лишь в удовлетворительной степени давать эпигноз.
Несмотря на все усилия понять механизмы, определяющие изменения климата, сегодня мы в силах лишь утверждать, что существует две возможные причины этого явления. Первая связана с природными циклическими изменениями климата. Вторая причина изменения климата обусловлена антропогенной деятельностью человека. Нельзя исключать и то, что эти две причины могут наложиться друг на друга. Коротко рассмотрим эти две причины.
Имеются многочисленные геологические, археологические и другие доказательства существования на Земле природных циклов изменения климата. Наличие таких циклов обусловлено периодическими изменениями внешних условий. Они связаны с циклическими процессами на Земле, в солнечной системе и в дальнем космосе. Как правило, эти изменения происходят за относительные длительные периоды времени, проходящие тысячелетиями, но ни как ни в течение несколько десятков лет, как мы сегодня наблюдаем.
В пользу антропогенной природы изменения климата свидетельствует сам факт происхождения атмосферы. Современный состав атмосферы, в которой мы живем, в значительной степени создали живые организмы. Они изменили и первоначальный климат Земли. На первой стадии развития Земли ее атмосфера не содержала свободного кислорода - он входил в состав углекислого газа атмосферы. Это следует из анализа химического состава соединений железа, которые в то время находились на поверхности Земли. Примерно 1,8 млрд. лет назад (Земля существует 4,0 млрд. лет) в результате действия микроорганизмов в атмосфере появился кислород. Это привело к созданию в высоких слоях атмосферы (на высоте 20-50 км) озонового пояса. В результате живые организмы, которые до этого могли развиваться лишь вне досягаемости солнечных лучей, теперь распространились по всей поверхности Земли и, оказавшись в выгодных условиях, смогли еще более повлиять на состав атмосферы. Таким образом, живые организмы так изменили состав атмосферы, что он способствовал дальнейшему их развитию [4].
То, что скорость изменения климата, его бифуркационый характер не типичны для природных процессов, также позволяет предположить, что наблюдаемые изменения климата носят антропогенный характер. В пользу антропогенного механизма изменения климата свидетельствует и поразительное совпадение годового хода мировой температуры с ходом изменения концентрации диоксида углерода.
Вот
почему не мало ученых, которые склоняются
к мысли, что наблюдаемое изменение климата
в большей степени связаны с антропогенной
деятельностью человека, а не с его естественными
циклическими особенностями.
Пути решения проблемы
Существующие математические модели атмосферы приспособлены для численных расчетов погоды по уже сложившейся модели климата. Кроме того, они опираются на закономерности и региональные особенности, полученные эмпирическим путем. Поэтому с их помощью невозможно предсказать ход изменения климата. Их слабым местом является и то, что в численных расчетах используются недостаточно точные значения параметров атмосферы, а также подгоночные эмпирические коэффициенты. Эти коэффициенты, как правило, подбираются из условий их соответствия эпигнозном погоды. А это ограничивает ее горизонт предсказуемости. Поэтому без знания физических механизмов формирования погоды и климата невозможно предопределить дальнейший ход событий в процессе изменения климата.
Все изменения в атмосфере, так или иначе, связаны с влиянием внешних параметров - вариациями активности Солнца, геофизическими циклами, а также другими изменениями в космическом пространстве. Как уже было сказано, эти изменения могут быть связаны и с антропогенной деятельностью человека, которая приводит к существенным изменениям состава атмосферного газа.
Для определения характера влияний всех воздействующих на атмосферу факторов нужна соответствующая математическая модель, позволяющая определять состояние атмосферы в зависимости от каждого из этих многообразных факторов. Такую модель можно создать лишь при условии знания механизмов, определяющих эволюцию климата. Относительно этих механизмов нам известно лишь то, что все они, так или иначе, связаны с открытостью и неравновесностю атмосферы. Но к настоящему времени у нас нет даже физической теории эволюции открытых систем, без которой невозможно строить подобные модели. Она лишь начинает создаваться, и пока очень далека от возможности ее использования на практике. К примеру, только недавно был предложен детерминированный механизм необратимости [10], без знания которого невозможно приступать к построению фундаментальной теории эволюции неравновесных систем, так как без него невозможно понимание механизмов, определяющих характер динамики неравновесных систем в зависимости от изменения внешних условий и характера самой системы. Поэтому к настоящему времени невозможно построить эволюционную математическую модель атмосферы, а, значит, определить причины и характер изменения климата [7].
