Как смоделировать изменения климата ...

Исследование изменений климата является одним из важнейших вопросов. И пока многие люди по всему миру пытаются привлечь внимание к этой теме, ученые создают модели, рассчитывая возможные последствия и помогая формировать стратегии для ослабления разрушающего влияния изменений климата. Один из них – украинка, доктор естественных наук Любовь ПОШИВАЙЛО-ШТРУБЕ. Работая в одном из крупнейших исследовательских центров Европы – Forschungszentrum Jülich (г. Юлих, Германия) – за суперкомпьютером JUWELS (он такой большой, что мало какой другой в мире может с ним сравниться), исследователь моделирует изменения климата в Европе на следующие 80 лет! Как, по лучшему сценарию, изменится температура воздуха к 2100 году? Что является большой проблемой для ученых Германии? Какое событие собирает в одном здании 40-50 нобелевских лауреатов и как на него попасть? Подробности – далее.

«БЕССРОЧНЫЙ КОНТРАКТ ПОЛУЧИТЬ ОЧЕНЬ СЛОЖНО»

- Какую роль сыграло украинское образование в становлении вас как ученого?

— Я училась в Киевском национальном университете имени Тараса Шевченко на физическом факультете, в Могилянке — на факультете естественных наук, и для меня это образование сыграло очень важную роль. В Украине часто говорят, что важен диплом, а не оценки, но для меня и последние были вескими: например, когда я подавалась на Lindau Nobel Laureate Meetings, учитывался средний балл университетских дипломов, а также необходимо было подать даже копию школьного аттестата с оценками.

Система украинского образования предполагает преподавание очень большого количества предметов, в частности, в КНУ я изучала культурологию, политологию, экономику, не говоря уже обо всех возможных разделах физики... Да и в Могилянке было много дисциплин. В то же время никогда не слышала, чтобы в Германии было столько предметов. Поэтому после украинского вуза у студента, на мой взгляд, очень широкое мировоззрение.

С научным советником профессором Штефаном Фюглисталлером во время программы по обмену (HITEC-Go) в Принстонский университет, декабрь 2018 г.

Кроме того, преподаватель в КНУ Станислав Николаевич Ежов говорил нам, что мы здесь учимся не для того, чтобы все знать, а чтобы научиться учиться. И эта способность невероятно важна, когда ты ученый: уехав за границу, ты только тем и занимаешься, что учишься постоянно сам. Это самое важное.

- Как началась ваша научная карьера на Западе?

— В 2011 году однажды я проходила по коридору КНУ, увидела объявление о летней научной школе по физике в Любляне (Словения) и решила попробовать. Обычно в Украине средства на это не выделяются, поэтому, благодаря помощи родителей в том году, я впервые поехала на международную летнюю школу. С этого времени начала их посещать почти ежегодно. Впоследствии, на одной из них мне дали визитку научно-исследовательского центра Юлиха — до этого я никогда о нем не слышала. Поэтому я стала искать больше информации, нашла в Германии научного руководителя и писала магистерскую в Германии, при этом учась на магистратуре в Могилянке (благодарна за поддержку преподавателям, которые позволили мне раньше сдать экзамены, чтобы на полгода приехать в ФРГ). А то, что в Украине часто научно-техническая база устарелая, мотивировало меня продолжить обучение там.

— Какие отличия в образовании, работе ученого больше всего бросаются в глаза?

— В аспирантуре я проходила некоторые курсы в Вупертальском университете (Германия), и мне показалось, что здесь преподаватели более лояльны, чем в Украине. Во-первых, в Германии на бакалавриате, магистратуре студент сам выбирает себе предметы. В Украине такое есть, пожалуй, только в Могилянке, и если группа достаточно большая. К тому же если ты не сдал экзамен, то его можно перенести на следующий семестр. Более того, бакалаврскую или магистерскую работу можно сдать в следующем году или через год. Я как-то спросила о списывании — студенты о таком даже не слышали, как и о том, чтобы у научного руководителя было по 15-20 студентов, как в Украине.

