В декабре минувшего года Владислав Свозилик из Остравского технического университета (VŠB-TUO), который долгое время работает в ОИЯИ, защитил кандидатскую диссертацию на тему «Верификация результатов математического моделирования загрязнения атмосферы». Его научным руководителем был Петр Янчик (VŠB-TUO), который в Дубне проводит исследования в области мониторинга и моделирования загрязнения атмосферы. О том, насколько за последнее время продвинулись исследования в этой области и каковы их перспективы с учеными побеседовал Ян Махонин.

ЯМ: Что, собственно говоря, представляет собой верификация результатов математического моделирования загрязнения воздуха?

ПЯ: Распространение загрязняющих веществ в атмосфере, т.е. взаимосвязь между источниками загрязнения и состоянием атмосферного воздуха в определенном регионе, мы моделируем уже давно. По мере появления более производительной вычислительной техники и алгоритмов ее оптимального использования мы расширяем наши модели вплоть до охвата территории, равной по площади Чешской Республике. После калибровки результатов моделирований на результаты системы мониторинга загрязнения воздуха, модели получаются достаточно точными. Однако мы хотели проверить их каким-нибудь другим способом и решили остановиться на специализированных технологиях мониторинга. Для этого мы воспользовались беспилотным летательным аппаратом, а именно аэростатом, способным непрерывно замерять уровень загрязнения воздуха. Еще одной технологией, которую мы использовали, был биомониторинг на основе анализа мхов.

ВС: Если можно, я уточню: моя диссертация посвящена верификации Аналитической суперкомпьютерной системы дисперсионного моделирования (ADMoSS), предназначенной для моделирования атмосферного загрязнения. Модель, изначально разработанная для персонального компьютера, была применена на вычислительных кластерах (суперкомпьютерах) и значительно автоматизирована. Мы постоянно совершенствуем и оптимизируем систему в целом. В настоящее время мы можем детально моделировать большие территории, и ограничивающим фактором в этом случае является доступность качественных данных. «Сердце» ADMoSS – это гауссовская модель SYMOS’97, разработанная в Чешском гидрометеорологическом институте. Мы никогда не владеем полной информацией обо всех выбросов из всевозможных источников в моделируемой области, и поэтому модель SYMOS’97 выдает, как правило, заниженные показатели. В связи с этим результаты моделирования должны быть откалиброваны с учетом мониторинга выбросов загрязняющих веществ. Проблема такого подхода заключается в том, что данные мониторинга выбросов являются составной частью математического моделирования и их нельзя просто взять и применить для верификации результатов самого моделирования. Таким образом, я ставил перед собой задачу изучить возможности верификации результатов ADMoSS с помощью альтернативных методов мониторинга. В моей работе я сосредоточился на чешско-польско-словацких пограничных территориях, однако разработанные методы можно использовать практически для любой точки мира.

ЯМ: Какими альтернативными технологиями мониторинга вы пользовались для проверки системы ADMoSS?

ВС: Верификация была проведена с учетом результатов двух специальных методов мониторинга. Первый из них – это замеры загрязнения воздуха посредством беспилотного аэростата (дирижабл), а второй – биомониторинг состояния атмосферы с помощью мхов. Первый подход оказался неэффективным, поскольку результаты моделирования включают в себя долгосрочную ситуацию на обширной территории, в то время как аэроизмерения загрязнения воздуха этого не позволяют. Этот метод больше подходит для анализа вертикального состава загрязнения и для измерения динамических явлений, таких как, например, распространение отдельных дымовых шлейфов при специфических метеорологических условиях, ресуспендирование пыли посредством конвективных потоков и иных явлений, плохо поддающихся анализу с применением математического моделирования. Биомониторинг с помощью мхов, напротив, отражает долгосрочную ситуацию в изучаемой области. Благодаря биомониторингу в некоторых местах были обнаружены повышенные концентрации элементов, которые связаны с металлургическими производствами, добычей и сжиганием твердого топлива и хорошо соотносятся с результатами математического моделирования.