Таким образом, необходимость понимания механизмов изменения климата и построения его модели ставит перед наукой очень непростую задачу: создать теорию эволюции неравновесных открытых систем [6]. Рассмотрим, что для этого уже делается.
Одни из первых работ, в которых атмосфера рассматривалась, как открытая неравновесна система, являются работы [6-8]. В них потоки радиации от Солнца рассматривались в качестве главного фактора, определяющего формирование структур атмосферы. Эти потоки обуславливают такие диссипативные структуры, как ионосфера, озонослой, температурные и другие неоднородности атмосферы. Эти структуры неравновесны, так как их существование обязано постоянному обмену энергией между космическим пространством и атмосферой. Именно поэтому для понимания механизмов эволюции атмосферы, ее необходимо рассматривать в неразрывности с радиацией. Этого нельзя сделать в рамках традиционных уравнений газодинамики, так как диссипативные структуры в любых системах, включая атмосферу и радиацию, обусловлены обменом и производством энтропии, что в рамках обычной газодинамики не описывается. В настоящее время для этой цели можно использовать более сложные уравнения неравновесной термодинамики, позволяющие учесть обменные процессы в таких системах. И хотя при этом задача существенно усложняется, более простого пути для изучения эволюционных процессов в настоящее время нет.
Выполненные с помощью неравновесной термодинамики простейшие численные расчеты фоновой модели атмосферы, как двухкомпонентной, неравновесной среды, состоящей из атмосферного газа и приходящими и уходящими потоками радиации показали, что атмосфера крайне неустойчива к изменению параметров радиации, ее состава, а также состава примесей в атмосфере [7].
Результаты расчетов дисперсионного соотношения для атмосферных волн с учетом взаимодействия атмосферного газа и солнечной радиации, сопоставление их с результатами расчета дисперсионного соотношения для атмосферных волн в равновесной атмосфере показали наличие сдвига спектра волновых возмущений в неравновесной атмосфере относительно спектра волновых возмущений в равновесной атмосфере.
Чтобы убедиться в правильности идей и расчетов, была проведена экспериментальная проверка найденного эффекта. Она показала существование сдвига спектра, обусловленного исследуемыми неравновесными эффектами [8]. Это подтверждает существенную роль открытости атмосферы в ее структуре и динамике. Но от этих результатов до создания эволюционной модели атмосферы очень и очень далеко.
Таким образом, в качестве дальнейших исследований по пути создания эволюционной модели климата, прежде всего, нужно понять основные законы, определяющие эволюцию открытых систем, развить физическую теорию эволюции открытых систем и затем на ее основе изучить взаимосвязь вариаций космических факторов с динамическими процессами в атмосфере Земли. Только после этого можно приступать к моделированию поведения климата. Решение этих неимоверно сложных задач потребует мобилизации всего научного потенциала Земли. В качестве аргумента в пользу сложности этих задач можно сказать, что только для решения проблемы необратимости, которая лежит на пути понимания процессов эволюции, потребовалось около 200 лет. И до сих пор в решении этой проблемы существует огромное число белых пятен.
трудности решения проблемы климата.
Анализ причин отсутствия понимания механизмов, определяющих изменение климата, показал, что они имеют, как научную, так и социальную подоплеку.
Необходимость решения проблемы климата требует создания междисциплинарной науки: физики эволюции открытых неравновесных систем. Трудности ее создания связаны, как с недостаточным уровнем развития наших знаний о законах эволюции природных систем, так и с междисциплинарностью. Действительно, проблема изменения климата затрагивает практически все разделы физики: механику, гидродинамику, термодинамику, статистическую физику, кинетику и т.п. Но эти разделы, чаще всего, слабо связанны между собой. Например, законы механики, которые лежат в основах всех наших знаний о физическом мире, плохо согласуются с эмпирическими законами термодинамики, со статистической физикой, и т.д. Поэтому невозможно создать единую картину эволюции на основе знаний, полученных в различных несвязанных между собой областях науки. Как верно заметил И. Пригожин, сегодня у нас есть физика существующего, но пока нет физики возникающего. Он имел в виду отсутствие физики эволюции.
Помимо научных, причина фрагментарности знаний, как это не странно, имеет и социальную подоплеку. Она заключается в том, что мотивировка развития знаний, главным образом, продиктована материальными потребностями, которые в наше время стали, чуть ли не единственной целью и смыслом развития человечества. Более того, социальные науки, от которых зависит понимание природы ориентации направленности человеческой деятельности, подвержены прессингу прагматично настроенной части населения планеты, владеющей экономикой. Экономические магнаты не заинтересованы в изменении ориентации человеческих ценностей, а также в развитии фундаментальных знаний, так как с их точки зрения все это требует больших затрат и, мало того, приводит к спаду экономики.
