Кто на самом деле открыл глобальное потепление? История Михаила Будыко
«У природы нет плохой погоды, — радостно сообщает радио. Впрочем, каждый из нас может поспорить с этим утверждением. Изнывая от небывалой жары в июле 2010 или задыхаясь от дыма якутских пожаров летом 2021, наблюдая все более мощные смерчи или невиданные раньше ливни, мы все становимся немного метеорологами.
Интерес к климату и процессам, происходящим с ним последние годы растет во всем мире. Прямое свидетельство этого — вручение высшей международной научной награды ученым-климатологам. В прошлом году лауреатами Нобелевской премии по физике стали климатолог Сюкуро Манабэ и океанолог Клаус Хассельман «за физическое моделирование климата Земли, количественную оценку изменчивости и надежное прогнозирование глобального потепления».
Но признание вычислительной климатологии научным сообществом было бы невозможно без исследований отечественных ученых и в первую очередь Михаила Ивановича Будыко. Благодаря советскому ученому, климатология, — ранее наука по преимуществу теоретическая и описательная, — стала наполняться эмпирическими данными и превратилась в прогностическую дисциплину, а отечественная школа климатологии получила мировое признание.
Глобальное потепление — новая реальность
Мы все любим порассуждать о глобальном потеплении, но очень мало знаем о климатологии как науке и ключевых для ее развития событиях. Одним из них был проведенный профессором Будыко в 1971 году Международный симпозиум по физической и динамической климатологии, чьи выводы о влиянии человека на климат опередили научный мейнстрим. Именно здесь впервые прозвучало научно обоснованное мнение о том, что деятельность человека меняет климат нашей планеты.
На конференции Будыко подвел итог своим изысканиям по исследованию теплового и энергетического баланса Земли, неустойчивости полярных льдов и зависимости их площади от изменения климата. Именно он первым показал, что повышение глобальной температуры ведет к исчезновению льдов в Арктике. Это предвидение полностью подтвердилось уже в начале XXI века.
Вместе с Хельмутом Лансбергом Будыко отстаивал идею о том, что человеческая деятельность влияет на климат — с этой идеей участники симпозиума согласились, хотя единого понимания о том, будет ли климат меняться в сторону потепления или похолодания, у них на тот момент не было. Ряд климатологов — Митчел, Лэм и другие — считали, что планете угрожает похолодание из-за влияния аэрозольного загрязнения атмосферы. Будыко и Лансберг, напротив, настаивали на том, что человеческая деятельность — это фактор потепления.
Вот как Будыко вспоминал эту конференцию: «Обычно в конце организаторы говорят какие-то общие слова… Я же вместо общих слов сформулировал идею, показавшуюся всем абсолютно неприемлемой, сказав, что глобальное потепление неизбежно. Я представил некоторые количественные оценки и выразил надежду, что все попытаются заняться этой проблемой, потому что она очень важна. Это вызвало взрыв негодования, все явно демонстрировали крайнее нерасположение к докладчику. Разумеется, никто и не думал больше о том, чтобы благодарить организаторов. Несколько очень известных ученых выступили, сказав, что человеческая деятельность не может оказать никакого влияния на климат, что изменения климата непредсказуемы и что внедрять в умы такие идеи совершенно недопустимо».
Итогом симпозиума стала изданная в 1972 году брошюра Будыко «Влияние человека на климат». Михаил Иванович определил два основных фактора, влияющих на климат: рост производства энергии и увеличение концентрации углекислоты в атмосфере. Так, он подсчитал, что повышение производства энергии на 4-10 % в год в течение 100 лет приведет к тому, что количество тепла, производимое человеком, будет сравнимо с величиной радиационного баланса всей поверхности континентов Земли. Это повлечет за собой значительный рост глобальной температуры. Уже в начале XXI века, как считал Будыко, увеличение температуры будет гораздо выше естественного повышения, которое наблюдалось в начале XX века.
Михаил Иванович указывал так же и на рост содержания углекислого газа в атмосфере со скоростью 0.2% в год. А так как атмосферная углекислота поглощает длинноволновую радиацию, это должно усилить парниковый эффект и способствовать повышению температуры, предполагал Будыко. Сейчас, спустя более чем тридцать лет с момента этого прогноза, мы можем наблюдать его точность.
Сам Будыко считал необходимым прогнозировать изменения климата хотя бы на сто лет вперед — как минимум для строительства и проектирования инфраструктуры и зданий. К сожалению, на признание идей советского ученого о глобальном потеплении ушло без малого 20 лет — и это только в научном сообществе.
От шахмат к геофизике
Михаил Иванович Будыко родился 22 января 1920 года и провел первые девять лет жизни в Белоруссии в городе Гомель. Затем его родители вернулись в родной для них Ленинград, где в 1937 году он закончил школу. В начале Великой Отечественной войны Ленинградский политехнический институт(ЛПИ), где работал отец и дядя Михаила Ивановича и учился он сам, был эвакуирован из города на Урал, в Свердловск.
Там будущий отец современной климатологии сближается с Михаилом Исааковичем Юдиным, — одним из ведущих специалистов по динамической метеорологии, — оказавшимся в Свердловске вместе с эвакуированными сотрудниками Главной геофизической обсерватории им. Воейкова (ГГО). 28-летнему Юдину было поручено сформировать в ГГО отдел военной метеорологии. Недолго думая, он приглашает работать в отдел друга по шахматам, Михаила Будыко. Вместе они начинают погружаться в не слишком тогда популярную метеорологическую науку.
Будыко так объяснял свой выбор: «Когда я оканчивал Политехнический институт, шла война, и все было неясно. Совершенно случайно меня пригласили не в физический, а в геофизический институт, который занимался проблемами, связанными с войной. Я и представить не мог, что буду более 50 лет идти начатым путем. Но каждая моя научная статья или книга становилась маленьким шагом, после которого следующий шаг был неизбежен».
Так, почти случайно, определился жизненный путь Михаила Ивановича и вместе с ним направление развития климатологии на ближайшие полвека.
Первые шаги в науке
Неудивительно, что первое исследование Михаила Ивановича находилось на пересечении физики и метеорологии. Оно было посвящено влиянию турбулентности пограничного слоя атмосферы на испарения с «подстилающей поверхности». Здесь впервые проявился свойственный Будыко подход, в котором теория подкреплялась обширными практическими исследованиями. В данном случае, полученная в ЛПИ теоретическая подготовка по аэродинамике была дополнена полевыми исследованиями на почвенных испарителях вблизи Свердловска.
Исследование настолько увлекло его, что вскоре Будыко сел за учебники и сдал требовавшиеся для защиты кандидатской диссертации экзамены. Итогом ее защиты стало создание математической модели турбулентности приземного слоя атмосферы. Будыко предложил использовать индекс устойчивости пограничного слоя, рассчитываемый по разности измеряемых на двух уровнях значений температуры и скорости ветра, и дал ему физическое обоснование. Предложенный индекс до сих пор используется в современных автоматизированных системах метеонаблюдений.
Еще одна важная разработка Михаила Ивановича — «комплексный метод расчета испарения», позволивший многократно увеличить точность метеорологических прогнозов погоды. Предложенный Будыко и его коллегой Лидией Ивановной Зубенок в первые послевоенные годы, этот метод позволяет рассчитать среднемесячные значения испарения с поверхности суши по измеряемым данным об осадках, стоке, температуре, влажности воздуха и влагозапасу в верхнем метровом слое почвы.
Свое 28-летие Михаил Иванович отметил выходом монографии «Испарение в естественных условиях». Она стала и его докторской диссертацией, сделав Будыко первым метеорологом в СССР, получившим столь высокую научную степень до 30 лет. Молодому ученому предложили занять должность заместителя директора Главной геофизической обсерватории им. Воейкова. Увлеченный научными изысканиями Будыко сначала отказался от должности, но масштаб научных исследований убедил его, что в одиночку справиться будет невозможно, и в 1951 году он вступил в должность заместителя директора ГГО, а в 1954 году стал директором обсерватории.
Будыко так вспоминал работу в ГГО: «Я отвечал за всю климатологию в стране… Мне не нужно было ничего ни у кого спрашивать и получать разрешения. Руководство давало деньги, а на что их тратить я решал сам. Когда я только стал директором, в ГГО работали 500 человек. За 20 лет моей работы число сотрудников увеличилось в три раза до 1 500 человек. Но эта свобода не была бесплатной… Времени на самостоятельную научную работу у меня все эти годы было очень мало».
