Прогноз погоды на столетие. Кто и как предсказал глобальное потепление полвека назад

Однажды в конце 1966 года в компьютерной лаборатории, расположенной в здании Национальной службы погоды США в Вашингтоне, Сюкуро Манабэ ждал, пока принтер допечатает длинный рулон бумаги. На кону стояла судьба планеты.

Манабэ было тридцать пять лет. Десятью годами ранее он приехал в США из Японии и теперь руководил командой программистов, занимающихся созданием симуляции климата. На реализацию проекта ушли годы работы и миллионы долларов. И вот работа была завершена.

На полу извивался рулон бумаги, испещренный зелеными линиями. Принтер IBM 1403 мог печатать 600 строк в минуту — Манабэ не выносил производимого им шума и обычно отправлялся во время печати на обед. Но этот документ был слишком важен. В случае успешных расчетов разработанная им модель смогла бы впервые в истории определить взаимосвязь между уровнем двуокиси углерода и температурой земной атмосферы.

Тот факт, что солнечное тепло задерживается атмосферой Земли, был известен еще с XIX века: из-за водяного пара тепловая энергия накапливается на низкой высоте, нагревая поверхность планеты примерно на 6° по Фаренгейту — если бы у Земли не было атмосферы, средняя температура на поверхности планеты равнялась бы 0° по Фаренгейту. Оставался открытым вопрос о том, способствуют ли парниковому эффекту другие газы, в частности двуокись углерода. Однако концентрация углекислого газа в атмосфере составляла лишь триста частей на миллион. Исследователи не были уверены, что его влияние можно измерить.

Манабэ считал, что можно. Триста частей — это очень мало, но даже остаточные газы, при условии наличия у них определенных свойств, могут иметь значительное влияние.

Без двуокиси углерода не было бы фотосинтеза, и большая часть организмов не смогла бы существовать. Следовательно, предположил ученый, повышение уровня двуокиси углерода — например, при сгорании ископаемого топлива, — может иметь не менее катастрофические последствия.

Чтобы проверить эту гипотезу буквально, понадобилась бы отдельная планета. Поэтому у Манабэ не было выбора, кроме как создавать свою симуляцию атмосферных изменений на основе уравнений термодинамики. Для процессов на поверхности планеты расчеты можно было провести вручную, но с каждым новым слоем атмосферы они усложнялись.

К счастью, в распоряжении Манабэ был IBM 7030 Stretch — один из самых мощных суперкомпьютеров того времени. Компьютер был разработан по заказу Пентагона для симуляции последствий взрыва водородной бомбы.

Всего было собрано девять таких компьютеров. Восемь из них находились в Лос-Аламосской национальной лаборатории и Агентстве национальной безопасности. Девятый, благодаря стараниям начальника Манабэ, был выделен под прогнозирование погоды, чтобы продемонстрировать общественности полезность компьютеров.

IBM 7030 Stretch был крупнее односемейного дома, весил 35 тонн, а его система охлаждения заняла бы целиком однокомнатную квартиру.

Манабэ переехал в США в 1958 году. До того он почти не выезжал за пределы Японии и практически не говорил по-английски. Но, как и его новые коллеги, он был страстным поклонником новых технологий, поэтому быстро влился в коллектив. Ему нравился неформальный стиль отношений, принятый в Америке и разительно отличавшийся от строгой иерархии японского общества. «Самым трудным было привыкнуть к западному туалету, — поведал в прошлом году Манабэ. — Я никогда прежде его не видел».

Позже Манабэ получил должность в Университете Принстона, и по сей день ученый живет в этом городе.

В 2021 году в возрасте девяноста лет он получил Нобелевскую премию по физике. Нобелевский комитет назвал симуляцию Манабэ первым надежным предсказанием изменения климата. Его симуляция состояла из набора точек, показывающих изменение температуры Земли под влиянием двуокиси углерода на разных высотах. Принтер был не в состоянии воспроизвести иллюстрирующую данные кривую, поэтому Манабэ пришлось дорисовать ее карандашом.

