2017 год – это год 100-летия со дня рождения математика-философа академика Никиты Николаевича Моисеева (23.08.1917-29.02.2000) [1] и 60-летия запуска 4 октября 1957 года в СССР ПЕРВОГО в истории человечества Искусственного спутника Земли (спутник) [2], положившего начало космической эпохи и "цифровой цивилизации XXI-го века", к которым непосредственное отношение имел Н.Н.Моисеев, в частности, создавший научную школу по "цифровой экономике". Н.Н.Моисеев - отечественный ученый, кто в середине XX-го века перешел от географических понятий "климат" и "экология" к всепланетарным проблемам климата и устойчивого развития планеты и создал научные основы для исследований сложнейшей климатической системы Земли и коэволюции природы и общества.

Работа посвящается 55-летию начала реализации Программы космических атмосферно-оптических исследований и проекта "Космическая стрела" [3]: 16 марта 1962 года в Советском Союзе был произведен запуск первого спутника (ИСЗ) серии "Космос", положивший начало осуществлению научной программы исследования околоземного космического пространства, определившей наши отечественные успехи. Существенное отличие современных технологий от предыдущих касается, преимущественно, технологий приема, обработки и представления космических данных, т.е. лежит в области информационных технологий. При этом резко снизился теоретический и математический уровень приложения теории переноса излучения в создаваемом программном обеспечении.

Климатическая система Земли - это природная среда, включающая атмосферу, гидросферу (океаны, моря, озера, реки), криосферу (поверхность суши, снег, морской и горный лед и т.д.), биосферу, объединяющую всё живое. Для количественных оценок значимости разных климатообразующих факторов, зависящих от солнечного и собственного излучения, ввели специальную характеристику КСЗ – радиационное воздействие (форсинг) [4]. По экспертным оценкам последнего времени от 40% до 60% приходится на радиационный форсинг на эволюцию климата.

Радиационный форсинг - это изменение притока радиации (солнечной коротковолновой и длинноволновой лучистой энергии) в глобальной системе "атмосфера-земная поверхность-океан" под влиянием радиационно-активных факторов, среди которых существенная роль принадлежит вкладу альбедо и отражающих характеристик земной поверхности, снежного и ледового покрова, а также океанов и морей.

Сценарий "ядерной зимы" [5] - наглядная иллюстрация радиационного форсинга на климатическую систему Земли под влиянием изменений окружающей среды.

Исследования и наблюдения климата имеют давнюю историю – более 100 лет. Однако, профессор Е.С.Кузнецов, пожалуй, в проблемах климата первый исследовал роль переноса излучения и лучистый теплообмен в атмосфере [6, 7], а также в океане [8, 9]. В науках о Земле отечественные ученые всегда занимали ведущие позиции в мире, но до сих пор актуальна задача повышения точности расчета радиационного блока в Модели глобального климата, Модели глобальной атмосферы и Мирового океана, а также разделения вкладов излучения атмосферы и океанов [10-15]. Достижения в области изучения океана отражены в монографиях ведущих советских ученых [16-24] и диссертациях [25-28]. Отдельные попытки моделирования поля излучения в двухсредной системе атмосфера-океан предприняты в работах [29-31]. Большой список публикаций содержится в обзорах [32-34]. Однако, работа научного коллектива Института Келдыша отличается высочайшим уровнем теоретико-расчетных исследований, превосходящим все зарубежные результаты благодаря высокому математическому уровню [35-62]. В частности, физически корректно и математически строго решена задача разделения вкладов атмосферы и океана в радиационное поле Земли, которое так важно учитывать в моделях климата [42-62].

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов № 17-01-00220, № 15-01-00783 и проекта 3.5 ПФНИ ОМН-3 РАН

Ключевые слова: система атмосфера-океан, разделение вкладов, передаточный оператор, метод функций влияния, методы расчета

Литература:

Моисеев Н.Н. Как далеко до завтрашнего дня. Свободные размышления. 1917-1993. - М.: «Аспект пресс», 1994. 304 с. (Глава X. Эпопея ядерной зимы… Карл Саган и первые сценарии ядерной войны) Эл. книга http://www.ccas.ru/manbios/kak_daleko_r.html
4 октября 1957 года начало космической эры. Первая космическая / Сборник статей, посвященных пятидесятилетнему юбилею запуска Первого искусственного спутника Земли. – Москва: ИКИ РАН, ООО «Регион Инвест», 2007. 169 с.
Космическая стрела. Оптические исследования атмосферы / Под ред. А.М.Обухова и В.М.Ковтуненко. – М.: Наука, 1974. 327 с.
Кароль И.Л., Катцов В.М., Киселев А.А., Кобышева Н.В. О климате по существу и всерьез. Санкт-Петербург: ГГО им. А.И. Воейкова, 2008. 55 с.
Моисеев Н.Н., Александров В.В. Ядерный конфликт глазами климатологов и математиков // Вестник АН СССР. 1984. № 11. С. 65-76.
Кузнецов Е.С. Избранные научные труды (в связи со 100-летием со дня рождения) / Ответственный редактор и составитель Сушкевич Т.А. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 784 с.
Романова Л.М., Фейгельсон Е.М. Перенос излучения и лучистый теплообмен в атмосфере (обзор) // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1981. Том 17, № 9. С. 899-911.
Кузнецов Е.С. Об учете лучистого теплообмена при выводе условий для тепловых потоков на поверхности раздела двух сред // Избранные научные труды (в связи со 100-летием со дня рождения) / Ответственный редактор и составитель Сушкевич Т.А. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. С. 338-343.
Кузнецов Е.С. К вопросу о распространении света в море // Избранные научные труды (в связи со 100-летием со дня рождения) / Ответственный редактор и составитель Сушкевич Т.А. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. С. 343-347.
Марчук Г.И. Численное решение задач динамики атмосферы и океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 303 с.
Марчук Г.И., Залесный В.Б., Лыкосов В.Н., Галин В.Я. Математическое моделирование общей циркуляции атмосферы и океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 320 с.
Марчук Г.И., Дымников В.П., Курбаткин Г.П., Саркисян А.С. Роль океана в короткопериодных колебаниях климата и программа "Разрезы" // Итоги науки и техники. Серия: Атмосфера, океан, космос - программа "Разрезы". Т. 6. М.: ВИНИТИ, 1986. С. 6-23.
Нечепуренко Ю.М., Толстых М.А. Реализация численных моделей атмосферы и океана на высокопроизводительных вычислительных системах / Вычислительные процессы и системы. Под ред. Г.И.Марчука. Вып. 7. М.: Наука, 1990. С. 279-348.
Толстых М.А., Ибраев Р.А., Володин Е.М., Ушаков К.В., Калмыков В.В., Шляева А.В., Мизяк В.Г., Хабеев Р.Н. Модели глобальной атмосферы и Мирового океана: алгоритмы и суперкомпьютерные технологии: Учеб. пособие. (Серия «Суперкомпьютерное образование») М.: Издательство Московского университета, 2013. 144 с.
Фадеев Р.Ю., Ушаков К.В., Толстых М.А., Ибраев Р.А., Калмыков В.В. Параллельная реализация совместной модели атмосферы и океана для бесшовного прогноза погоды и моделирования изменений климата // Суперкомпьютерные дни в России: Труды международной конференции, 26-27 сентября 2016 г., Москва. М.: Издательство МГУ имени М.В. Ломоносова, 2016. С. 398-406.
Иванов А.П. Физические основы гидрооптики. Минск: Наука и Техника, 1975. 503 с.
Пелевин В.Н. О спектральных характеристиках поля солнечного излучения в море и над его поверхностью. // Световые поля в океане. М.: ИОАН, 1979. С. 16-26.
Физические аспекты дистанционного зондирования системы океан-атмосфера / Институт океанологии им. П.П.Ширшова АН СССР. Под ред. М.С.Малкевича. М.: Наука, 1981. 215 с.
Дистанционное зондирование океана. Севастополь: МГИ АН УССР, 1982. 138 с.
Шифрин К.С. Введение в оптику океана. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1983. 281 с.
Дистанционное зондирование моря с учетом атмосферы / Под ред. В.А.Урденко, Г.Циммермана. Т. 1. М.-Берлин-Севастополь: ИКИ АН ГДР, 1985.
Дистанционное зондирование моря с учетом атмосферы / Под ред. В.А.Урденко, Г.Циммермана. Т. 2. М.-Берлин-Севастополь: ИКИ АН ГДР, 1985. 219 c.
Долин Л.С., Левин И.М. Справочник по теории подводного видения. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991. 228 с.
Каргин Б.А., Ракимгулов К.Б. Весовой метод Монте-Карло для моделирования поля оптического излучения в системе океан – атмосфера. Новосибирск : ВЦ СО АН СССР, 1990. 32 с. (Препр. / АН СССР, Сиб. отд-ние, ВЦ ; 911)
