Построение наиболее полной записи состояния океана
До появления современных наблюдательных и модельных технологий понимание поведения океана требовало сбора разрозненных данных из нескольких источников по всему миру, часто разделённых десятилетиями. В 1980-х годах ситуация начала меняться благодаря технологиям, таким как спутники, поплавки, дрейфующие буи и химические трассеры, позволившим проводить непрерывные массовые измерения.
Однако новые наборы данных часто существовали независимо друг от друга, что мешало увидеть целостную картину циркуляции океана, переноса тепла, влияния на климат и хранения углерода. Именно поэтому почти 20 лет назад Карл Вунш, заслуженный профессор физической океанографии в Департаменте наук о Земле, атмосфере и планетах MIT (EAPS), начал работу над проектом, призванным раскрыть эту картину.
По следам Всемирного эксперимента по циркуляции океана (WOCE) Вунш основал консорциум, целью которого стало объединение глобальных наборов океанографических данных с передовыми моделями циркуляции. Только такая комбинация наблюдений и теории, как писал Вунш в журнале Oceanography в 2009 году, позволяет полностью понять физическое и динамическое состояние океана и его роль в климате. Консорциум, получивший название «Оценка циркуляции и климата океана» (ECCO), стал масштабным международным проектом, объединившим исследователей и государственные учреждения для обмена и анализа миллиардов наблюдений, собранных по всему миру.
Сегодня ECCO считается фундаментальной основой для понимания поведения всего океана на десятилетия вперёд. В прошлом месяце Вунш и его коллеги опубликовали в Bulletin of the American Meteorological Society отчёт о прогрессе ECCO, представив наиболее точную на сегодня запись океанской циркуляции. Это 20-летняя климатология океана, которая соответствует законам гидродинамики и включает все данные, собранные по всему миру с 1992 года.
В статье «Динамически согласованная многопеременная климатология океана» авторы описывают недавние обновления ECCO и огромный массив данных, который сделал это возможным: наблюдения со всех альтиметрических спутников с 1992 года, данные о температуре и солёности с глубинных датчиков, сбрасываемых батитермографов и профилографов Argo, а также — что особенно интересно — данные с датчиков на глубоко ныряющих морских слонах.
Объединить несколько миллиардов наблюдений и согласовать их с моделью, представляющей трёхмерную эволюцию океана во времени на протяжении десятилетий, было сложной задачей. К счастью, параллельно с запуском ECCO в MIT под руководством профессора Джона Маршалла разрабатывалась новая модель общей циркуляции океана (MIT General Circulation Model), которую Вунш адаптировал в качестве динамического «движка» для ECCO.
Детальное понимание точности этой методологии, включая оценку погрешностей, является, по словам Вунша, «негламурной, но важнейшей деятельностью». Её результатом стали элегантные решения, которые хорошо соответствуют почти всем типам океанских наблюдений и одновременно согласуются с моделью.
Эти решения уже используются в широком спектре исследований: изменчивости океана, биологических циклах, физике прибрежных зон и геодезии. Некоторые исследования имеют практическое применение, например, прогнозирование потоков и полей перемешивания, влияющих на экосистемы лобстеров и трески. Другие дают лучшее представление о глобальных проблемах: поглощении углерода океаном, повышении уровня моря, прогнозировании климата и палеоклимате.
«Роскошь — думать о долгосрочной перспективе», — говорит Вунш, но добавляет, что это научная и социальная необходимость, требующая продолжения сбора данных далеко за пределы 20–30 лет. Проект ECCO доказывает, что комбинации моделей и данных, рассматривающие декадные и более длительные масштабы времени, возможны. Все данные и модель находятся в открытом доступе.
Сегодня работу над ECCO возглавляют бывшие студенты и советники Вунша: доцент Патрик Хаймбах, ведущий учёный Итиро Фукумори из Лаборатории реактивного движения NASA и Руи М. Понте. Вунш надеется, что передача проекта следующему поколению исследователей сделает его более устойчивым к политическим и экономическим колебаниям, поскольку понимание реакции океана на изменение климата требует непрерывных наблюдений за его сложнейшей циркуляцией. «В данных не должно быть пробелов, — говорит Вунш. — Пробелы губительны».