Нарисованный Манабэ график обнаружил три неожиданных факта:

• Во-первых, симуляция показала, что повышение концентрации углекислого газа с 300 до 600 частей привело бы к нагреванию поверхности Земли более чем на 4° по Фаренгейту. Схожее повышение температуры в конце последнего ледникового периода спровоцировало повышение уровня мирового океана на 30,5 м.
• Во-вторых, согласно симуляции, двуокись углерода будет удерживать тепловую энергию в нижних слоях атмосферы. Как следствие, поверхность Земли и океаны нагреются, тогда как верхние слои атмосферы охладятся. Сегодня ученые считают данное сочетание признаком человеческого влияния на климат: другие возможные причины глобального повышения температуры, например усиление яркости солнца, способствовали бы равномерному нагреванию атмосферы на всех высотах;
• В-третьих, модель Манабэ предполагала, что вследствие охлаждения верхние слои атмосферы начнут сжиматься.

Сюкуро Манабэ родился в сентябре 1931 года на острове Сикоку. Его семья жила в уединенной городской деревне, где его отец работал врачом. Когда Манабэ было три тогда, на Сикоку обрушился тайфун Мурото, уничтожив тридцать тысяч домов и оставив после себя три тысячи погибших. Ураганы завораживали маленького Манабэ. «У меня была ужасная память и кривые руки, — вспоминал он в интервью японской газете. — Я любил смотреть на небо».

Когда Манабэ было десять лет, Япония совершила нападение на Перл-Харбор. В 1944 году, когда ему было тринадцать, США начали крупномасштабную бомбардировку внутренних территорий Японии. Сикоку не подвергся бомбардировке, однако самолеты регулярно пролетали над островом по пути к Хонсю.

Пока одноклассники Манабэ скрывались в бомбоубежищах, он готовился к экзаменам. «К счастью, самолеты пролетали мимо нас, так как моя школа была в деревне», — рассказывал он позже. По другую сторону пролива лежала Хиросима. Одним из самолетов, пролетавших над островом, был бомбардировщик Enola Gay.

Позже Манабэ не придавал существенного значения тому, что его детство прошло во время войны.

«Война меня не беспокоила, — говорил он. — Всё мое внимание было сосредоточено на вступительных экзаменах». Однако она и не прошла бесследно. «Я рос медленнее, чем нужно, — рассказывал он, — так как постоянно недоедал».

Американская оккупация принесла с собой процветание. В 1955 году Toyota Motor Corporation представила свою первую машину для широкого рынка. Сформировался средний класс, и каждая японская семья стала стремиться приобрести «три священных дара»: телевизор, холодильник и стиральную машину. После появления западных продуктов питания средний рост японских мужчин увеличился почти на 4 дюйма.

Манабэ без проблем сдал вступительные экзамены в Токийский университет. Его брат, отец и дед были врачами, но Манабэ выбрал физику. «Вскоре я понял, что недостаточно хорош в математике. А биологию я бросил из-за того, что не мог запомнить много информации», — говорит он. Так Манабэ начал изучать метеорологию.

Манабэ был прилежным студентом. Поскольку он не успевал записывать за преподавателями на лекциях, то изучал физику атмосферы самостоятельно. По крайней мере однажды ему пришлось пересдавать экзамен. Но когда дело дошло до применения физики для прогнозирования погоды, Манабэ оказался одним из лучших на факультете.

Поскольку доступа к компьютеру у них не было, студенты проводили расчеты вручную на миллиметровой бумаге. «Я часами рисовал графики, — с ностальгией вспоминает он. — Рисуя графики от руки, вы начинаете замечать то, на что не обращали внимание раньше».

Исследования Манабэ были вдохновлены работой Джозефа Смагорински, американского новатора в области информатики. Когда Смагорински узнал о проекте Манабэ, то решил переманить его и написал письмо в Токийский университет. Научный руководитель Манабэ отпустил того в Вашингтон.

«Я летел на винтовом самолете, — рассказывает Манабэ. — Перелет занял примерно двое суток». По пути они сделали остановки в Анкоридже и Сиэтле. Смагорински встретил его в аэропорту.

