Продолжение «разговора о погоде» с доктором физико-математических наук, профессором, руководителем лаборатории математического моделирования гидротермодинамических процессов в природной среде Института вычислительной математики и математической геофизики (ИВМиМГ) СО РАН Владимиром Викторовичем Пененко.
В предыдущей статье речь шла о том, почему прогнозирование погоды является столь сложным делом и как математика может помочь в решении проблемы повышения точности прогнозов погоды. Однако при этом главное научное направление деятельности лаборатории, которую он возглавляет, связано с проблемами экологии, прогнозирования состояния окружающей среды, оценки экологических перспектив для городов, индустриальных агломераций, промышленных и природных объектов. В Новосибирск Владимир Викторович приехал по приглашению Г.И. Марчука из г. Обнинск, где занимался расчетами ядерных реакторов в Физико-энергетическом институте. И было это в 1964 году, 50 лет назад, как раз тогда, когда был основан Вычислительный Центр (ВЦ) Сибирского отделения АН СССР. И после защиты докторской диссертации он, как и его творческий коллектив, главное внимание уделял изучению проблем охраны окружающей среды, которые, к сожалению, год от года становятся все более актуальными.
Всем известны строки из популярной песни о том, что «у природы нет плохой погоды». Но при этом в природе существует плохая, а иногда и опасная для человека окружающая среда.
Очень часто она возникает как результат деятельности самого человека, но вредная для обитания среда может возникать и из-за естественных, природных причин. При этом грань между природным и антропогенным загрязнением окружающей среды очень тонкая и подвижная. Как пример можно назвать происходящие каждый год, порой очень масштабные, пожары в сибирской тайге. Они приносят огромный вред природной среде и ухудшают экологическую ситуацию. При этом причины подобных пожаров могут быть как естественными (например, молнии при грозе), так и связанными с действиями людей. Такие пожары практически невозможно предсказать, но можно заранее оценивать возникновение пожароопасной ситуации в тайге, лесах и на торфяниках. И, соответственно, принимать профилактические меры и быть готовыми к чрезвычайной ситуации.
По словам Владимира Викторовича Пененко, главная прикладная задача его лаборатории как раз состоит в том, чтобы понять, каким образом совместные естественные атмосферные процессы и антропогенные воздействия влияют на качества воздуха и воды, подстилающей поверхности, то есть всего того, что называют окружающей средой, а затем, основываясь на этих знаниях, прогнозировать экологическую ситуацию и давать рекомендации по организации природоохранных мер. Причем, и об этом уже шла речь в первой статье.
Если само по себе предсказание погоды – дело сложное, то прогнозирование экологической ситуации сложнее на порядок, так как кроме точного знания параметров будущей погоды требует учета еще целого ряда факторов. И если погоду на завтра порой можно угадать и по «народным приметам», то при предсказании экологической ситуации без математики никак не обойтись. Любые антропогенные выбросы, даже если их параметры и объемы известны, переживают в атмосфере и воде целый ряд сложных трансформаций, в том числе и под влиянием солнечного света. Первая задача – построение сценариев атмосферной циркуляции, на фоне которой будет осуществляться прогнозирование «химической» погоды, решается в лаборатории за счет построения математической модели поведения климатической системы, «памяти климатической системы», об этом шла речь в первой статье. Климат и погода на огромных пространствах Сибири определяются воздействием четырех, омывающих Евразию, океанов – Северного Ледовитого, Атлантического, Тихого и Индийского. Степень влияния того или иного океана определяется временем года. При всей изменчивости погоды, постоянство климатических условий создает возможность прогнозов не только погодных, но и экологических. Такие прогнозы возможны с точки зрения определения основных параметров, влияющих на состояние окружающей среды.
После того, как климатический фактор, климатический фон вычисляется, он закладывается в математические модели, которые позволяют просчитывать глобальные циркуляционные механизмы, определяющие состояние окружающей среды. А затем вводятся понятия категорий «риска», «уязвимости» природного объекта. Это позволяет прогнозировать, какие источники загрязнений и других воздействий могут оказать влияние на конкретный объект.
Как пример такого природного объекта, в частности, можно назвать озеро Байкал – лаборатория занимается решением задач по прогнозу масштабов и последствий различных воздействий на это всемирно известное озеро в условиях постоянно меняющихся обстоятельств.
Впрочем, не только на него, но и на целый ряд других природных объектов. Однако не менее важная задача, решаемая лабораторией, – это изучение антропогенного воздействия на города и целые промышленные регионы, в их числе не только Новосибирск, но и Томск, Москва и ряд других.
Говоря об уязвимости природного объекта, города или поселения, в первую очередь имеют в виду те химические соединения, которые представляют опасность для жизни и здоровья людей, а также для фауны и флоры той или иной территории. Но для этого приходится выделять их из сотен других химических веществ и соединений, безвредных или необходимых для жизни. И здесь опять не обойтись без математики и сложных вычислений.
Разработанные в лаборатории математические модели позволяют, например, строить сценарии транспорта загрязняющих веществ, при взаимодействии циркуляционных систем атмосферы больших регионов. В частности, рассматривались сценарии трансграничных переносов примесей между Северным Китаем, Корейским полуостровом и югом российского Дальнего Востока. Здесь источниками загрязнений являются в первую очередь большие города Далянь, Пекин, Харбин, Сеул, Пхеньян и другие. Наши дальневосточные города – Хабаровск, Владивосток – на этом фоне очень слабо влияют на загрязнение этого большого региона. Но города в этой модели могут рассматриваться не только как поставщики, но и получатели загрязнений. И тогда оказывается что тот же Хабаровск из-за наличия влияющего на воздушные потоки горного хребта Большой Хинган рискует получать загрязнения как с китайской, так и российской стороны. А вот китайские города загрязнений из России практически не получают. В лаборатории построена и модель обмена загрязнениями между сибирскими городами Новосибирском, Кемерово, Барнаулом, Томском и рядом других.
Исходя из таких моделей и прогнозов, становится понятно, как нужно организовывать хозяйственную деятельность с точки зрения требований экологии. По результатам наблюдений и расчетов имеется возможность проследить дальний перенос и оценить приход загрязнений в Западную Сибирь, допустим, из Северной Америки, Ближнего Востока или Северной Африки. Хотя их концентрации будут мизерными.
Но если циркуляционные механизмы таковы, что связывают конкретные регионы между собой, то факты применения химического оружия в Сирии или сверхмощных авиационных бомб в Афганистане потенциально могут оказывать влияние на качество окружающей среды и в весьма отдаленных областях.
Понятно, что получение таких данных может иметь не только научное или хозяйственное значение.
Впрочем, при исследовании вредных выбросов и установлении их концентраций в атмосфере возможно использование не только математических методов и специальных приборов, но и наблюдений за окружающей природной средой. Как пример можно привести визуальные проявления степени загрязнения атмосферы токсичным веществом – сернистым газом. Предельно допустимые концентрации (ПДК) сернистого газа для человека значительно выше, чем для распространенных в Сибири хвойных деревьев. Поэтому, если в какой-то местности начинают появляться желтеющие, больные ели, сосны и другие хвойные деревья, то это означает, что уровень загрязнения воздуха сернистым газом начинает превышать опасную норму. Существуют и другие природные индикаторы, которые указывают на степень загрязнения воздуха и воды, и их можно использовать для совершенствования критериев качества при построении математических моделей. Такие модели, учитывающие различные механизмы трансформации сотен загрязняющих веществ, разрабатываются в лаборатории для оценок изменений качества атмосферы в сибирских регионах с помощью методов вычислительной математики и математического моделирования.
Юрий Курьянов
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии