Ученые создают модель для отслеживания каждой капли воды на Земле

Вода находится в центре климатической системы Земли – ее бывает слишком много, слишком мало или она появляется не вовремя. Современные климатические модели могут предсказать, сколько выпадет осадков или насколько влажным будет воздух, но они редко отвечают на более простой, но, возможно, более важный вопрос: откуда взялась эта вода?

Новый проект, возглавляемый Университетом Райса и Национальным центром атмосферных исследований Национального научного фонда США (NSF NCAR), призван это изменить. Инициатива под названием SCI-SWIM – сокращение от «устойчивая общественная инфраструктура для моделирования стабильных изотопов воды» – создаст новую, усовершенствованную версию Общественной модели земной системы (CESM). Эта модель сможет отслеживать перемещение воды по всей планете – от облаков в небе до толстых ледяных щитов глубоко под землей.

«Эта работа направлена на расширение возможностей научного сообщества по изучению круговорота воды в пространстве и времени», – говорит Сильвия Ди, доцент кафедры наук о Земле, окружающей среде и планетах в Университете Райса. – «Наш проект поможет нам понять уникальные «отпечатки» воды по мере ее движения через климатическую систему: мы сможем узнать не только, сколько выпадает дождя, но и откуда пришла эта влага и как она путешествует через океаны, атмосферу или поверхность суши».

Эти «отпечатки» представляют собой стабильные изотопы воды – крошечные вариации в молекулах воды, которые предсказуемо изменяются при испарении, конденсации, замерзании или таянии. Следуя за этими едва уловимыми сигналами, климатологи могут определить, принес ли шторм влагу из ближайшего океана или с другого конца земного шара. Они могут отделить испарение от растений от испарения с почвы и напрямую сравнивать свои симуляции с растущей сетью реальных измерений изотопов, собранных спутниками, исследовательскими самолетами и даже полученных из древних ледяных кернов.

Подход не является абсолютно новым, но SCI-SWIM представляет собой полную переработку системы. Проект навсегда встроит отслеживание изотопов в модель CESM, что упростит ее обслуживание и адаптацию к технологическим достижениям. В основе лежит новый код атмосферной модели CAM-SIMA, который обеспечивает гибкость и совместимость физических схем.

Научные возможности, которые открывает эта технология, могут затронуть самые большие вопросы климатологии. В атмосфере изотопы дают подсказки о формировании облаков – процессах, играющих огромную роль в скорости потепления Земли. На суше они помогают понять, почему модели часто переоценивают влажность в засушливых регионах. В полярных областях моделирование ледяных щитов с использованием изотопов даст новое представление о том, как ледяные керны хранят историю климата и как таяние ледников повлияет на уровень моря.

«Стабильные изотопы воды – это природные индикаторы», – отмечает Цзян Чжу, научный сотрудник NSF NCAR и руководитель проекта. – «Они дают нам прямую линию сравнения между моделями и наблюдениями, от дождя за вашим окном сегодня до слоев льда, фиксирующих климат тысячи лет назад».

Проект рассчитан на широкое научное сообщество и включает образовательные инициативы. Команда планирует внедрить учебные модули для студентов, предоставить пособия для молодых исследователей и даже сотрудничать со школами в Хьюстоне для сбора образцов дождевой воды для анализа. Ожидается, что в течение пяти лет будет создана готовая к использованию модель CESM с поддержкой изотопов, доступная любому ученому. Это позволит улучшить прогнозы экстремальных погодных явлений и сделать более надежными оценки будущих рисков.

«Климатический риск – это риск, связанный с водой», – заключает Чжу. – «Отслеживая каждую каплю воды – откуда она берется, куда направляется и как меняется на своем пути, – мы можем предоставить сообществам, политикам и ученым информацию, необходимую для подготовки к будущему».