ПЯ: В первую очередь мы хотели проверить, насколько эти модели соответствуют показателям, полученным путем измерений в вертикальном срезе – при помощи вышеупомянутого аэростата и дополнительного биомониторинга. Нас интересовали не столько какие-то абсолютные значения долгосрочного загрязнения воздуха, установить их подобными методами невозможно, а прежде всего состав загрязнения: где атмосфера загрязнена больше, где меньше и какова причина этого. Соответствуют ли эти данные тому, что показывает модель. В итоге подтвердилось, что анализ и доли отдельных групп источников, в сущности, верны.

ЯМ: Не могли бы вы рассказать поподробнее о биомониторинге с помощью мхов? Какую роль в ваших исследованиях сыграл ОИЯИ?

ПЯ: Взятие проб, или же сбор мха, проводилось в сотрудничестве с нашими дубненскими коллегами из ОИЯИ, участвующими в проекте «ICP Vegetation», к которому мы также подключились. Это проект ООН, направленный на исследование загрязнения атмосферного воздуха, в первую очередь, тяжелыми металлами в Европе и далее на восток. От нашего института в проекте активно участвует доцент Марина Фронтасьева, которая долгое время занимала пост начальника Сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка (ЛНФ). Этот метод заключается в том, что четко заданным способом собираются мхи специфического вида (чтобы результаты, полученные в разных частях мира, поддавались сравнению). Затем с помощью нейтронного активационного анализа устанавливается, какие элементы содержатся в данных образцах мха. Как правило, такой метод используется для очень больших территорий на уровне государств и континентов. Мы провели подробные исследования в региональном масштабе, ставя перед собой задачу идентифицировать конкретные источники загрязнений. До определенной меры нам это удалось.

Подробнее об участии ОИЯИ в проекте «ICP Vegetation»

ВС: Загрязнение воздуха – комплексное явление. Я хотел бы подчеркнуть, что к исследованиям было привлечено несколько ведущих научных центров из Чехии, Польши, Словакии и России. В рамках ОИЯИ я сотрудничал, в первую очередь, с коллегами из Сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка, а в рамках Лаборатории информационных технологий – с группой ученых, занимающихся эксплуатацией суперкомпьютера, который мы используем при моделировании. Моя работа мультидисциплинарная, т.е. предполагает, что я должен хорошо знать весь процесс в целом, поэтому я участвовал во всех видах деятельности, включая полевые и лабораторные работы. Однако центральная часть моей работы заключалась в обработке пространственных данных, полученных в результате нейтронного активационного анализа. На основе этих данных удалось получить информацию о концентрации отдельных элементов во мху на исследуемой территории. Далее путем пространственного анализа и статистических методов было проведено сравнение с результатами математического моделирования.

ПЯ: Необходимо понимать, что в регионе было порядка сотни мест, где с помощью нейтронного активационного анализа исследовались мхи, которые могут содержать около сорока элементов. Так было сформировано «облако данных» – результаты анализа сотен образцов с комбинациями элементов, характеризующимися как наличием некоторых элементов, так и их отсутствием, или же их различными концентрациями в образцах мхов. Нам нужно было провести статистическую и пространственную обработку этих данных. Нам нужно было провести статистическую и пространственную обработку этих данных. В итоге на определенных территориях были выявлены кластеры, на основании чего стало ясно, что эти комбинации элементов, вероятно, связаны с производителями некоторых загрязняющих веществ – промышленными комплексами, локальными топливо-сжигающими установками или транспортом. Данные, которые мы получили этим способом, были использованы, помимо прочего, в международных проектах «AIR BORDER», «AIR TRITIA» и «AIR PROGRES CZECHO-SLOVAKIA».

ЯМ: Какое применение может получить такое моделирование в будущем?

ПЯ: В настоящее время модели служат для того, чтобы любой человек мог увидеть причины и потенциальные перспективы загрязнения в регионе Tritia (пограничный регион между Чехией, Польшей и Словакией). На их основе в рамках международного проекта Interreg Central Europe AIR TRITIA мы создали Cистему менеджмента качества атмосферного воздуха (https://aqms.vsb.cz).

