Погода - це те, що щодня цікавить практично кожної людини. Тому прогноз погоди ставився і буде ставитися до найцікавіших і завжди злободенним новин. При цьому точність таких прогнозів завжди і всюди викликає нарікання. Чи можлива математична точність в прогнозі погоди? Якщо ні, то чому? А якщо так, то до якої міри? Про це наша розмова з доктором фізико-математичних наук, професором, керівником лабораторії математичного моделювання гідротермодінаміческіх процесів в природному середовищі Інституту обчислювальної математики і математичної геофізики (ІВМіМГ) СО РАН Смелаом Вікторовичем Пененко.
Існує ряд визначень погоди. Найкоротша звучить так: «Погода - це поточний стан атмосфери». Вивченням і прогнозуванням погоди займається метеорологія. Вперше цей термін використав ще Аристотель. В цілому ряді країн сьогодні метеорологію називають «фізикою атмосфери». Фізика - точна наука, але чи багато хто споживачі прогнозів погоди погодяться сьогодні вважати метеорологію точною наукою? Мабуть ні.
У зв'язку з цим варто згадати, що відомий український і радянський фізик, один з творців теорії нестаціонарної (розширюється) Всесвіту Олександр Фрідман займався не тільки космологією, але і метеорологією. У астрофізиці він міг будувати прогнози про долю Всесвіту на мільярди років вперед, а в масштабах однієї планети Земля зіткнувся з тим, що неможливо з абсолютною точністю передбачити погоду на кілька днів вперед.
Чому метеорологія не може бути такою ж точною в своїх прогнозах, як, припустимо, астрономія і астрофізика? З цього запитання розпочалася наша бесіда з Смелаом Вікторовичем Пененко.
За його словами, в силу постійної мінливості атмосферних процесів точний прогноз погоди - справа дуже складна. І існують об'єктивні межі передбачуваності навіть при використанні методів точних наук. Наприклад, за допомогою сучасних детермінованих математичних моделей прогноз погоди можна робити на термін близько 10 днів. Для достовірного прогнозу хімічної, аерозольної погоди (наприклад, стану забруднення повітря) потрібно інформації на порядки більше, ніж для прогнозу погоди, оскільки необхідно знати додатково докладну інформацію про всі джерелах і складі викидів, а також механізми трансформації первинних забруднюючих речовин і появи вторинних продуктів їх трансформації. Тому межа передбачуваності якості атмосфери значно коротше. І такі короткі терміни багато в чому пов'язані з сонячною активністю, прогнозування якої становить окрему проблему.
У зв'язку з цим виникає природне запитання. Все, напевно, чули вислів «кухня погоди» по відношенню до ряду мегарегіону Землі, наприклад, Арктики. Але виходить, що справжня кухня земної погоди знаходиться в 150 мільйонах кілометрів від нашої планети, на Сонце. І для того, щоб метеорологія могла з точністю передбачати погоду на Землі, вона повинна знати, що буде відбуватися на Сонце. А це, при сучасному рівні наукових знань, поки неможливо. Втім, для точного прогнозу погоди потрібно знати ще багато: вплив океанів, процесів в літосфері (наприклад, виверження вулканів), наслідки діяльності людини (техногенне забруднення природного середовища). Врахувати і прорахувати всі ці фактори неймовірно складно, а дуже часто і неможливо.
Однак з іншого приводу Ейнштейн говорив, що «Господь витончений, але не зловмисні». Природа, як правило, сама створює передумови для розгадок задаються нею ж загадок. Вона підпорядкована цілому ряду закономірностей, зокрема, циклічності. А вивчивши цикли минулого, можна передбачити і майбутнє. І це стосується процесів, що відбуваються як на Сонце, так і на Землі.
Ми повертаємося до нашої бесіди з Смелаом Вікторовичем Пененко. Він говорив саме про це. Про пошук довготривалої пам'яті в атмосферної циркуляції, тих головних чинників, які визначають погоду не на один день, а на тривалий період часу. Адже постійно мінлива погода утворює досить стійкий клімат. Клімат - це багаторічний режим погоди, характерний для даної місцевості в силу її географічного положення. Клімат, на відміну від погоди, може не мінятися досить тривалий час, а якщо і змінюється, то, як правило, дуже повільно. І він грунтується на повторюваних явищах і процесах, а то, що повторюється - передбачувано. Хоча спочатку термін «пам'ять кліматичної системи» мені здався дивним. Однак пам'ять є не тільки у тварин і рослин, пам'ять є навіть у металів. Так чому не може бути пам'яті у кліматичної системи?
Володимир Вікторович говорив про те, що в його лабораторії займаються пошуками ефектів довготривалої пам'яті, основними параметрами якої є головні чинники, що визначають погоду: атмосферний тиск, повітряні потоки, температура підстильної поверхні, температура океанів і ін. Зараз існують бази даних реаналіза, в яких зосереджена чимало інформації про атмосферної циркуляції з усіма супутніми процесами на період більше 60 років. У лабораторії створено математичну модель, яка дозволяє витягувати з цих баз даних інформацію про те, наскільки схожі або різні параметри системи в кожен конкретний день з періоду спостережень. Виявилося можливим розрахувати так звані «головні чинники», тобто виділити загальні закономірності, а також оцінити діапазон їх мінливості, умовно розділяючи кліматично значущі процеси і «погодні шуми». Цю інформацію можна використовувати для конструювання сценаріїв довгострокової мінливості циркуляції атмосферних процесів. І в даному випадку прогностичні сценарії будуються на обчисленнях за допомогою математичних моделей з використанням доступної метеорологічної інформації. Пушкін писав про можливість «повірити алгеброю гармонію», а в даному випадку мова йде про повірку математикою кліматичної системи. Втім, добре відома приказка про те, що «в кожній науці стільки науки, скільки в ній математики». І це вірно і щодо науки про погоду і клімат.
Однак при всій важливості прогнозування погоди, головне прикладне напрямок діяльності лабораторії, яку очолює Сміла Вікторович Пененко, пов'язане з проблемами екології, оцінки екологічної перспективи для індустріальних регіонів, міст, промислових і природних об'єктів. На основі багатофункціонального комплексу математичних методів і обчислень вирішується широкий спектр теоретичних і практичних завдань. Серед них: локальні і глобальні проблеми забруднень атмосфери; оцінка транскордонних переносів, розрахунок течій і забруднення водних об'єктів; природоохоронні завдання для нормальних і аварійних ситуацій в атмосфері і водних об'єктах; ідентифікація джерел антропогенних впливів; виявлення передумов і прогнозування наслідків екологічних катастроф; оцінка екологічного ризику та вразливості, а також вирішення низки інших проблем.