Таким
образом, проблема развития знаний сталкивается
с проблемой понимания
Нацеленность науки на прагматичные задачи приводит и к тому, что, несмотря на декларацию о важности междисциплинарных наук, подавляющая составляющая научных исследований направлена на узкие прагматические цели, позволяющие как можно эффективней извлекать прибыль из научных результатов. Но какую прибыль могут извлечь из трудов тех, кто занимается поиском решений фундаментальных проблем науки? Мало того, что их решение, чаще всего, не дает исследователю даже средств к существованию. При этом есть огромный риск, что поставленные им задачи останутся не решенными. И даже если он их решит, то возникает опасность, что прагматичность науки не позволит этим знаниям занять достойное место, поскольку, как правило, новые знания противоречат клановым интересам в науке. Из-за этого не редко плодотворные научные идеи становятся жертвой жестокой внутренней борьбы в научных кругах. Физика эволюции имеет междисциплинарный характер. Для ее создания и развития необходим глубокий анализ механизмов возникновения сложного на всех иерархических звеньях живой и неживой материи и в различных областях науки. Поэтому здесь сталкиваются интересы кланов из различных областей науки, что еще больше усугубляет ее развитие.
Таким образом, мало того, что получение новых знаний требуют огромных усилий в связи со сложностью соответствующих проблем. Оно затруднено ориентацией человечества на прагматичные ценности, клановостью науки и борьбой научных группировок. Все это особенно сильно усугубляет положение развития физики эволюции, необходимой для построения модели климата. А если к тому же учесть скорость процессов изменения климата планеты, то возникает очень серьезные опасения в том, что человечество успеет найти и принять необходимые меры, которые позволят предотвратить катастрофические последствия изменения климата.
Природа бросила вызов человечеству! И сможет ли оно на него ответить, зависит от того, сможет ли оно концентрировать свой ум на поиске решения поставленной природой проблемы, сможет ли оно справиться со своими слабостями, подняться до высшей, духовной стадии своего развития.
Институт ионосферы, Алма-Ата, 050020, Казахстан E-mail: \n Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script " target="_blank"> Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script
Об авторе: доктор физ.-мат. наук, профессор В.М.Сомсиков, Институт ионосферы, Алма-Ата
Литература.
1. Tobias Bolch. Climate change and glacier retreat in northern Tien Shan (Kazakhstan/Kyrgyzstan) using remote sensing data, Global and Planetary Change, V 61, 2008.
2. Kerry Emanuel. Increasing destructiveness of tropical cyclones over the past 30 years, Nature, Letter, Vol 4364, August 2005.
3. D. A. Stainforth, T. Aina1, C. Christensen, et. al. Uncertainty in predictions of the climate response to rising levels of greenhouse gases, NATURE, |VOL 433,| 27 JANUARY 20, 2005.
4.
Смирнов Б.М. Экологические
6. Изаков M. N., Самоорганизация и информация на планетах и экосистемах, УФН 167 (10), 1087-1094, 1997, с. 1087-1094.
7. Сомсиков В.М. Физика открытых систем и динамика атмосферы. Известия НАН РК. Серия физико-математическая. № 4. 2005.
8. Essex C. Radiation and irreversible thermodynamics of climate // Journal of the atmospheric sciences. 1986. V. 41. N 12. P. 1985 - 1991
9. V.P. Antonova, K.E. Dungenbaeva, A.V. Zalizovskii, A.S. Inchin, S.V. Kryukov, V.M. Somsikov, Yu. M. Yampol'skii. Difference between the spectra of Acoustic Gravity Waves in Daytime and Nighttime Hours due to Nonequilibrium Effects in the atmosphere// Geomagnetism and Aeronomy, 2006, Vol. 46, No 1, p. 101-109 .
10. V.M. Somsikov. THE MECHANICS OF THE SYSTEMS OF STRUCTURED PARTICLES AND IRREVERSIBILITY arXiv:0908.3125v1 [physics.class-ph] 21 Aug 2009.
______________________
Другие материалы автора статьи на сайте ДЗВОН:
В.М. Сомсиков. Природа, человек и наука
В.М.Сомсиков. Пути сохранения целостности и возрождения России
Вячеслав Сомсиков. Роли современной науки и пути ее реорганизации
Разруха в головах. Круглый стол в редакции Советской России
