Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2022, T. 58, № 2, стр. 127-137

ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД

Игорь Леонидович получил прекрасную математическую подготовку: по итогам обучения на математико-механическом факультете Ленинградского государственного университета (1944–1949 гг.) по кафедре гидроаэромеханики был получен диплом с отличием. Далее последовало трeхлетнее обучение в аспирантуре на кафедре математической физики, результатом которого стала успешная защита в ноябре 1952 г. кандидатской диссертации на тему: “Некоторые краевые задачи для уравнений в частных производных смешанного эллиптико – гиперболического типа”. Такая подготовка предопределила на всю жизнь выбор научного направления его исследований, связанного с математическим моделированием процессов, происходящих в окружающей среде.

Следует отметить еще один важный аспект: в семье Игоря Леонидовича придавали важное значение изучению иностранных языков. Как следствие, к моменту начала своей исследовательской деятельности он свободно владел английским языком, на бытовом уровне – французским и немецким. В дальнейшем это знание стало надежной основой как при ознакомлении со свежими статьями в иностранной периодике и при собственных публикациях в ней, так и при живом контакте с зарубежными коллегами, а, значит, позволяло “держать руку на пульсе” не только отечественных, но и иностранных последних научных достижений.

ПЕРИОД ПЕРВЫЙ. ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ АТМОСФЕРЫ

Хотя современные модельные исследования в области метеорологии и климатологии опираются на фундаментальные законы природы (“законы сохранения”, описываемые обычно системой уравнений Навье–Стокса), они по большей части посвящены решению прикладных задач, наиболее актуальных на данный момент времени. В 1950–60-е гг. такой задачей стала необходимость изучения и оценки последствий движения в экваториальной стратосфере облаков, образовавшихся в результате ядерных взрывов - продуктов производимых в те годы испытаний водородных бомб на тихоокеанских островах. Такие работы проводились, в частности, в Геофизическом Институте АН СССР (ныне Институт Экспериментальной Метеорологии в составе НПО “Тайфун”), куда на должность старшего научного сотрудника в августе 1956 г. пришeл И.Л. Кароль. Специфика той поставленной перед учeными задачи не располагала к ее освещению в открытой печати. Тем не менее, некоторые результаты тех исследований с участием Игоря Леонидовича можно найти в [1, 2].

В этот период, наряду с работой по плановой тематике, Игорь Леонидович занимался теоретической разработкой модели, воспроизводящей реальные динамические атмосферные процессы. Эта модель, численная, построенная на конечно-разностном подходе, в дальнейшем была реализована и положена в основу его докторской диссертации на тему “Расчет глобального распространения и выпадения радиоактивных изотопов и вопросы планетарного обмена в тропосфере и нижней стратосфере”, защита которой состоялась в 1970 г.

Двумя годами позже диссертационные материалы легли в основу статьи [3] и монографии [4], впоследствии ставшей учебником для специалистов, занимающихся моделированием атмосферной циркуляции, причем, не только в нашей стране, но и за рубежом (она была переведена на английский язык и издана в 1974 г. [5]). В статье [3] был сделан вывод о важной роли учета циркуляции для переноса примесей. Рис. 1, заимствованный из [3], показывает, как циркуляция при расчете переноса изотопа ⁵⁴Mn влияет на модельные результаты. Эту работу логично было продолжить, используя более мощную вычислительную технику, однако к этому времени уже возникли новые задачи, а “шаги в неизвестное” всегда больше привлекали Игоря Леонидовича, принимавшего вызов.

Рис. 1.

Концентрации ⁵⁴Mn на высотном уровне 20 км и на 40° с.ш. (сплошные линии) и 40° ю.ш. (пунктирные линии) по измерениям и рассчетам для вариантов модели без циркуляции (плюс) и с учетом циркуляции (ромб). Рассчитанная концентрация умножена на соответствующий поправочный коэффициент A. Рисунок выполнен по данным из [3].

