В новом выпуске научно-популярного шоу StarTalk астрофизик Нил Деграсс Тайсон, комик Чак Найс и руководитель Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) доктор Ричард Спинрад обсудили будущее экстремальных погодных явлений. Участники дискуссии подробно разобрали современные механизмы прогнозирования ураганов, угрозы космической погоды и климатические вызовы, с которыми человечество сталкивается уже сегодня. Главный вывод беседы заключается в том, что точность научных моделей стремительно растет, однако спасение жизней по-прежнему зависит от готовности людей доверять прогнозам и вовремя эвакуироваться.
🌊 Изменение климата и геополитическое «потепление» 0:00
Глобальные климатические изменения давно вышли за рамки чисто научных дискуссий и начали оказывать прямое влияние на международную политику и безопасность. Как отметил Ричард Спинрад, таяние арктических льдов привело к открытию новых судоходных путей в районе Аляски. По его словам, эти некогда скованные льдом участки теперь превратились в зону геополитического соперничества между Россией, Китаем и США, поскольку каждая страна стремится заявить свои права на открывшиеся водные пространства.
Проблема изменения климата затрагивает и оборонный сектор. Ричард Спинрад, начинавший свою карьеру в военно-морском ведомстве, подчеркнул, что Военно-морские силы США (Navy) крайне серьезно относятся к климатическим прогнозам. Это связано не только с условиями навигации кораблей и подводных лодок, но и с угрозой для береговой инфраструктуры. Например, главная база Атлантического флота США в Норфолке (штат Вирджиния) уже сейчас сталкивается с негативными последствиями подъема уровня моря, что напрямую влияет на проведение военных операций.
По оценкам Спинрада, климатический кризис ведет к появлению совершенно новой категории вынужденных переселенцев — климатических беженцев. В Южной части Тихого океана существует ряд островных государств, средняя высота которых над уровнем моря составляет всего несколько футов. Руководитель NOAA предупреждает:
«Это не какая-то теоретическая проблема, которая возникнет через тысячу лет. Скорость подъема уровня моря увеличилась драматически. Когда я был аспирантом несколько десятилетий назад, мы говорили о подъеме на 1–3 миллиметра в год. Сегодня в некоторых местах эти цифры удвоились или утроились. Как следствие, отдельные островные государства могут полностью уйти под воду и исчезнуть с лица Земли еще до конца этого столетия».
При этом спикеры с сожалением констатировали сильную политизацию вопросов климата. Нил Деграсс Тайсон напомнил, что ведомство NOAA было основано в 1970 году, а соответствующий указ подписал президент Ричард Никсон, представлявший Республиканскую партию. По мнению Спинрада, современные политические споры вокруг климата возникают в основном из-за попыток найти виновного, в то время как главная задача ученых — смотреть в будущее, строить точные прогнозы и помогать обществу адаптироваться к неизбежным изменениям.
🌀 Анатомия современного урагана: почему вода опаснее ветра 9:01
Современная метеорология рассматривает Землю как единую органическую систему, где океан и атмосфера находятся в непрерывном взаимодействии. По словам Ричарда Спинрада, именно такой комплексный подход позволяет сегодня предсказывать ураганы. В качестве негативного примера ученый привел ураган Катрина (2005 год), который демонстрировал аномально быстрое усиление перед выходом на сушу в районе Нового Орлеана. В то время у науки не хватало данных о процессах внутри Мексиканского залива, но сегодняшние модели NOAA, учитывающие состояние всей толщи океана, а не только его поверхности, справились бы с этой задачей значительно лучше.
Важным фактором, влияющим на силу урагана при выходе на сушу, является влажность грунта. Метеорологи зафиксировали феномен, когда насыщенная влагой земля после предыдущих дождей начинает отдавать скрытое тепло, подпитывая ураган энергией и не позволяя ему ослабнуть над сушей, как это происходит обычно. В связи с этим разрушительная сила штормов все чаще измеряется не скоростью ветра, а объемами принесенной воды:
- Ураган Харви в свое время обрушил на Хьюстон около пяти футов (около 1,5 метров) осадков.