Я работала в трех институтах: в магистратуре, аспирантуре, постдокторантуре. И структура естественных наук везде почти одинакова, например, отношение к эксперименту или схеме написания статей. Главное, чем украинская и немецкая науки отличаются – бюджетом, что заметно даже при публикации статей. Ведь часто для этого нужно платить публикационный взнос: иногда институт должен выложить за одну статью в журнале от двух до пяти тысяч евро. В Украине это просто невозможно. Конечно, большая часть финансирования ученых в институте (может быть, большая часть) получена из грантов.

С Дэвидом Вайнлендом – лауреатом Нобелевской премии по физике 2012 года за «создание прорывных технологий манипулирования квантовыми системами», июль 2019 год

К тому же, в Германии стремятся, чтобы ты как ученый-постдокторант каждые два года менял место работы. Контракт постдокторантов обычно длится около двух лет. Здесь нет такого, что ты работаешь всю жизнь в одном и том же институте, потому что бессрочный контракт получить очень сложно. С одной стороны, это интересно, с другой – нелегко спланировать свою жизнь. Об этом часто говорят, и это большая проблема здесь.

К 2100 ГОДУ ТЕМПЕРАТУРА МОЖЕТ ПОВЫСИТЬСЯ НА 1,5-4 °C

— Над чем именно вы работаете в проекте, посвященном изменению климата?

— В Германии существует несколько научных ассоциаций, и этот проект от Helmholtz Initiative Climate Adaptation and Mitigation (HI-CAM). В нашем научно-исследовательском центре есть много институтов; я работаю в Институте био- и геонаук, подразделении агросферы. Тему климата я начала исследовать с конца 2019 года, то есть относительно недавно: магистерскую работу я писала в Институте био- и геонаук, на подразделении биотехнологий, а аспирантскую – в Институте энергии и климата, подразделении стратосферы (изучала испарение воды в стратосфере).

Проект, над которым я работаю сейчас, заключается в том, что из-за изменений климата экстремальные погодные условия происходят чаще, что влияет на здравоохранение, экономику, политику. Для адаптации к ним и смягчения последствий экстремальных условий создают специальные стратегии. И мы, как ученые, даем данные или проводим исследования, чтобы эти стратегии были правильно спланированы. В частности, Межправительственная группа экспертов по изменению климата (IPCC) каждые шесть-семь лет готовит и обнародует в свободном доступе отчеты о состоянии климата. Мы должны предоставлять им данные, организованные в такой отчет, где еще и публикуют стратегии. В рамках этого проекта я проводила моделирование климата в Европе в течение 1950-2005 годов, а затем с 2006 по 2100 г. по двум сценариям.

— А на каких показателях основываются эти сценарии?

— Есть четыре основных сценария, и они базируются на предположениях, касающихся экономической деятельности человека, источников энергии, роста населения и других социально-экономических факторах. Фактически эти сценарии — это таблицы с вероятными концентрациями парниковых газов в течение рассматриваемого определенного года. Поэтому мы берем данные сценариев и смотрим, как модель климата среагирует на такие изменения. По каждому из этих сценариев рост средней глобальной температуры разный. По самому худшему сценарию к 2100 году средняя температура на Земле вырастет на четыре градуса. По самому лучшему - на 1,5 градуса. Иногда кажется, что это немного. Однако по данным, опубликованным на сайте NASA, с 1980 года (по состоянию на конец 2021 года, по сравнению с усредненными температурами 1951-1980 годов) средняя температура Земли выросла на 0,85 °C, и есть исследования, которые считают, что даже это изменение может повлиять на климат, не говоря уже о 1,5 или 4 °C.

Также я исследую подземные воды и их влияние на развитие и частоту жарких дней. Исследования проводим с помощью Terrestrial Systems Modelling Platform (TSMP), которая в себе объединяет еще три разных модели: одна моделирует атмосферу (модель называется COSMO - Cоnsortium for Small Scale Modeling), вторая - то, что находится у поверхности земли (CLM - Community Land Model), а еще одна моделирующая подземные воды (ParFlow). По нашим исследованиям, которые еще не опубликованы, частота жарких дней без включения подземных вод в круговорот воды, часто более высокая.

