Низко расположенные облака над океанами — важный элемент климатической системы Земли: они отражают солнечный свет и тем самым охлаждают планету. Однако их поведение при изменении климата остается одной из самых сложных загадок для климатологов. Теперь крупный совместный проект Калифорнийского технологического института и Google позволил существенно продвинуться в ее решении.
Исследователи проанализировали реакцию низких облаков на повышение температуры поверхности моря и рост концентрации СО2. Для этого они провели свыше 7000 симуляций крупномасштабных вихрей (Large Eddy Simulation, LES) с высоким разрешением. В качестве исходных данных использовали сведения об атмосферных условиях и состоянии поверхности в 500 точках тропической части Тихого океана, собранных в течение четырех месяцев — это позволило учесть сезонные колебания. Моделирование охватывало четыре сценария изменения климата, включая повышение температуры на четыре градуса и увеличение концентрации СО2 в два или четыре раза.
Наши результаты показывают потенциально большую и быструю адаптацию низких облаков к высоким концентрациям углекислого газа, что предполагает, что климат Земли может быть более чувствительным к высоким уровням углекислого газа, чем это в настоящее время прогнозируется некоторыми климатическими моделями.
Ключевой вывод исследования — не только рост температуры, но и сам по себе повышенный уровень углекислого газа напрямую влияет на облака за счет изменений в распространении инфракрасного излучения. Причем эффект нелинейный: чем выше концентрация газа, тем сильнее воздействие. Кроме того, уменьшение площади низких облаков усиливает потепление: меньше отраженного солнечного света — выше температура, что создает петлю обратной связи.
Для расчетов использовали кластеры тензорных процессоров (TPU) от Google — чипов, изначально созданных для задач искусственного интеллекта и машинного обучения. Масштаб вычислений оказался беспрецедентным и позволил детально воспроизвести мелкомасштабную турбулентность, от которой зависит формирование и рассеивание облаков.
Важный итог работы — создание общедоступного набора данных. Он пригодится не только для уточнения современных климатических моделей, но и для изучения прошлого климата, например эпохи эоцена, когда уровень СО2 был в четыре раза выше нынешнего. Работа ведется в том числе в рамках Альянса по моделированию климата (CliMA), где данные планируют использовать для калибровки новых схем турбулентности и конвекции. По словам авторов, эти результаты помогут постепенно снизить неопределенность в долгосрочных климатических прогнозах.
Ранее Наука Mail рассказывала, что климат Арктики теплел синхронно на суше и в море.