- Ураган Хелен, пронесшийся незадолго до записи подкаста, имел гигантские масштабы — около 500 миль (более 800 км) в диаметре. Он обрушил колоссальные потоки воды на западную часть Северной Каролины, превратив регион в подобие залитой водой губки.
Особую роль в масштабах катастроф играет топография океанического дна. Рельеф прибрежной зоны способен направлять и буквально прессовать водные массы, усиливая так называемый штормовой нагон. Именно этот гидродинамический эффект привел к подъему уровня воды на 12–15 футов в районе залива Тампа во время удара урагана Милтон. Подобный разрушительный штормовой нагон наблюдался и 12 лет назад в Нью-Йорке во время супершторма Сэнди, который сочетал в себе свойства тропического циклона и северо-восточного шторма (норвестера). Ведущий Нил Деграсс Тайсон поделился личной историей, рассказав, что квартира его матери в Нью-Йорке была полностью затоплена в результате этого катаклизма.
В связи с изменением характера штормов Спинрад призвал пересмотреть восприятие классической шкалы ураганов Саффира — Симпсона, которая оценивает исключительно пиковую скорость ветра. По его мнению, ураган 3-й категории с колоссальным объемом влаги и мощным штормовым нагоном (как Хелен) может нанести гораздо больший ущерб, чем «сухой» ураган 5-й категории. Ученые согласились с тезисом журналиста Тома Фридмана, который предложил использовать термин «глобальное чудачество» (Global Weirding) вместо «глобального потепления», так как избыток энергии в атмосфере из-за парникового эффекта приводит к самым непредсказуемым и странным аномалиям.
☀️ Космическая погода: защита Земли от солнечного шторма 15:56
Сфера ответственности NOAA давно вышла за пределы земной атмосферы и включает в себя мониторинг космической погоды. В настоящий момент Солнце находится в активной фазе своего очередного 11-летнего цикла, который начался в прошлом году. Этот период характеризуется регулярными корональными выбросами массы — гигантскими облаками заряженной плазмы, которые вырываются из солнечной короны и несутся в космическом пространстве со скоростью от 1 до 2 миллионов миль в час.
Достигая Земли, эти потоки вызывают красивое полярное сияние (Aurora Borealis), но одновременно несут серьезную угрозу для технологической инфраструктуры: они способны выводить из строя навигационные спутники, нарушать радиосвязь и разрушать электрические сети. В качестве примера Спинрад привел мощнейший геомагнитный шторм категории G5 (высший ранг), произошедший в мае 2024 года. Общественность практически не заметила катаклизма только благодаря своевременному прогнозу NOAA. Получив предупреждение за несколько дней, энергетические компании временно скорректировали нагрузку сетей, а авиакомпании изменили маршруты полетов, чтобы обезопасить пассажирские лайнеры от сбоев в работе GPS.
Для непрерывного наблюдения за активностью светила NOAA использует передовую космическую группировку:
- В июне 2024 года был запущен новый метеорологический спутник, оснащенный компактным коронографом. Этот прибор с помощью специальной оптики искусственно затмевает солнечный диск, позволяя ученым в реальном времени детально фиксировать любые выбросы вещества и протуберанцы на краю Солнца.
- На орбите функционирует аппарат DSCOVR, расположенный в первой точке Лагранжа (L1) между Землей и Солнцем.
- Комбинируя данные со спутников на околоземной орбите, а также в точках L1 и L5, ученые получают полноценную трехмерную модель Солнца.
Поскольку Солнце находится на расстоянии около 93 миллионов миль от Земли, транзит плазменного облака занимает от трех до четырех дней. Это дает метеорологам достаточный запас времени, чтобы предупредить наземные службы о приближении магнитной бури. Спинрад отметил, что такие прогнозы станут жизненно необходимыми для будущих обитателей баз на Луне и Марсе, поскольку эти космические тела, в отличие от Земли, полностью лишены естественной защиты в виде плотной атмосферы и озонового слоя.
🌪️ От минут к часам: эволюция прогнозирования торнадо 23:33
Возможности современной науки позволяют практически полностью исключить фактор внезапности при масштабных катаклизмах. Спинрад напомнил исторический пример — Галвестонский ураган 1900 года (известный как «Шторм Исаака»), унесший жизни около 10 000 человек. В те времена у людей не было систем раннего предупреждения, и стихия застала город врасплох. По утверждению руководителя NOAA, повторение катастрофы такого масштаба в современных США исключено благодаря точности прогнозов и выстроенной системе общественного оповещения.