Целью Смагорински было превратить Национальную службу погоды США из второстепенного подразделения Министерства торговли, известного своими неточными прогнозами, в ведущее мировое учреждение по изучению климата.

Родители Смагорински были родом из Российской империи, они сбежали от погромов и поселились в Нижнем Ист-Сайде. Смагорински ходил в старшую школу Стависенд и был силен в математике. Он также был учеником Джона фон Неймана, создателя современного компьютера. В начале 1950-х годов он принимал участие в первой в мире компьютеризованной программе прогнозирования погоды. Компьютер ЭНИАК, на котором производились прогнозы, оказался намного точнее синоптиков.

Фон Нейман считал, что можно пойти дальше прогнозов погоды и создать полную трехмерную симуляцию климата планеты. Смагорински поручил это задание Манабэ.

«Учитывая доступные нам инструменты, это была невыполнимая задача», — рассказывает Манабэ. Чтобы делать прогнозы, Манабэ приходилось решать нелинейные дифференциальные уравнения, с которыми даже современные суперкомпьютеры едва справляются. Смагорински настойчиво требовал от правительства всё больше ресурсов и, к удивлению Манабэ, получал их, преимущественно при помощи шантажа. «Он никогда не приходил на совещание по бюджету без заявления об отставке в кармане», — вспоминает Манабэ.

Фон Нейман умер в 1957 году. Манабэ так и не познакомился с ним лично, однако в ходе интервью выразил недоумение по поводу того, что современное представление об изменении климата было создано человеком, который также изобрел теорию игр, принимал участие в Манхэттенском проекте и создал современный цифровой компьютер.

Чтобы облегчить задачу, в своей модели 1966 года Манабэ использовал только одну переменную. Своим успехом эта модель обязана акцентом на влиянии двуокиси углерода на тепловую энергию в разных слоях атмосферы. Все прочие переменные были либо упрощены, либо исключены.

Несмотря на примитивность, симуляция доказала свою способность к предсказанию. Когда Смагорински увидел прогноз повышения температуры, то сравнил его с предупредительным сигналом на приборной панели автомобиля.

В 1968 году Манабэ и его команда переехали в Принстонский университет, а Национальная служба погоды стала частью новообразованного Национального управления океанических и атмосферных исследований. В 1970 году Манабэ отправился в Стокгольм на конференцию под названием «Изучение влияния человека на климат». Несмотря на предоставленные Манабэ данные, ученые не смогли достичь согласия относительно того, что ждет планету в будущем: потепление или похолодание.

В начале 1970-х годов, теперь уже с использованием намного более мощного компьютера, Манабэ повторно провел расчеты. Новая симуляция содержала уравнения, моделирующие влияние снежного покрова и водного обмена между мировым океаном и атмосферой. В статье «Влияние удвоения концентрации двуокиси углерода на климат в рамках модели общей циркуляции», написанной в 1975 году совместно с метеорологом Ричардом Везеральдом, Манабэ вновь предсказал, что сжигание ископаемого топлива приведет к повышению средней температуры Земли на 4° по Фаренгейту.

Рональд Стоуффер, харизматичный метеоролог, который когда-то хотел стать ведущим прогноза погоды, присоединился к принстонской команде Манабэ в 1977 году. Стоуффер вспоминает, что отношения в команде были дружескими и неформальными — все звали Манабэ просто Суки. По словам Стоуффера, Манабэ работал по четырнадцать часов в день и был убежден в реальности антропогенного изменения климата.

«Компьютерные модели Манабэ были простыми и утонченными. Многие ученые стремятся отразить всю сложность климатической системы, но это лишь усложняет дело», — говорит Том Делворт, еще один исследователь, работавший вместе с Манабэ.

По словам Делворта, Манабэ был поклонником принстонской баскетбольной команды и особенно ее тренера Пита Кэррила, который разработал «принстонское нападение» и привел университет к тринадцати чемпионским титулам. «Эта наступательная стратегия состоит в последовательности очень простых, но эффективных и отточенных до совершенства действий, — говорит Делворт. — Манабэ нравился такой стиль как в баскетболе, так и в науке».