Кротков Н.А. Метод расчета и исследование поляризационных характеристик излучения при пассивном дистанционном зондировании моря в видимом диапазоне спектра. Автореферат дисс. … канд. физ.-мат. наук. Долгопрудный: МФТИ, 1990.
Суслин В.В. Учет атмосферных факторов при восстановлении спектрального коэффициента яркости открытого океана по дистанционным измерениям из космоса. Автореферат дисс. … канд. физ.-мат. наук. Севастополь, МГИ АН Украины, 1992. 20 с.
Паршиков С.В. Применение коротковолнового участка видимого спектра для дистанционного зондирования океана. Автореферат дисс. … канд. физ.-мат. наук. Севастополь, МГИ АН Украины, 1993; диссертация 164 с.
Ракимгулов К.Б. Статистическое моделирование поля оптического излучения в системе океан-атмосфера. Автореферат дисс. … канд. физ.-мат. наук. Новосибирск: ВЦ СО РАН, 1993; диссертация 99 с.
Гутшабаш С.Д., Кочетков В.Н. Поле излучения в двуслойной среде атмосфера-океан с учетом взволнованной границы раздела. // Изв. АН СССР. Серия ФАО. 1975. Т.11. № 12. С. 1272-1283.
Колесов А.К. Многократное рассеяние света в среде, состоящей из атмосферы и моря // Принцип инвариантности и его приложения. Ереван: АН Арм.ССР, 1989. С. 164-173.
Зеге Э.П. Перенос излучения в атмосфере и океане. Методы расчета и оптические модели // Рассеяние и поглощение света в природных и искусственных дисперсных средах. Минск: ИФ АН Беларуси, 1991. С. 226-258.
Сушкевич Т.А., Максакова С.В. Обзор методов учета земной поверхности и задачах дистанционного зондирования в расчетах радиационного поля Земли – 2. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша РАН (Москва). 1999. № 52. С. 1-32.
Сушкевич Т.А., Максакова С.В. Обзор методов учета земной поверхности и задачах дистанционного зондирования в расчетах радиационного поля Земли – 3. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша РАН (Москва). 1999. № 53. С. 1-32.
Сушкевич Т.А., Максакова С.В. Обзор методов учета земной поверхности и задачах дистанционного зондирования в расчетах радиационного поля Земли – 4. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша РАН (Москва). 1999. № 54. С. 1-32.
Численное решение задач атмосферной оптики // Сборник научных трудов ИПМ им. М.В.Келдыша АН СССР. / Под редакцией Масленникова М.В. и Сушкевич Т.А. М.: ИПМ им. М.В.Келдыша АН СССР, 1984. 234 с.
Сушкевич Т.А., Стрелков С.А., Иолтуховский А.А. Метод характеристик в задачах атмосферной оптики. М.: Наука, 1990. 296 с.
Сушкевич Т.А. Математические модели переноса излучения. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. 661 с.
Сушкевич Т.А., Иолтуховский А.А. Численный метод решения уравнения переноса для системы атмосфера-океан. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша АН СССР (Москва). 1986. № 9. С. 1-28.
Иолтуховский А.А. Численное решение уравнения переноса для системы атмосфера-океан с взволнованной границей раздела. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша АН СССР (Москва). 1986. № 155. С. 1-19.
Белохвостиков А.В., Иолтуховский А.А. Параметрические модели поля яркости излучения системы атмосфера-океан. Сравнение с численными расчетами. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша АН СССР (Москва). 1990. № 154. С. 1-27.
Иолтуховский А.А. Моделирование переноса излучения в атмосфере с неоднородной и неортотропной подстилающей поверхностью. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша АН СССР (Москва). 1991. № 84. С. 1-23.
Сушкевич Т.А. Оптический передаточный оператор системы атмосфера-поверхность океана-дно океана // Космические экологические исследования. Труды XIV научных чтений по космонавтике, Москва, январь 1990 / Под ред. Малкевича М.С., Сушкевич Т.А. М.: ИИЕТ, 1990. С. 7-27.
Сушкевич Т.А. Моделирование излучения системы атмосфера-океан методом функций влияния. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша РАН (Москва). 1992. № 36. С. 1-28.
Сушкевич Т.А. Моделирование излучения системы атмосфера-океан методом функций влияния // Оптика атмосферы и океана. 1992. Т. 5. № 8. С. 812-822.
Сушкевич Т.А., Куликов А.К., Максакова С.В., Курдюкова О.С. Моделирование излучения системы атмосфера-океан с выделением релеевского рассеяния. Инструкция. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша РАН (Москва). 1992. С. 1-44.