«ЭТО КАК ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТИ»

— Знаю, что вы пользуетесь суперкомпьютером JUWELS для расчетов. Какова специфика работы с ним?

— Простыми словами, суперкомпьютер — это много компьютеров, соединенных в кластер, позволяющий делать сложные операции гораздо быстрее. Я через ноутбук подсоединяюсь к суперкомпьютеру и провожу моделирование. В нашем центре есть огромная комната, как школьный спортзал или больше, где стоят эти компьютеры. JUWELS, на котором я работаю, является одним из самых больших суперкомпьютеров мира.

Те, кто моделирует климат, занимаются искусственным интеллектом, почти все проводят исследования на суперкомпьютере. К примеру: чтобы в моей работе смоделировать климат на территории Европы на один месяц, нужно три часа работы суперкомпьютера. А если я хочу смоделировать 250 лет климата (1950-2005 и плюс почти по сто лет по двум сценариям), то это может занимать до одного года работы суперкомпьютера. То есть даже на нем эти моделирования занимают очень много времени.

В ходе доклада на конференции «AGU Fall Meeting 2021», организованной Американским геофизическим союзом; декабрь 2021 год.

Еще один важный аспект – объем данных, который я получаю после одного месяца моделирования, составляет около 250 Гб, то есть один месяц – как память iPhone. Это еще один вопрос, который ученые широко обсуждают — как хранить свои данные. Потому что когда работаешь с климатом, есть очень много шагов, помимо моделирования: подготовительные процессы, переобработка, послеобработка и т.д. А для этого нужно много памяти. Подытоживая, суперкомпьютер нужен, чтобы относительно быстро произвести расчеты, а во-вторых, чтобы хранить и обрабатывать большие массивы данных.

— Насколько доступен этот суперкомпьютер для ученых?

— Хоть мы и работаем в научно-исследовательском центре Юлиха, но, чтобы пользоваться суперкомпьютером, должны написать грант. В нем нужно расписать, как работает модель, сколько будет использовано памяти суперкомпьютера, сколько времени нужно. А после года или полугода работы нужно подготовить отчет, как было использовано время, опубликовали ли данные. В принципе этот суперкомпьютер открыт для всего мира, потому что есть, например, пользователи из США. Однако мне кажется, что украинцы, чтобы использовать его, должны входить в какой-то проект, например, европейский. Потому что кто-то должен платить за время использования этого суперкомпьютера, поскольку он очень мощный и на это уходит много электроэнергии.

— Какие главные вызовы стоят перед учеными, исследующими климат?

— Когда говорят о прогнозах климата, часто упоминают о неопределенности, потому что существует много моделей, которые дают разные результаты. Сейчас эта неопределенность достаточно велика, и наша задача уменьшить ее и правильно ее описать. И по этому поводу уже есть несколько инициатив. В частности, многие группы, занимающиеся моделированием регионального климата, входят в инициативу CORDEX (Coordinated Regional Climate Downscaling EXperiment). При этом все модели, являющиеся частью этой инициативы, работают на одинаковых доменах (регионах) и имеют одинаковое разрешение. Например, я моделирую климат на европейском домене (EURO-CORDEX), который охватывает и Украину, и имеет горизонтальное разрешение 0,11° или 12,5 км. Благодаря этому легче сравнить разные модели, это несколько уменьшает неопределенность. К тому же, когда работают с климатом, часто оперируют статистическими данными, это как теория вероятности, что также усложняет исследование этой темы.

Исследуя климат, я больше сосредотачиваюсь на анализе жарких дней. И для меня еще одним вызовом является то, что когда ученые исследуют эту тему, то часто дают усредненные данные по всей Европе или летом. И это уравнивает все данные. Это еще один фактор, влияющий на неопределенность. В конце концов, перед учеными стоит важная задача — описать климат и его неопределенности четко и для себя, и для широкой публики. Этот вопрос еще не решен.