В то же время существуют опасные явления, развивающиеся на очень коротких временных отрезках, такие как торнадо. Еще 50 лет назад время упреждения при фиксации торнадо составляло условные «минус пять минут» — то есть службы фиксировали смерч по факту его прохождения. Сегодня, благодаря внедрению радаров с двойной поляризацией (dual polarization), среднее время предупреждения увеличилось до 12 минут. Эти новые радары манипулируют сигналом и определяют тип осадков (дождь, мокрый снег, град), фиксируя малейшие изменения температуры воздуха на расстоянии в несколько миль. С помощью таких данных метеорологи могут оперативно рассчитать траекторию движения смерча и его потенциальную интенсивность по улучшенной шкале Фудзиты (от EF1 до EF5). Спикеры сошлись во мнении, что 12–15 минут вполне достаточно, чтобы люди успели укрыться в подвалах или безопасных зонах.
Обсуждая массовую культуру, Чак Найс в шутку поинтересовался, обращаются ли к NOAA создатели голливудских блокбастеров вроде фильма «Смерч 2» (Twisters) за консультациями и действительно ли в воронку урагана можно запустить корову в качестве датчика. Ричард Спинрад со смехом ответил, что «коровьи датчики» в их прогностических системах пока не используются.
🚢 Международное сотрудничество и глобальный флот роботов 28:30
Деятельность NOAA тесно связана с коммерческим сектором и международным взаимодействием. Будучи структурой Министерства торговли США, ведомство отвечает за устойчивое управление морскими промыслами. Специалисты агентства проводят регулярную оценку рыбных запасов, контролируют численность популяций и устанавливают квоты на вылов для поддержания стабильности рыбного рынка. Особое внимание уделяется борьбе с незаконным, несообщаемым и нерегулируемым промыслом (ННН-промысел), что требует постоянных совместных усилий со многими зарубежными странами.
Поскольку ни одно государство не способно в одиночку вести мониторинг всего Мирового океана, ученые активно кооперируются на платформе Всемирной метеорологической организации (ВМО). Все собранные данные NOAA находятся в открытом доступе для мирового сообщества, что служит рычагом для получения аналогичной информации от других стран.
Ярким примером международной научной кооперации служит глобальная программа Argo. В рамках этого проекта в Мировом океане развернут колоссальный флот из 4000–5000 автономных роботизированных буев, созданных по единому международному стандарту. Эти устройства функционируют по уникальному циклическому алгоритму:
- Роботы практически не находятся на поверхности, а погружаются на глубину от 1000 до 2000 метров.
- В течение 10 дней они дрейфуют на глубине, непрерывно измеряя температуру, соленость и другие физико-химические параметры водной массы.
- По истечении этого срока буи поднимаются на поверхность, в течение короткого времени передают накопленный массив данных через спутниковую связь в единый репозиторий, после чего снова погружаются на глубину.
Нил Деграсс Тайсон сравнил эту систему с космическими соглашениями «Артемида» (Artemis Accords), которые регулируют правила открытого обмена научными данными при исследовании Луны и Марса.
🧪 Маховик углеродного цикла и закисление океана 33:45
Мировой океан выступает в роли гигантского естественного буфера, поглощая, по разным оценкам, от одной трети до половины всего объема углекислого газа ($CO_2$), выбрасываемого в атмосферу в результате деятельности человека. Растворенный в воде газ находится в состоянии частичного равновесия с земной атмосферой.
Нил Деграсс Тайсон поднял теоретический вопрос: если человечество полностью остановит сжигание ископаемого топлива или запустит мощные промышленные скрубберы для очистки воздуха, приведет ли это к мгновенному улучшению ситуации? Ричард Спинрад дал на этот вопрос отрицательный ответ, сославшись на так называемый «эффект маховика» в углеродном цикле. Из-за падения атмосферного давления газа океан, стремясь восстановить физико-химическое равновесие, начнет интенсивно отдавать накопленный углекислый газ обратно в атмосферу. В результате человечество сможет увидеть первые явные признаки стабилизации климата лишь спустя десятилетия после полной углеродной нейтральности.