ПЕРИОД ВТОРОЙ. МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ И РАДИАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В АТМОСФЕРЕ

В 1972 году И.Л. Кароль окончательно возвращается в родной город, чтобы работать в Главной геофизической обсерватории, по приглашению ее тогдашнего директора М.И. Будыко. Перед ним и созданной под его началом лабораторией в разные годы ставился целый комплекс задач – получение модельных оценок: а) последствий попадания в атмосферу продуктов сгорания топлива авиационных и ракетных двигателей, б) откликов климатической системы на антропогенное загрязнение атмосферы, в) возможных радиационных и фотохимических эффектов, вызванных ядерными взрывами, г) влияния солнечной радиации на газовый состав атмосферы и др. В 1970-х годах, по существу, состоялось рождение химии атмосферы как отдельной науки. Для ее успешного развития были необходимы усилия многих специалистов: отсутствовали мониторинг содержания и эволюции компонентов атмосферного воздуха, данные о кинетике фотохимических реакций и, конечно, численные модели, способные адекватно действительности воспроизводить комплекс этих реакций. Более того, прямая зависимость характера химических взаимодействий от интенсивности солнечного излучения и температуры обусловливала необходимость включения в модели расчетов радиационных потоков. На создание (одновременно с западными учеными) первых моделей взаимодействий радиационных и фотохимических процессов – моделей одномерных и двумерных, ушли первые годы работы в ГГО. Постепенно стали появляться и плоды этой работы.

Красной нитью через исследования тех лет прошла озоновая проблема. После того, как в первой половине 1970-х появился ряд работ, указывающих на вероятные механизмы разрушения озонового слоя Земли [6–9] (в середине 1980-х “подкрепленных” открытием антарктической озоновой дыры), изучение озоносферы стало приоритетным направлением исследований. И.Л. Кароль, наряду с А.Х. Хргианом, – крупнейший отечественный специалист в этой области, а модельные исследования озоносферы – его вотчина. Помимо многочисленных статей, Игорем Леонидовичем подготовлены монография, в которой изложены подробное описание парка используемых его лабораторией моделей и результаты модельных расчетов при помощи этих моделей [10], а позже обобщающая статья [11].

В эти годы у И.Л. Кароля сформировалось понимание путей развития моделей, предназначенных для исследования озонового слоя. Он понимал необходимость постепенного наращивания сложности моделей путем подключения новых механизмов и увеличения временного и пространственного охвата, осознавая в то же время наличие ограниченных вычислительных возможностей. В результате этой политики ряд использованных И.Л. Каролем моделей включал их иерархию. Боксовые модели, например, использовались для оценки фотохимических преобразований в выбросах самолетов и ракет [12]. Одним из важных достижений стал вывод о возможном разрушении озона выбросами американских Шаттлов, продемонстрированный в высокоцитируемой статье [13]. Одномерные радиационно-конвективные и фотохимические модели использовались для оценок воздействия на озон эмиссий хлор- и бромсодержащих химикатов, полетов гражданской авиации, 11-летнего цикла солнечной активности, вулканических извержений, кувейтских нефтяных пожаров, последствий ядерной войны, расчета озоноразрушающих потенциалов некоторых химикатов и других целей. Дальнейший прогресс был связан с созданием двумерной модели [14], которая наряду с одномерной фотохимической моделью была применена для расчетов состояния озонового слоя в последнем ледниковом периоде [15, 16]. Рисунок 2 из [16] показывает обнаруженное сильное уменьшение концентрации тропосферного озона по сравнению с настоящим временем (ср. кривые 1 и 6), связанное с отсутствием антропогенных загрязнителей в прошлом.

Рис. 2.

Вертикальные профили отклонения расчетной концентрации озона (%) от доиндустриального профиля: период 1985 г. (сплошная линия), ледниковый период (пунктирная линия). Рисунок построен по данным из работы [16].

На рубеже XX и XXI веков в лаборатории была впервые создана трехмерная химико-транспортная модель MEZON, представленная позже в высокоцитируемой публикации [17]. Эта модель открыла возможность более точного расчета состояния озонового слоя и его отклика на ограничения производства галогеносодержащих примесей [18]. Рис. 3 показывает, что уже к 2000 году Монреальский протокол спас около 3% озона в южном полушарии.