Во время панельной дискуссии между нобелевскими лауреатами и молодыми учеными в рамках Дней науки в Линдау, июль 2020

Кроме того, временами страны не публикуют некоторые данные по парниковым газам. По-видимому, это еще не урегулировано законодательством, нет договоренности, почему эти данные должны быть показаны и как они будут использованы позже - в пользу страны или против. Поэтому мир только стремится к тому, чтобы работать глобально над глобальными вопросами. А без этого никак нельзя, поскольку иначе проблемы такого уровня не решишь.

«ВЛИЯТЬ НА ПРИВЫЧКИ ЛЮДЕЙ»

— Как, по-вашему, нужно рассказывать об изменениях климата, чтобы об этом услышали?

— Чтобы люди обратили внимание на изменения климата, нужно указывать факторы, напрямую связанные с их жизнью, апеллировать к тому, что граждан напрямую беспокоит. В Украине, например, следует это объяснять так: из-за изменения климата может не быть урожаев, возрастет доля импортных продуктов, при этом поднимутся также цены на эти продукты. Думаю, это будет мотивировать людей обратить на это внимание и что-то менять.

В 2020 году я участвовала в Sciathon – что-то вроде хакатона, только для ученых, не программистов. В моей группе было десять ученых, и мы два дня, 48 часов, практически непрерывно работали онлайн над проектом. На этом Sciathon я представляла свой проект, главной идеей которого являлось то, что нужно повлиять на привычки общества. Потому что часто студенты и школьники являются основной целевой аудиторией, когда говорят о климате, поэтому и основными мероприятиями является что-то вроде проведения лекций о защите климата. Я же подчеркиваю то, что надо «достучаться» до всех, и предлагала идеи, как повлиять на привычки населения: от деток до старшего поколения. Для детей, например, можно разработать игры, кубики на тему климата. Для детей среднего возраста есть разные приложения на смартфоны. Существует, например, Minecraft Education Edition, не уверена, что там касаются тем климата, но в видеоигре тоже можно учить детей изменениям в их повседневной жизни. Для пожилых людей можно организовывать выставки, резиденции, которые вдохновили бы их на новые привычки. Можно использовать и более практические шаги, такие как разнообразные скидки для тех, кто заботится об окружающей среде.

В Германии когда подписываешь контракт на поставку электроэнергии, то выбираешь компанию. Среди них есть Green energy, выбрав которую ты будешь направлять свои деньги на поддержку зеленой энергетики. Однако поскольку в Германии много угольных шахт, это остается сложным вопросом, и «зеленая электроэнергия» до сих пор дороже обычной. А вот на электромобили часто есть скидки (до десяти тысяч евро), и станции для их подзарядки есть почти в каждом городе. Также призывают ездить на велосипедах, использовать общественный транспорт.

«ОСОБЕННАЯ СРЕДА»

— Вы участвовали в Lindau Nobel Laureate Meetings. Как этот опыт изменил вас?

- Lindau Nobel Laureate Meetings - это встречи с нобелевскими лауреатами, которые проводятся в немецком городе Линдау ежегодно с 1951 года. Цель – объединение нобелевских лауреатов и молодых ученых со всего мира для научного обмена между разными поколениями и культурами. В событии ежегодно принимает участие около 40 нобелевских лауреатов, и это самая большая в мире их встреча после ежегодной церемонии награждения в Стокгольме. Каждый год встреча сосредоточена на разных дисциплинах. Один год — посвящен медицине и физиологии, следующий — физике, затем — химии... Также каждые пять лет проводятся междисциплинарные встречи, включающие все науки. А еще они проводят встречи с нобелевскими лауреатами по экономическим наукам (каждые три года).