Обратной стороной поглощения углекислого газа является прогрессирующее закисление океана. Растворение избыточного объема $CO_2$ приводит к снижению уровня pH морской воды. Спинрад пояснил, что хотя главным фактором обесцвечивания коралловых рифов является рост температуры воды, повышенная кислотность среды оказывает разрушительное химическое воздействие на структуру кораллов, буквально разъедая их известковый скелет. Это ставит под угрозу существование целых морских экосистем.
Комментируя популярные идеи об освоении других планет, Нил Деграсс Тайсон высказал скепсис по поводу колонизации Марса:
«Если у человечества когда-нибудь появятся технологии геоинженерии, способные терраформировать безжизненный Марс и сделать его пригодным для жизни, то у нас точно найдутся силы и технологии геоинженерии для того, чтобы терраформировать Землю обратно в Землю. И никакой Марс нам тогда просто не понадобится».
🛰️ Охотники за ураганами, радары и искусственный интеллект 41:38
Особое место в системе сбора оперативной информации занимают экстремальные полеты так называемых «охотников за ураганами». NOAA располагает тремя специализированными самолетами, среди которых модернизированные противолодочные борты ВМС США Lockheed P-3 Orion. Несмотря на то, что этим самолетам уже около 50 лет (в скором времени ведомство планирует закупить новые модели), они регулярно совершают вылеты прямо внутрь бушующих циклонов.
Экипажи выполняют опасные полеты на высоте от 8 до 10 тысяч футов, заходя в ураган по траектории «фигуры-четверки» по два-три раза за вылет. При прохождении самой опасной зоны — так называемой «стены глаза» урагана — воздушное судно сталкивается с мощнейшими вертикальными воздушными потоками, из-за чего самолет может мгновенно потерять или набрать несколько тысяч футов высоты. Спинрад пошутил, что если бы подобное произошло на обычном коммерческом рейсе до Кливленда, авиакомпании пришлось бы массово раздавать пассажирам компенсационные ваучеры.
Во время прохождения шторма экипаж сбрасывает с высоты специальные автономные дроны. Эти беспилотники опускаются на предельно малые высоты у самой поверхности океана и собирают уникальные телеметрические данные, которые невозможно получить иным путем. По словам Спинрада, эта оперативная информация в реальном времени транслируется в Национальный ураганный центр, где мгновенно внедряется в прогностические компьютерные модели. Благодаря авиационной разведке точность прогнозов траектории и интенсивности штормов выросла на 10–20%. Именно это позволило ученым за трое суток до катастрофы безошибочно определить место удара урагана Милтон в районе Тампы и Сент-Питерсберга.
Касаясь темы интеграции искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения в метеорологию, Ричард Спинрад указал на фундаментальное ограничение современных ИИ-технологий. Любым нейросетям для эффективной работы критически необходим огромный массив качественных исторических данных для обучения. Однако ИИ по определению не способен прогнозировать аномальные явления, аналогов которых еще никогда не было в собранных базах данных. По этой причине приоритетным направлением инвестиций NOAA остается развитие первичных измерительных систем и повышение временного разрешения данных (фиксация изменений по минутам и секундам в масштабах отдельных районов).
В настоящее время сеть наблюдения NOAA включает 122 метеорологических радара по всей территории США. Оборудование служит уже не одно десятилетие, и сейчас ведомство прорабатывает масштабный технологический переход на передовые радары с фазированной антенной решеткой (phased array radar). Чак Найс и Нил Деграсс Тайсон в шутку призвали Конгресс США «пролить на NOAA денежный дождь», учитывая колоссальный объем задач агентства.
В завершение встречи Ричард Спинрад поделился примечательным экономическим фактом. Годовой бюджет NOAA составляет чуть менее 7 миллиардов долларов. При этом ведомство обеспечивает американцев не только прогнозами погоды, но и выпускает все навигационные карты для морского флота, управляет заповедными зонами и контролирует рыбные промыслы. В пересчете на душу населения весь этот огромный комплекс важнейших государственных услуг обходится каждому гражданину США всего в 6 центов в день.
