Потепление климата — на домашнем компьютере
|
Ученые Оксфордского университета и Британского метеорологического бюро вновь приглашают всех желающих принять участие в распределенном вычислительном проекте по моделированию глобальных изменений климата. Чтобы привлечь больше участников, проект проводится под эгидой вещательной корпорации BBC.
14 февраля британская корпорация BBC объявила о запуске нового, самого масштабного в мире проекта распределенных вычислений, предназначенного для изучения процессов изменения климата, под названием Climate Change Experiment. Присоединиться к проекту может любой желающий. Для этого нужен персональный компьютер с операционной системой Windows 2000/XP или Linux и подключение к интернету. Программа работает в фоновом режиме, используя излишки процессорного времени, и периодически отсылает полученные результаты на центральный сервер. Цель проекта — дать наилучший возможный на сегодня прогноз долгосрочных изменений климата. Первые результаты проекта будут объявлены уже в мае, однако весь проект будет работать гораздо дольше.
Глобальное потепление
Всего лет десять назад еще не было уверенности в том, что процесс глобального потепления климата вообще имеет место. Скептики остаются и сейчас, но большинство ученых всё же признают, что средняя температура на поверхности Земли увеличивается. Наиболее убедительно об этом говорят изменения, происходящие в Арктике, где прирост среднегодовых температур максимален.
|
Тем не менее в вопросе о природе глобального потепления до консенсуса еще очень далеко. Значительная часть ученых убеждена в том, что потепление имеет антропогенную природу и связано в первую очередь с выбросом в атмосферу так называемых парниковых газов. Однако многие считают, что этот вывод не имеет достаточных оснований: да, между ростом выбросов и потеплением имеется корреляция, но совпадение — это еще не доказательство причинной связи.
Чтобы разобраться в действительных причинах потепления климата, спрогнозировать его развитие и найти способы противодействия, нужно уметь моделировать глобальные климатические процессы. Сколько-нибудь точно предсказать динамику атмосферных процессов, то есть погоду, можно не более чем на несколько суток. Дальше не позволяют продвинуться три фактора: недостаток данных о текущем состоянии атмосферы и океана, недостаточное знание процессов, которые определяют изменения погоды, а также неустойчивости в этих процессах, которые накладывают фундаментальные ограничения на точность и долгосрочность метеорологических прогнозов.
Прогнозирование климата
Однако моделирование климата принципиально отличается от моделирования погоды. В этом случае предсказывать надо не точные значения, например температуры, а, грубо говоря, границы коридора, в которых она с высокой вероятностью будет находиться. Такая задача заметно проще, поскольку в большинстве случаев можно отказаться от моделирования динамики воздушных масс и воды и ограничиться условиями баланса вещества и энергии.
Но даже в таком резко упрощенном виде задача всё равно остается очень сложной. Для системы, объединяющей атмосферу, гидросферу (включая льды) и биосферу, известны далеко не все уравнения переноса вещества и энергии. Многие процессы вовсе не изучены, а для других имеется множество параметров, значения которых известны с низкой точностью. Меняя значения этих параметров, можно получить сильно различающиеся прогнозы изменения климата.
Чтобы выбрать подходящий набор параметров, нужно смоделировать развитие климата на достаточно продолжительном отрезке времени, для которого есть метеорологические данные, и сравнить полученные результаты с наблюдениями. Если они согласуются, значит параметры подобраны удачно, можно продолжить расчеты и попробовать предсказать будущую эволюцию климата, если нет — параметризация отбрасывается. На практике удовлетворительное согласие модели с данными контрольного периода будет наблюдаться при разных наборах параметров. Так что вместо одной модели у нас получится целое семейство, и прогноз, как и положено, будет носить вероятностный характер.
Различных комбинаций параметров может быть очень много. И хотя климатические расчеты намного проще метеорологических, перебор всех интересных сочетаний требует огромной вычислительной работы. С такой задачей трудно справиться даже самым мощным современным суперкомпьютерам. Именно поэтому британские климатологи обратились с просьбой ко всем владельцам персональных компьютеров помочь в этой важной работе, безвозмездно предоставив для климатических расчетов простаивающие вычислительные мощности.