Исследования Манабэ подтолкнули других ученых к созданию собственных симуляций. Как правило, они приходили к аналогичным выводам. К 1979 году большинство климатологов сошлись во мнении, что Земля нагревается. На то время температурные данные еще не показывали изменения климата, но климатологи доверяли компьютерным симуляциям.

В 1988 году запад США пострадал от сильной засухи. После этого в Конгрессе прошли слушания, посвященные изменению климата. Выступил на них и Манабэ, но безуспешно. «Я говорил с ужасным японским акцентом. Меня никто не слушал», — рассказывает Манабэ. За ним выступил исследователь из НАСА Джеймс Хансен и покорил конгрессменов своим мрачным прогнозом о последствиях глобального потепления. «Джим прекрасно донес информацию. Он сделал то, к чему у меня совершенно не было способностей», — говорит Манабэ.

Но дело было не только в языковом барьере. Манабэ предпочитал заниматься научной деятельностью, а не просвещением.

Межправительственная группа экспертов по изменению климата была основана в том же году, когда Манабэ выступил в Конгрессе. «Он не любил ходить на совещания и всегда посылал меня», — рассказывает Стоуффер. В своих интервью 1990-х годов Манабэ уклончиво отвечал на вопросы о необходимости давления на другие страны с целью снизить потребление ископаемого топлива. «Если выброс двуокиси углерода в атмосферу увеличится в четыре раза, то масштаб изменений климата достигнет уровня мелового периода, — сказал он в 1998 году. — Но даже в этом случае люди, вероятно, смогут приспособиться».

На вопрос о том, почему он не настаивал на принятии мер по защите окружающей среды, Манабэ ответил, что не хотел публичности. Но Стоуффера своя версия: «Я помню, как говорил об этом с Суки. Он не хотел принимать меры. Он хотел проверить, верна ли его модель».

Манабэ отрицает, что занимал такую позицию: «Все согласны, что нужно действовать. Но вопрос состоит в том, как именно следует бороться с изменением климата», — говорит он.

Модель Манабэ оказалась верной. Концентрация углекислого газа в атмосфере ныне составляет уже четыреста частей на миллион и продолжает расти. С тех пор, как полученные Манабэ результаты были впервые опубликованы, средняя температура на планете повысилась почти на 2° по Фаренгейту, а с 2005 года мир пережил десять самых жарких лет в истории наблюдений.

Ранее в этом году НАСА опубликовало результаты тридцатилетних спутниковых наблюдений за мезосферой. Оказалось, что температура там снижается на 5° по Фаренгейту каждые десять лет, вследствие чего мезосфера сжимается. Верх охлаждается, а низ нагревается. Всё как предсказывал Манабэ.

Читайте также

Покажи мне 2050 год: как будет выглядеть мир климатического кризиса и куда придется переезжать из Москвы-пустыни и подводного Петербурга

На более позднем этапе своей карьеры Манабэ заинтересовался вторичными последствиями глобального потепления. По мере повышения температуры вода начинает испаряться быстрее. В тропиках это приводит к более частым и сильным циклонам, а в засушливых районах — к более длительной засухе. «В Индии и Бангладеш подобные штормы очень опасны, — говорит он. — Но больше всего меня беспокоят засуха и лесные пожары. В Африке, особенно в Сахеле, дождей становится всё меньше. Со временем сельское хозяйство там станет невозможным».

6 декабря Манабэ в ходе церемонии, проводившейся в Национальной академии наук США в Вашингтоне, получил Нобелевскую премию. В своей речи он вновь повторил свое предупреждение человечеству.

Мощность компьютеров со времен IBM 7030 Stretch увеличилась многократно, а новейшие транзисторы от IBM теперь меньше цепочки ДНК. Однако прогноз последствий глобального потепления мало изменился с тех пор, как Манабэ впервые опубликовал свои данные.

«Имея в своем распоряжении очень примитивные по сегодняшним стандартам инструменты, он проделал 80% работы», — говорит Гэвин Шмидт, ведущий климатолог НАСА. Современные климатические модели показывают последствия глобального потепления в мельчайших деталях.

Сегодня в компьютерной симуляции Манабэ больше нет необходимости. Она стала реальностью.