Климатология: от описания к прогнозированию
В начале 50-х Будыко полагал, что климатическая система более или менее замкнута — в ней нет главных или второстепенных процессов, а изменение климата определяется в первую очередь энергией. Это стало краеугольным камнем всех его последующих исследований. Михаил Иванович начал работать вместе с выдающимся российским географом и климатологом Андреем Александровичем Григорьевым. Вместе они пришли к пониманию того, что главным механизмом климата является тепловой баланс поверхности, поддерживаемый солнечной радиацией, с одной стороны, и уходящим излучением, а также явными и скрытыми потоками тепла, с другой.
Важным для понимания климатических изменений является вопрос о строении подстилающей поверхности. Ее изменения, — такие как смена растительности и влажности почв, облачность, — влияют на тепловой баланс, температуру поверхности и атмосферы в целом. Это наблюдение позволило Будыко и Григорьеву предложить свою классификацию климатов Земли и сформулировать периодический закон географической зональности. Их работа имела двойное значение: 1) она выявила главная особенность зональности — ее периодичность; 2) установила количественные показатели для проведения границ ландшафтных зон.
На смену эмпирическим классификациям климата благодаря Будыко пришел анализ данных на основе измеряемых количественных показателей. Это позволило Михаилу Ивановичу и сотрудникам ГГО составить атлас теплового баланса Земли. Их работа была награждена Ленинской премией и получила широкую известность за рубежом. Поняв, как работает связь между температурой воздуха и поверхностью и как это можно выразить количественно, Михаил Иванович разработал энергобалансовую модель климата. Она была опубликована в 1968 году в журнале «Метеорология и гидрология», а через год в английском журнале «Tellus». Схожую модель предложил в то же время Уильям Селлерс. В последующем эти модели получили название «модели Будыко — Селлерса».
Обложка монографии М.И. Будыко, 1974 год
Работая над энергобалансовой моделью, Будыко столкнулся с необходимостью проведения оценки ускорения потепления в результате увеличения уровня СО2 в атмосфере. Михаилу Ивановичу предстояло понять, как изменится глобальная температура в случае, если концентрация углекислого газа увеличится вдвое по сравнению с доиндустриальной эпохой. Эмпирические данные для этого можно было получить через исследование палеоклимата. Проведя анализ немногочисленных на тот момент данных по истории климата, ученый предположил, что чувствительность климата составляет около 3 градусов по Цельсию. Будыко установил, что такой рост приведет к разрушительным изменениям окружающей среды. Современные исследования — например, последний доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата — определяют эту величину в том же диапазоне, что и профессор Будыко, за 50 лет до них.
Климат в большой политике
Еще одним шагом к глобальному обсуждению климата и его изменений стало создание так называемой «Рабочей группы № 8» (РГ8). Она возникла по итогам заключенного в 1972 году Соглашения о сотрудничестве в области охраны окружающей среды между СССР и США. Со стороны Советского союза РГ8 бессменно возглавлял Михаил Будыко, и эта группа дала продуктивный пример кооперации ученых даже в самые непростые годы «холодной войны».
Уже к началу 80-х многие советские и американские участники группы установили личные контакты и нашли общие научные интересы. Начался обмен метеорологическими данными между США и СССР, анализ предстоящих изменений климата на основе используемого в СССР метода палеоаналогов и развиваемых в США численных моделей общей циркуляции атмосферы и океана. РГ8 сыграла большую роль не только в развитии научной деятельности, но и в улучшении отношений между странами. Все это не могло бы произойти без работы Михаила Ивановича Будыко.
В 1992 году, вскоре после распада СССР, деятельность группы была прекращена. Тогда же Михаил Иванович был избран академиком РАН и до конца жизни руководил созданным им отделом, работая над прогнозированием климата будущего.
В 1998 году Михаил Иванович получил почетную премию «Голубая Планета» Фонда Асахи — своего рода аналог Нобелевской премии в области экологии. К премии полагалась денежная часть в размере 400 тысяч долларов. Поскольку ученый не понимал, как их потратить, они долгое время просто лежали у него в квартире в Санкт-Петербурге. Но однажды Будыко узнал, что известный физик Жорес Алферов планирует организовать школу для молодых физиков. Не долго думая, Михаил отсчитал половину премии и передал Алферову.
***
Михаил Иванович Будыко скончался 10 декабря 2001 года, но его открытия в климатологии и научные прогнозы продолжают быть актуальными и сегодня. Во многом благодаря его научному наследию в России в сентябре 2021 года была принята программа низкоуглеродного развития до 2060 года.