В дальнейшем мы бы хотели посмотреть, как распределялись по территории случаи заболевания вирусом COVID-19 (течение болезни и смертность) и как это может быть связано с загрязнением воздуха. В работе над всеми нашими проектами мы, как правило, сотрудничали с гигиенистами и эпидемиологами, которые оценивали уровень заболеваемости и течение респираторных заболеваний во взаимосвязи с атмосферным загрязнением. Эта зависимость всегда прослеживалась. Мы не раз проверяли свои результаты на самом распространенном респираторном заболевании – гриппе, при котором также встречаются случаи тяжелого течения болезни и смертности. Однако мы сталкивались с тем, что данные о заболеваемости и тяжести течения болезни не всегда были доступны в достаточно подробной форме. Теперь в нашем распоряжении будет огромное количество подробных данных о пандемии такого типа заболевания. Существует гипотеза о взаимосвязи более тяжелого течения болезни с загрязненностью воздуха. Тем не менее необходимо принимать во внимание тот факт, что вследствие пандемии также снизилась доля влияния экономики и транспорта на загрязнение воздуха, и это мы должны проверить на данных. Для таких задач прекрасно подходят используемые нами геоинформационные технологии и модели. Если сложить воедино эти модели с моделями распределения тяжелых случаев заболевания COVID-19 и отсеять с помощью фильтров прочие факторы, например, специфическую динамику распространения заболевания на определенной территории, в итоге мы получим зависимость более тяжелого протекания заболевания от загрязненности воздуха. Работать над этим будет очень интересно с точки зрения математики и информатики.

ВС: Если решить проблему с загрязнением воздуха, мы перестанем сталкиваться и с его негативными последствиями. Таким образом, я бы уделил внимание совершенствованию мониторинга и моделирования. Стандартное моделирование в огромном числе прикладных программ – это излишне «датаемкий» процесс, требующий больших вычислительных мощностей. Мы стремимся развивать методы, позволяющие получать те же результаты с помощью сенсорных сетей, прогрессивных методов анализа данных и нейронных сетей. Но при этом я не хочу списывать со счетов стандартное моделирование. Современные мощные компьютеры, такие как суперкомпьютер «Говорун» (ЛИТ ОИЯИ), способны производить гораздо более точные и детальные вычисления, чем это было возможно раньше. И в этом направлении наши ожидания связаны с применением более сложных с вычислительной точки зрения и более точных процессов.

ЯМ: Как такие исследования могут повлиять на наше поведение в будущем?

ПЯ: В области Tritia, которую мы изучаем, загрязненность атмосферного воздуха приводит к увеличению смертности на 2000 случаев в год. В прошлом году из-за коронавируса в этом регионе умерло примерно на десять тысяч человек больше. Хотя это и очень много, но порядок цифр не слишком отличается от смертности вследствие загрязнения воздуха каждый год в течение десятилетий. И люди это знают, но при этом не борются с загрязнением атмосферы столь же самоотверженно, как они боролись и продолжают бороться с вирусом COVID-19. Установленная взаимосвязь между этими данными может сыграть важную роль в осознании той опасности, которую может представлять для нас загрязнение воздуха. Все модели, создаваемые нами в рамках проекта «AIR TRITIA», нацелены на будущее. Так с помощью моделей мы можем предсказать, какое влияние на здоровье людей окажет гипотетическое снижение или увеличение выбросов со стороны источников загрязнения. И с помощью методов, разработанных Владиславом в его диссертации, мы можем верифицировать и эти расчеты. Меры, которые мы предлагаем, запланированы нами вплоть до 2040 года, и мы можем наблюдать, как это соответствует тому, что происходит в реальности.

ЯМ: Защита диссертации проходила дистанционно. Каковы ваши впечатления?

ВС: Защита состоялась на базе Остравского технического университета. Трое иностранных оппонентов, которые не смогли приехать из-за сложной эпидемиологической обстановки, и четверо членов комиссии принимали участие в процедуре защиты через телемост Острава – Дубна – Краков.

ПЯ: Для меня защита диссертации в режиме онлайн стала очень интересным опытом. Некоторые, в том числе Владислав Свозилик, присутствовали в аудитории Горно-металлургического института, а оппоненты и другие члены комиссии участвовали в процедуре дистанционно, находясь при этом в России или Польше. И это работало! Атмосфера была приятная.

Ян Махонин
Фото из архива В. Свозилика