Предыстория проекта
Впервые такое обращение прозвучало 12 сентября 2003 года, когда публике была представлена программа climateprediction.net. Она устанавливалась в Windows в качестве экранной заставки (скринсэйвера) и работала в периоды длительного простоя компьютера. Программа моделировала температуру, давление, облачность и объем осадков с учетом сезонных колебаний притока солнечной энергии, концентрации углекислого газа, распределения массивов суши, снежного покрова, океанских течений.
За первые полтора года в проекте приняли участие 95 тысяч человек из 150 стран. В совокупности они предоставили в распоряжение исследователей около 8 тысяч лет процессорного времени, что позволило обсчитать более 60 тысяч климатических моделей, охватывающих вместе 2,7 млн лет модельного времени. Результаты оказались не слишком точными: при разных реалистичных значениях параметров величина глобального потепления к середине XXI века получалась от 2 до 11 градусов. Но всё же существенно, что ни при каком разумном сочетании параметров модель не предсказала похолодания.
И всё же большой разброс результатов указывал на то, что используемая модель содержит слишком много произвольных допущений и нуждается в совершенствовании. Одним из самых важных усовершенствований стал учет в модели круговорота серы, добавленный в августе прошлого года. Всего же к ноябрю прошлого года было просчитано уже свыше 135 тысяч моделей, что соответствует 6 млн лет модельного времени.
|
Новый проект
И вот сейчас объявлено о выходе существенно обновленной программы, к расчетам по которой разработчики надеются привлечь значительно больше вычислительных ресурсов, чем раньше. Каждый прогон модели в новом проекте охватывает отрезок в 160 лет модельного времени (для сравнения: в первой версии — только 45 лет). Первая фаза расчета относится к периоду с 1920-го по 2000 год. Если к концу этой фазы получаются разумные результаты, примерно похожие на реальное состояние климата, то расчет переходит во вторую фазу, охватывающую еще 80 модельных лет. Если же промежуточные результаты оказываются неадекватными, модель отбрасывается и начинается новый расчет. Разработчики планируют провести около 500 тыс. прогонов модели с разными значениями параметров.
|
Чтобы добиться таких впечатляющих результатов, было сделано два важных шага. Во-первых, программа теперь работает не в режиме экранной заставки, а в качестве фонового процесса. То есть она активна всё время, пока на компьютере пользователя загружена операционная система. Но чтобы не мешать другим приложениям, вычисления выполняются с низким приоритетом, используя процессор только в те моменты, когда он простаивает. Например, когда пользователь набирает текст в MS Word, средняя загрузка процессора не превышает 10%. Это значит, что остальные 90% достанутся программе моделирования климата. В целом получается куда больше, чем при работе только в периоды длительных простоев, как раньше.
Во-вторых, приняты меры к тому, чтобы привлечь к проекту как можно больше участников. Для этого к раскрутке проекта подключилась вещательная корпорация BBC. Формально даже считается, что новый проект осуществляется самой BBC при участии Оксфордского университета и Британской метеорологической службы. Эти усилия не пропали даром — за неполных двое суток, прошедших с момента объявления о проекте, количество зарегистрировавшихся участников перевалило за 35 тысяч. На специальной странице показано их распределение по странам. Кстати, из России участников пока лишь чуть больше 50 человек, и было бы неплохо, если бы их стало больше.
Что же получает пользователь в обмен на предоставление своих вычислительных ресурсов? Установленная на компьютере программа позволяет в любой момент посмотреть текущие результаты расчета в форме вращающегося на экране глобуса. На сайте проекта пользователи могут общаться в форуме и объединяться в команды, соревнуясь в количестве выполненных вычислений. Но главное — это, конечно, чувство причастности к одному из самых крупных в мире вычислительных экспериментов.
Александр Сергеев