Фото с «Bavarian Dinner» на встрече в Линдау, июль 2019

Отбор молодых ученых начинается примерно за год до события, то есть в июне-июле, в результате выбирают примерно 600 участников. Такая возможность дается один раз в жизни: вернуться можно только в том случае, если ты станешь нобелевским лауреатом. Отбор содержит большое количество критериев и готовиться нужно заранее: помимо мотивации требовали от 1 до 3 рекомендательных писем (из передовых научно-исследовательских учреждений, по возможности из разных стран); резюме, где требовалось описать путь своего обучения, начиная со школы, и что именно изучал на каждом научном этапе; насколько крупными были события, в которых участвовал (съездил на конференцию, где было 20 человек или 20 тысяч). Также они просили копию школьного аттестата с отметками. А после этого высчитывали, относишься ли ты к 10% лучших студентов, исследователей того же класса (этапа обучения), которых берут на это событие.

У Линдау я была в 2019 году. Это опыт на всю жизнь – 40-50 нобелевских лауреатов в одном здании на одном событии. Такая встреча длится в течение одной недели и охватывает не только научные лекции (на сайте Lindau Nobel Laureate Meetings они изложены в свободном доступе), но и социальные встречи, например обед или прогулка с нобелевским лауреатом. Правда, эти события нужно забронировать заранее, потому что на них, как правило, ограничивают доступ (до около десяти человек). Было и еще одно интересное событие «Bavarian Dinner» (такое название, потому что городок Линдау расположен в Баварии) — когда все участники (из более чем 80 стран мира) приходили в национальных костюмах.

Что, наверное, мне больше всего запомнилось — в первый день, когда мы приехали, был ознакомительный вечер: за столами сидели нобелевские лауреаты, а между ними — студенты. Так вышло, что я сидела рядом с нобелевским лауреатом, мы с ним беседовали, и в конце встречи он мне оставил записку с пожеланием на будущее. Думаю, что он тогда был прав, и это очень полезная рекомендация. Такие советы могут изменить многое, так было и со мной. Это очень мотивирует.

В течение недели проходили не только научные лекции, но и лекции о жизненном пути нобелевских лауреатов, иногда они рассказывали о своих семьях, и это то, что меня очень мотивировало. А после этого собрания каждый участник становится выпускником (alumni) Lindau Nobel Laureate Meetings, и общение продолжается в специальном приложении, там сообщают и о новостях сообщества. Это тоже очень важно. Даже если ты побывал один раз на таких встречах, ты постоянно будешь в этой особой среде.

- Как вы приобщились к разработке Lindau guidelines?

— Lindau guidelines по открытой и глобальной науке основала профессор Элизабет Блэкберн, которая получила Нобелевскую премию по медицине и физиологии в 2009 году. Когда я была на встрече в 2019 году, нам рассказали об этой инициативе и сказали, что открывается дискуссионная стадия. Каждый выпускник Lindau Nobel Laureate Meetings имел возможность написать свои пожелания, коррективы, и я тоже участвовала в разработке этих наставлений. А в 2020 году меня пригласили стать участницей панельной дискуссии по обсуждению Lindau guidelines.

Эти наставления состоят из десяти целей, ориентированных на широкое научное сообщество и предлагают реформы на ближайшее будущее и переопределяют роль науки в современном мире. Они тоже есть онлайн, сейчас окончена дискуссионная стадия, и каждый может подписать их как декларацию. Факт подписания означает, что ты указываешь, что будешь работать по этим целям и теоретически, и практически. Говорится, в частности: сотрудничайте глобально над глобальными целями; делитесь знаниями (публикация статей в открытом доступе, а данных в репозитариях); работайте прозрачно и правдиво, общайтесь с обществом и т.д. Это только тезисы, к каждому из них есть подробные объяснения в декларации. Благодаря этим пунктам наука должна стать более глобальной, и я считаю, что эти наставления нужно популяризировать, потому что многие научные учреждения о них еще не знают. А преимуществом нобелевских лауреатов является то, что у них есть прозрачное видение будущего науки.

КОММУНИКАЦИОННЫЕ НАУКИ КАК ОТДЕЛЬНАЯ ПРОФЕССИЯ

— Можно ли считать, что эти тезисы являются нынешними трендами в науке?