Рис. 3.

Географическое распределение общего разрушения озона, предотвращенного Монреальским протоколом в процентах в марте 2000 г. (а) и октябре 1999 г. (б). Значения изолиний равны 0.0; 0.5; 1.0; 1.5; 3.0; 4.0; 5.0%. Рисунок построен по данным из работы [18].

Модель MEZON, созданная при активном и непосредственном участии И.Л. Кароля, послужила базой для разработки и применения в последующие десятилетия целого семейства моделей земной системы с интерактивной химией (см., например, [19]).

Благодаря постоянному совершенствованию математических моделей, достижению их высокой интерактивности, произошло качественное улучшение прогнозов, как будет меняться общее содержание озона в зависимости от многих формирующих его факторов (эволюции озоноактивных составляющих атмосферного воздуха, интенсивности полетов гражданской авиации, условий освещенности атмосферы и пр.), соответствующие оценки представлены в [20, 21]. Одним из интереснейших выводов стало выяснение особенностей влияния парникового потепления. В работе [21] и на рис. 4 показано рассчитанное с помощью химико-климатической модели SOCOL изменение содержания озона в будущем за счет всех действующих факторов и только за счет увеличения температуры поверхности океана. Сравнение графиков показывает, что значительное уменьшение содержания озона в тропической нижней стратосфере почти полностью объясняется ускорением циркуляции Брюера–Добсона, вызванным парниковым потеплением.

Рис. 4.

Зональные, среднегодовые и средние по ансамблю изменения концентрации озона. Соотношение (%) с 2000 по 2100 гг., вызванное всеми факторами (слева) и только нагревом океана (справа). Цвет указывает регионы, где изменения оцениваются статистически значимыми на уровне 5% или выше.

Однако, несмотря на то, что озоновая тематика превалировала, одновременно велись исследования и по другим направлениям. В частности, анализировалась зависимость концентрации ключевого, способствующего самоочищению атмосферы радикала гидроксила от содержания в тропосфере азотных окислов и окиси углерода [22–24], моделировались процессы, происходящие в конвективном облаке [25], оценивались последствия нанесения ядерного удара [26], изучалось влияние внешних условий на состав авиационных выбросов [27] и воздействия солнечных протонных вспышек на мезосферу [28 ] , реконструировались газовый состав и температура атмосферы в последние ледниковый и межледниковый периоды [16] и др.

ПЕРИОД ТРЕТИЙ. МОДЕЛИРОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА

Несмотря на то, что изучение и защита озонового слоя по сей день остаются актуальными, параллельно существует еще одна глобальная проблема – проблема современных беспрецедентно быстрых изменений климата, которая в последние десятилетия вышла на первый план. Причина этих изменений, как известно, кроется в усилении парникового эффекта в результате хозяйственной деятельности человека (см., например, [29]). Переключение на климатическую тематику для Игоря Леонидовича не вызывало принципиальных трудностей, поскольку многие парниковые газы прямо или косвенно участвовали в формировании озонового слоя, то эволюция их концентраций в атмосфере рассчитывалась в уже построенных моделях (да и сам озон является парниковым газом). Таким образом, имеющиеся модели нуждались лишь в относительно небольшой корректировке с учетом специфики новых задач.

Одной из таких задач стало обсуждение критериев, позволяющих сравнивать относительные вклады различных факторов в глобальное потепление.

В работе [30] рассматривается набор метрик, численно характеризующих как глобальный эффект потепления, так и эффекты, обусловленные отдельными природными явлениями и индивидуально парниковыми газами. Одновременно представлены оценки изменений температурного режима в соответствии со сценариями эмиссии парниковых газов. Проблема компенсации парникового потепления путем создания искусственного аэрозольного слоя в стратосфере была затронута в работе [31]. Использование двумерной энергобалансовой модели позволило определить необходимую для компенсации парникового эффекта массу аэрозоля и ограничения по пространственному распределению выбросов аэрозоля. Основные результаты работы показаны на рис. 5. Интерес представляет сложный отклик системы на выброс аэрозоля в стратосферу высоких северных широт.

