Данные о климате прошлого исчезают вместе с таянием льдов.
Климатологи получают данные о свойствах и характеристиках ключевых климатических оболочек (атмосфера, гидросфера, биосфера, литосфера и криосфера) и обменных процессах между ними благодаря хорошо организованной системе наблюдений. Хотя глобальная система наблюдений за климатом была сформирована лишь в начале 1990-х годов, отдельные ее элементы существуют уже много лет. В целом, эра инструментальных наблюдений за климатом продолжается более 170 лет и охватывает различные методы наблюдений. Оборудование для наблюдений постоянно совершенствуется, увеличивается точность и охват, исследуются все более «тонкие» аспекты. Например, это включает в себя потоки парниковых газов из экосистем, накопление тепла в океанах, объем льда в ледниках, поглощающие свойства аэрозолей, а также расположение и интенсивность молний и т. д.
Если в XIX веке основными наблюдениями были инструментальные судовые измерения и метеорологические станции, то сейчас основным источником информации являются автоматические наблюдательные системы. Это включает контактные наблюдения, такие как автоматические метеостанции, буи, глайдеры и датчики, установленные на самолетах и дронов, а также средства дистанционного зондирования — спектрорадиометры, радары, лидары и содары. Эти приборы расположены как на Земле, так и в космосе, на спутниках. Например, ученые изучили аномалии гравитационного поля Земли и уменьшение объема льда в Гренландии и Антарктиде. По изменениям солнечного излучения в узких спектральных каналах климатологи фиксируют свойства аэрозолей, мелких твердых и жидких частиц, взвешенных в воздухе, которые существенно влияют на физику облаков, качество воздуха и климат Земли. Длительные программы наблюдений за океаном и атмосферой, такие как программы ПИГАП (Программа исследования глобальных атмосферных процессов), «Разрезы» и другие, также сыграли важную роль.
Российские и советские ученые значительно способствовали развитию климатологии. Например, М. Ф. Спасский первым сформулировал задачу оценки климата как физическую задачу, А. И. Воейков создал одни из первых климатических атласов мира и начал изучение энергетического бюджета поверхности, А. М. Обухов разработал фундаментальный закон турбулентности атмосферы, М. И. Будыко вычислил тепловой баланс Земли и создал одну из первых полуэмпирических моделей климата, оценив условия равновесного климата с ее помощью (подробнее см. ниже главу «Нужно кое-что объяснить»). Г. И. Марчук внедрил методы расщепления в численное моделирование погоды и климата, а С. С. Лаппо открыл существование глобальной термохалинной циркуляции в океане. Это далеко не полный список достижений — перечисление всех открытий в российской климатологии заняло бы не одну страницу. В настоящее время исследования в области климата и смежных областях (адаптация, смягчение последствий) ведутся научными коллективами из десятков организаций Российской академии наук, Росгидромета и высших учебных заведений.
Благодаря наблюдениям мы знаем, что за последние десятилетия концентрация парниковых газов в атмосфере (в первую очередь углекислого газа, но также метана и закиси азота) растет очень быстро. Наблюдения за изменениями изотопного состава СО2 в атмосфере позволили точно определить причину этого роста — сжигание ископаемого топлива, в котором почти нет неустойчивого изотопа 14С. То же самое подтверждают данные о потоках парниковых газов. (подробнее см. ниже главу «Нужно кое-что объяснить») Увеличение концентрации парниковых газов, в свою очередь, приводит к усилению парникового эффекта: это усиление хорошо фиксируют мультиспектральные наблюдения за длинноволновым излучением атмосферы. Благодаря развитой сети наблюдений ученые наблюдают и результат этого усиления: потепление в нижних слоях атмосферы и на поверхности (например, 2023 год стал теплее второй половины XIX века на 1,45 ºC) и резкое выхолаживание в верхних слоях атмосферы.
Увеличение парникового эффекта из-за антропогенных потоков СО2 постоянно отклоняет Землю от радиационного равновесия. Спутниковые системы фиксируют энергетический дисбаланс Земли: мощность приходящей солнечной энергии составляет 340 Вт·м–2, а мощность уходящей в космос радиации — лишь 339 Вт·м–2. В последние годы современные системы наблюдений позволили прояснить этот дисбаланс и понять, куда уходит этот 1 Вт·м–2: ученые установили, что в первую очередь эта разница идет на нагрев океана (около 90%).
Еще одним важным достижением последних лет стало определение всех компонентов наблюдаемого роста уровня моря, который увеличился с 2 мм в год в 1990-е до почти 5 мм в год в наши дни. Ученые установили, что основной вклад в этот рост вносит таяние ледников, и в первую очередь — льда в Гренландии.
Таяние льдов постепенно уносит информацию о прошлом климате, исследование которого продолжает оставаться актуальным. В этом контексте ученые используют природные «архивы», содержащие полезные данные о прошлом климате: изотопы в кольцах деревьев и донных отложениях, состав воздуха в пузырьках, замороженных в льду, и так далее.
Исследование роли океана, включая Арктику, в климатических изменениях активно ведется в Институте океанологии им. П. П. Ширшова РАН, Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте, Тихоокеанском океанологическом институте им. В. И. Ильичева ДВО РАН. Гидросфера суши как часть климатической системы изучается в Институте водных проблем РАН, Государственном гидрологическом институте, а проблемы криосферы и процессов в многолетнемерзлых грунтах исследуются учеными Института криосферы Земли СО РАН и Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН.
Дополнительные примеры наблюдений представлены ниже в главе «Нужно кое-что объяснить».
Моделирование и прогноз климата
В науке крайне важно иметь возможность провести эксперимент, чтобы подтвердить или опровергнуть ту или иную гипотезу. Поэтому климатология зависит не только от наблюдений и палеореконструкций. Для уточнения отдельных механизмов работы климатической системы организуются наблюдательные кампании. Так, еще в конце XIX века Ф. Нансен выдвинул гипотезу о существовании трансполярного дрейфа в Арктике и проверил ее, вморозив свой корабль Фрам во льдах моря Лаптевых и освободившись ото льда в районе Шпицбергена.
Но что делать, если нужно провести глобальный эксперимент? Например, как изменится температура и циркуляция, если мы удвоим скорость вращения планеты или уменьшим солнечную энергию на 10%? Как понять отклик циркуляции атмосферы? Частично на эти вопросы могут ответить гидродинамические лабораторные эксперименты с вращающимися системами. Но как быть с глобальной температурой? У нас нет второй планеты, на которой можно было бы провести эксперимент.
Решение заключается в создании моделей климата, своего рода двойников климата, и проведении экспериментов