— Публикация статей и данных в свободном доступе сейчас становится общепринятой практикой. Речь идет о данных, на основе которых ты готовишь научную статью; они должны быть опубликованы до выхода, чтобы читатели могли воспроизвести то, что ты сделал в своем исследовании. Этот тезис на самом деле закреплен не только в Lindau guidelines, но и в других документах или инициативах, имеющих целью сделать науку прозрачной и честной. Например, есть концепция так называемых FAIR-data – данные, соответствующие принципам Findability, Accessibility, Interoperability, Reusability (находимости, доступности, совместимости и повторного использования); при этом публикуемые метаданные баз данных должны быть организованы определенным образом, чтобы удовлетворить принципы FAIR-data. Также продолжаются дискуссии, как правильно представлять свои данные, потому что в зависимости от того, как ты ориентируешь данные на графике или какие цвета используешь, их ценность может быть разной.

Еще одним трендом является общение с обществом. В университетах и научных учреждениях возникают департаменты, занимающиеся коммуникацией. Коммуникационные науки (science communicator) – это отдельная профессия в Германии. Их задача состоит в том, чтобы объяснить информацию из научных статей способом, понятным для широкой аудитории. Проект, в котором я участвую, имеет в Берлине коммуникационный офис, где работает до пяти человек, в том числе артдизайнер. Его задачей является визуализировать и сделать интересными для широкой публики научные исследования или тезисы конференции, организованной научным центром. Часто это графический дизайнер, но рисуют о науке не только на компьютере.

На огромную конференцию (25 тысяч участников) от European Geosciences Union, которая проходит в Вене ежегодно, каждый год приглашают двух художников, которые слушают выступления и делают художественные произведения, связанные с геонауками. Когда я участвовала в этой конференции, один художник целую неделю занимался современной скульптурой, работал с деревом, металлом и т.д., а художница рисовала эмблемы сообщества European Geosciences Union. Это еще одна возможность заинтересовать большую аудиторию вопросами климата. Кроме того, на конференции проходит конкурс фотографий, связанных с геонауками. А еще был даже курс Sculpture and Research, в котором участвовало 10-15 человек. Мы послушали презентацию, а потом нам раздали по куску глины и сказали слепить то, что мы исследуем.

То есть коммуникационник может быть и художником, и ученым, у которого есть свободное время и желание популяризировать науку.

— А какие из наставлений, по вашему мнению, особенно важны для Украины, что было бы хорошо ввести?

— Во времена пандемии у каждого появилось гораздо больше возможностей, в частности участвовать в конференциях онлайн. Сейчас даже самые большие из них, с 40 тысячами участников, проходят в этом формате. Во-вторых, я считаю, что нужно усиливать сотрудничество с зарубежными научными центрами. В Германии, например, много студентов из Китая, которые приезжают за государственные средства КНР, работают на материально-технической базе научных центров в Германии, а затем возвращаются домой с опытом. Это выгодное сотрудничество для обеих сторон. В-третьих, у меня на аспирантуре в Германии был научный советчик (external mentor) из Принстонского университета (США). Мы организовывали скайп-встречи, однажды я его посещала в Принстоне. Думаю, было бы полезно, если бы практика научных советчиков из других университетов развивалась в Украине, ведь это расширяет мировоззрение.

— Вы вошли в список 30 активных молодых украинцев диаспоры, который составил Всемирный конгресс украинцев. Что значит для вас эта награда?

— Награда от Всемирного конгресса украинцев для меня мотивация и доказательство того, что то, что ты делаешь, полезно и нужно. И приятно, что обратили внимание на зарубежных украинцев. Часто смотришь телевизионные программы в Украине, а там рассказывают об украинцах, живущих в Украине и их наградах и званиях, но многие украинцы живут и за рубежом, и очень приятно, что время от времени о нас вспоминают. Также эта награда для меня ответственность за то, чем я занимаюсь, и за следующие профессиональные шаги.