Иолтуховский А.А. Комплексная функция Грина атмосферы, ограниченной неоднородной и неортотропной отражающей поверхностью. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша РАН (Москва). 1993. № 34. С. 1-26.
Сушкевич Т.А., Куликов А.К., Максакова С.В., Стрелков С.А. Оптический передаточный оператор системы атмосфера-океан с горизонтально-неоднородной границей раздела. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша РАН (Москва). 1994. № 77. С. 1-28.
Сушкевич Т.А. Решение краевой задачи теории переноса для плоского слоя с горизонтально-неоднородной границей раздела двух сред // Доклады РАН. 1996. Т. 350. № 4. С. 460-464.
Сушкевич Т.А. Решение общей краевой задачи теории переноса излучения в двухсредной системе // Материалы Международной конференции и Чебышевских чтений, посвященных 175-летию со дня рождения П.Л.Чебышева. Том 2. М.: Изд-во мех.-мат. фак-та МГУ, 1996. С. 328-332.
Сушкевич Т.А., Куликов А.К., Максакова С.В., Стрелков С.А. К теории оптического передаточного оператора системы атмосфера-океан // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9. № 1. С. 30-44.
Иолтуховский А.А. Перенос излучения над поверхностью с произвольным отражением: теория и результаты моделирования. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша РАН (Москва). 1997. № 15. С. 1-27.
Сушкевич Т.А., Стрелков С.А., Куликов А.К., Максакова С.В. Оптический передаточный оператор двухсредной системы переноса поляризованного излучения. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша РАН (Москва). 1997. № 60. С. 1-16.
Сушкевич Т.А., Стрелков С.А., Куликов А.К., Максакова С.В. О модели переноса поляризованного излучения в двухсредной системе. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша РАН (Москва). 1998. № 11. С. 1-21.
Сушкевич Т.А., Куликов А.К. Алгоритм математического моделирования переноса солнечного излучения в системе атмосфера-океан с френелевской границей. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша РАН (Москва). 1998. № 12. С. 1-32.
Сушкевич Т.А., Куликов А.К. Алгоритм математического моделирования переноса солнечного излучения в системе атмосфера-океан с френелевской границей раздела. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша РАН (Москва). 1998. № 16. С. 1-28.
Сушкевич Т.А., Стрелков С.А., Куликов А.К., Максакова С.В. К теории векторного оптического передаточного оператора системы атмосфера-океан // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т 11. № 9. С. 987-998.
Сушкевич Т.А., Стрелков С.А., Куликов А.К., Максакова С.В. Модель переноса поляризованного излучения в плоском слое с границей раздела двух сред // Сиб. журн. вычисл. математики. 1998. Т 1. № 2. С. 183-194.
Сушкевич Т.А., Стрелков С.А., Куликов А.К., Максакова С.В. О модели переноса поляризованного излучения в двухсредной системе. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша РАН (Москва). 1998. № 11. С. 1-21.
Сушкевич Т.А., Куликов А.К., Максакова С.В. О новом подходе к моделированию обмена коротковолновым излучением между атмосферой и океаном. Препр. / ИПМ им. М.В.Келдыша РАН (Москва). 1999. № 2. С. 1-20.
Сушкевич Т.А., Куликов А.К., Максакова С.В. Перенос солнечного излучения в системе атмосфера-океан с френелевской границей. Общая теория // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2000. Т. 36, № 1. С. 95-104.
Sushkevich T.A., Strelkov S.A., Kulikov A.K., Maksakova S.V., Vladimirova E.V., Ignatijeva E.I. Simulating radiation and imaging transfer in the atmosphere-ocean system by the influence functions method // Proceedings of D.S.Rozhdestvensky Optical Society, International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters", September 2001. - St.Petersburg: D.S.Rozhdestvensky Optical Society. 2001. P. 297-302.
Sushkevich T.A., Strelkov S.A., Maksakova S.V. Daylight background radiation modeling for the system of ocean-atmosphere with multi-layer clouds // International Journal of Remote Sensing. Special Issue: Satellite observations of the atmosphere, ocean and their interface in relation to climate, natural hazards and management of the coastal zone. Published By: Taylor and Francis. 2008. Vol. 29. Issue 21 november 2008. P. 6175-6180.

Дистанционные методы исследования атмосферных и климатических процессов

213