Рис. 5.

Широтный ход изменения температуры за счет повышения концентраций парниковых газов с 1850 по 2010 гг. и увеличения стратосферного аэрозоля в широтных поясах 90° ю.ш.–90° с.ш. (красная линия), 70° ю.ш.–70° сш (черная сплошная линия), 50° ю.ш.–50° с.ш. (синяя линия), 30° ю.ш.–30° с.ш. (зеленая линия), 30° с.ш.–50° с.ш. (фиолетовая пунктирная линия), 30° с.ш.–70° с.ш. (черная пунктирная линия).

Отдельное внимание было уделено одному из наиболее эффективных антропогенных парниковых газов – метану. Наличие у него очень разнородных и трудно поддающихся мониторингу наземных источников (потоки с переувлажненных территорий, продукты жизнедеятельности крупных травоядных животных, выбросы при разработке нефтегазовых и угольных месторождений и пр.) порождало и порождает большие погрешности в ходе их инвентаризации в региональном и глобальном масштабах. Сказанное в полной мере относится и к российской территории. В ходе исследований были получены модельные оценки последствий эмиссии метана с территории нашей страны [32, 33], а также, посредством решения обратной задачи, оценки размеров эмиссии метана с западносибирских месторождений [34, 35]. В последние годы эти работы получили продолжение [36, 37], благодаря грантам РФФИ, руководителем которых был Игорь Леонидович.

Опыт изучения воздействия отклика газового состава и температурного режима [26] пригодился при оценках последствий крупномасштабных пожаров на нефтяных месторождениях Кувейта и лесных пожаров в Сибири и на Дальнем Востоке [38, 39].

Пристальное внимание приковано в последние годы к Арктике. Оно обусловлено темпами потепления региона, многократно превышающими среднеглобальные значения. Арктический совет инициировал целый ряд исследований, предназначенных для изучения региональных особенностей климатообразующих факторов. В одном из них, посвященном модельным оценкам эволюции арктического климата в ближайшем будущем, принял участие в качестве автора И.Л. Кароль [40].

Откликом на фактическое прекращение действия Киотского протокола, после выхода из него Канады, Японии и России стало создание в 2012 г. кампании, направленной на сокращение выбросов ряда газов и аэрозолей, чье воздействие на радиационный режим и на климат значительно, но их время пребывания в атмосфере существенно короче (недели, месяцы или годы), чем у СО₂. Возникла потребность в критической экспертизе эффективности мер в рамках данного подхода. Проведенный Игорем Леонидовичем с коллегами анализ обширной информации на базе имевшихся литературных источников нашел отражение в обзоре [41].

ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

Первый опыт преподавания был получен И.Л. Каролем 1950-е годы, когда он читал лекции и вел практические занятия по высшей математике и математическому анализу сначала в Ленинградском инженерно-экономическом институте, а затем в Свердловском государственном педагогическом институте. Этот опыт пригодился в дальнейшем, когда начиная с 1975 года он стал читать курс лекций по динамике атмосферы сначала на математико-механическом, а позже на физическом факультетах Ленинградского государственного университета. Во многом именно из числа слушателей этого курса в последующие годы была сформирована его лаборатория в стенах Главной геофизической обсерватории. В помощь освоения курса Игорь Леонидович подготовил учебную монографию [42], до сих пор не утратившую своего значения, однако диапазон обсуждаемых на лекциях тем был гораздо шире, благодаря его широкой общей и научной эрудиции и осведомленности о самых последних достижениях. Стремительный рост объема климатической информации, в значительной степени связанный с бурным развитием спутникового мониторинга и вычислительных мощностей, сделал очевидной необходимость расширения рамок учебного материала. С 1997/98 учебного года И.Л. Кароль читает лекции по теории климата, теории общей циркуляции атмосферы, современным проблемам климатологии на кафедре климатологии СПбГУ. Этот курс за более чем полтора десятка лет прослушали сотни молодых людей, многие из которых пополнили ряды специалистов, чья работа связана с исследованиями современного климата.

