Пуд соли для ледокола: как улучшить «прогноз погоды» в Арктике

«Прогноз погоды» для ледоколов не ограничивается температурой и скоростью ветра. Пресный лед гораздо прочнее соленого, и, зная опресненные участки заранее, можно построить маршрут так, чтобы сэкономить топливо и время. Особенно это актуально в восточном секторе Арктики — в море Лаптевых и Восточно-Сибирском, где области пресного льда занимают большие площади. Ученые Института океанологии им. Ширшова РАН и Московского физико-технического института (МФТИ) предложили оригинальную методику определения солености льда через соленость воды.

Соленость поверхностной воды вычисляют по данным со спутников — соизмеряют концентрацию водяного пара в приводном слое атмосферы и температуру поверхности моря или океана. Алгоритмы расчета разрабатывались для Мирового океана в целом и в первую очередь — для экваториальных и тропических широт. Вычисления сложные, отмечает младший научный сотрудник лаборатории арктической океанологии МФТИ Александр Савин, формула нелинейная. Небольшая неточность данных — и результат кардинально неверный.

«Да и в целом алгоритм плохо работает там, где низкие и температура, и соленость, — добавляет ученый. — Именно в эту категорию попадает Арктика в местах, где в моря впадают большие реки, которые создают обширные области опреснения. Поскольку практически все шельфовые воды Российской Арктики находятся под воздействием речного стока, стандартные спутниковые алгоритмы вычисляют соленость поверхности моря в этих акваториях с большими ошибками».

Исследователи, воспользовавшись возможностями искусственного интеллекта, научили компьютер высчитывать закономерность между значениями солености воды, полученными со спутника, и реальными данными из экспедиций. «Наше основное преимущество — огромная база экспедиционных измерений, то есть истинных показателей солености, — рассказывает главный научный сотрудник лаборатории арктической океанологии МФТИ, ведущий научный сотрудник Института океанологии Александр Осадчиев. — Чтобы обучить модель, мы вводим спутниковую соленость за определенную дату, загружаем реальные данные этого дня, атмосферные характеристики, и программа выводит зависимость». С новым алгоритмом можно вычислять достоверную соленость по спутниковому мониторингу.

Качественно определять соленость льда по спутниковым данным пока не удавалось никому в мире. Однако существуют развитые модели процессов нарастания льда, с помощью которых можно рассчитать его характеристики, в том числе соленость. Правильность вычислений будет сильно зависеть от достоверности показателей солености воды, из которой лед и образуется.

Метод вычисления солености льда авторства российских физиков и океанологов полностью готов для тестирования, заинтересованность в нем выразило руководство «Совкомфлота». «Надеюсь, через некоторое время мы будем делать расчеты солености почти в онлайн-­режиме, ежедневно через геоинформационную систему поставлять данные судоводителям. А капитаны при прокладке маршрута будут руководствоваться нашими картами», — говорит Александр Осадчиев.

«Это исследование — одно из многих, которые проводятся у нас в лаборатории, — комментирует заведующий лабораторией машинного обучения в науках о Земле МФТИ, старший научный сотрудник Института океанологии Михаил Криницкий. — Мы достигли успеха за счет сочетания нескольких факторов: мультидисциплинарной подготовки студентов, высокой компетентности в физике океана и в использовании искусственного интеллекта. Не последнюю роль сыграла проактивность всех участников исследования. Как я учу своих студентов и аспирантов, современная наука уже давно не удел звезд-одиночек, это область коллективных достижений».