Отдельного упоминания заслуживает деятельность Игоря Леонидовича, направленная на подготовку кадров высшей квалификации. Долгое время он читал лекции для молодых ученых, обучающихся в аспирантуре ГГО. И что не менее важно, под его руководством защитили кандидатские диссертации 15 аспирантов (в том числе авторы данной статьи).

Игорь Леонидович понимал необходимость развития озоновой тематики и численного моделирования атмосферной фотохимии не только в рамках руководимой им лаборатории в ГГО, но и в других научных и учебных организациях СССР, а затем и Российской Федерации. Вдохновленные его лекциями в СПбГУ и на других площадках его ученики создали научные группы в Ленинградском гидрометеорологическом университете (с 1990-х годов Российский государственный гидрометеорологический университет), Новосибирском государственном университете и других организациях, которые развивали и развивают фотохимические модели разной размерности, нацеленные на изучение эволюции озонового слоя и газового состава атмосферы в период изменения климата и меняющегося антропогенного воздействия на окружающую среду. Игорь Леонидович никогда не опасался научной конкуренции и всегда помогал специалистам из других организаций развиваться в научном плане, делился своим опытом и идеями, предоставлял вычислительные и библиографические возможности своей лаборатории для работы специалистов из других организаций. Во многом благодаря полученным от Игоря Леонидовича знаниям и идеям его ученикам удалось создать в последние годы в рамках СПбГУ Лабораторию исследования озонового слоя и верхней атмосферы, которая получила поддержку программы мегагрантов Правительства Российской Федерации.

ПОПУЛЯРИЗАЦИЯ НАУКИ

Игорь Леонидович считал важной частью своей работы доводить наиболее значимые результаты исследований, особенно по имеющим широкий общественный резонанс вопросам, до сведения как можно более широкой аудитории – людей любознательных, но занятых в других гуманитарных и технических областях, с другой научной специализацией. Одно время он был лектором общества “Знание”, но сознавал невысокую эффективность такого способа популяризации научных знаний из-за малочисленности слушательской аудитории. Бо́льшие возможности представлялись при подготовке публикаций либо в виде монографий, либо статей в научно-популярных журналах. И эти возможности он использовал очень активно (особой его любовью пользовался академический журнал “Природа”, и редакция отвечала ему взаимностью).

Неудивительно, что в значительном числе научно-популярных материалов за авторством Игоря Леонидовича уделено внимание различным аспектам состояния и эволюции озоносферы, к этой теме он многократно возвращался [43–46]. Интенсивное изучение мировым “озоновым сообществом” различных аспектов формирования озонового слоя Земли способствовало быстрому пополнению научных знаний о нем, поэтому существовала потребность в оперативном ознакомлении широкого круга специалистов с текущим положением дел. Для удовлетворения этой потребности Игорь Леонидович с коллегами выпускают три монографии [47–49], кроме того он соавторствует в написании регулярно выпускаемых под эгидой Всемирной метеорологической организации обзорах [50, 51], а также в специальном отчете Межправительственной Группы Экспертов по Изменению Климата [52].

Несколько публикаций посвящено другому компоненту атмосферного воздуха, важному антропогенному парниковому газу – метану [53–55]. В разные годы обсуждались проблемы выбросов продуктов сгорания авиационных двигателей [56, 57], последствия возможной ядерной войны [58] и лесных пожаров [59], особенности климата Арктики [60] и России [61], статистка и причины появления экстремальных погодных явлений [62], эффективность международных соглашений по климату [63] и многое другое.

Ряд научно-популярных публикаций И.Л. Кароля получил общественное признание. Несколько статей стали победителями конкурсов на лучшую научно-популярную статью, проводившихся Российским фондом фундаментальных исследований, рассказ о возможностях, достоинствах и недостатках современных климатических моделей [64] получил первую премию на Всероссийском фестивале науки (конкурс “Наука – обществу”). Книга “Парадоксы климата” [65], подробно рассказывающая о процессах, формирующих климат нашей планеты, причинах и вероятных последствиях его изменения, отмечена премией Росгидромета за лучшие научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы за 2014 г., а также была номинантом на всероссийскую премию “Просветитель”.

ПОДВОДЯ ЧЕРТУ

Сам Игорь Леонидович оценивал свой путь в науке очень скромно: “Фундаментальных результатов не получено, в основном занимался актуальными текущими проблемами физики и химии атмосферы и климата. Вместе со всеми поднимал уровень советской, российской и мировой науки. Актуальность полученных результатов в современном мире быстро падает со временем”. С формальной точки зрения это правда, но…

Первые шаги, открывающие принципиально новые направления исследований всегда трудны. Игорь Леонидович был одним из пионеров применения методов математического моделирования в области атмосферной химии и климата в мире и первым в СССР. Огромная значимость этого прорыва недавно официально признана мировым сообществом: Нобелевская премия по физике за 2021 год присуждена С. Манабе – автору первой (на сегодняшний день уже архаичной) климатической модели. Развитие целого парка оригинальных моделей, счастливо совпавшее с бурным прогрессом в области компьютерных технологий, позволило И.Л. Каролю в течение многих десятилетий проводить теоретические исследования, направленные на решение очень разноплановых задач. Практически все полученные в ходе работы результаты становились новыми, поскольку как химия атмосферы, так и климатология (не в части накопления наблюдательной информации, а в части глубокого анализа климатоформирующих процессов и прогнозов будущих изменений климата) были, по сути, зарождающимися науками. Эти результаты представлены в более чем 230 научных статьях и 20 монографиях (включая научно-популярные).

Особое место в своих работах Игорь Леонидович отводил озоновой проблеме, ряд новаторских исследований в этой области позволил ему по праву войти в число крупнейших в нашей стране и в мире специалистов в области изучения озонового слоя. Другой сферой приложения модельных методов стало исследование причин и последствий изменений современного климата.

Глубокие всесторонние познания и высокий научный авторитет Игоря Леонидовича были востребованы на протяжении многих лет: он представлял нашу страну в ряде международных организаций и проектов (был членом Международной Комиссии по радиоактивности атмосферы, затем Комиссии по химии и глобальным загрязнениям атмосферы Международной Ассоциации по Метеорологии и Физике Атмосферы Международного Союза по Геофизике и Геодезии (МАМФА, МГГС); членом Объединенного Научного Комитета Всемирной Программы Исследования Климата ВПИК ВМО/МСНС с 1987 по 1992 гг.; руководителем проекта “Состав атмосферы” Рабочей группы VIII Совместной Комиссии СССР (Россия) – США в области охраны окружающей среды с 1974 по 1994 гг. и др.), был экспертом Российского Фонда Фундаментальных Исследований и Российского Научного Фонда, участником подготовки Климатической доктрины Российской Федерации и двух Оценочных докладов об изменениях климата Росгидромета, членом редколлегии журнала “Известия РАН. Физика атмосферы и океана” и Journal of Geophysical Research (с 1993 по 1996 гг.), членом ряда научных советов при Росгидромете и РАН.

Плодотворная научная деятельность И.Л. Кароля была отмечена премиями и государственными наградами. Указами Президента ему присвоено звание “Заслуженный деятель науки Российской Федерации”, за заслуги в области метеорологии и многолетнюю плодотворную работу он награжден медалью ордена “За заслуги перед Отечеством” 2-й степени. В 2008 г. Игорю Леонидовичу присуждена премия им. М.И. Будыко (за цикл работ, посвященных проблеме глобальных изменений климата и исследования по изучению изменений газового и аэрозольного состава атмосферы в результате естественных и антропогенных факторов). Межправительственная группа экспертов по изменению климата как Нобелевский лауреат 2007 г. отметила грамотой вклад И.Л. Кароля в ее работу.

Однако своим главным достижением Игорь Леонидович считал не богатое научное наследие, а подготовку к самостоятельной работе своих многих последователей – учеников. Спасибо ему за науку и веру в нас!