Ученые вуза определили цикличность похолодания и потепления земного климата

10:20, 29 марта 2019

Сделать подобные выводы позволило многомасштабное математическое моделирование

Ученые провели масштабное математическое моделирование влияния арктического льда на изменение климата. Фото из личного архива Дмитрия Александрова

Колебания климата Земли от потепления к похолоданию будут происходить постоянно, и нельзя говорить о том, что климат идет к какому-то одному непрерывному состоянию. Сделать подобные выводы позволило многомасштабное математическое моделирование влияния арктического льда на изменение климата, проведенное учеными Уральского федерального университета и поддержанное Российским научным фондом (трехлетний грант № 16-11-10095).

«Динамические переходы от потепления к похолоданию происходили многократно в истории эволюции Земли, а антропогенное воздействие и ряд естественных процессов на их фоне являются внешним шумом, лишь раскачивающим „климатические качели“, — говорит профессор кафедры теоретической и математической физики Дмитрий Александров. — Поэтому правильно ставить вопрос не о том, произойдет ли глобальное похолодание или потепление, а о том, через какое время это случится».

По словам Дмитрия Александрова, результаты выполненных научных исследований демонстрируют сложную нелинейную динамику эволюции арктического льда и земного климата в целом. Колебания физических параметров, моделирующих природные процессы и деятельность человека, приводят к возникновению случайных блужданий фазовых траекторий в окрестности бассейна притяжения предельного цикла земного климата. При этом при увеличении интенсивностей шума стохастически-индуцированные отклонения становятся более значительными и обеспечивают возникновение нерегулярных колебаний от более теплого к более холодному состояниям и обратно.

«С физической точки зрения индуцированное шумом увеличение температуры ответственно за наблюдаемое потепление земного климата, — говорит Дмитрий Александров. — Такое потепление сопровождается повышением уровня парниковых газов в земной атмосфере, приводит к росту температуры, интенсивному таянию льда в Гренландии и Антарктиде, сильному притоку пресной воды в мировой океан и повышению его уровня. Однако, как демонстрируют данные проведенного математического моделирования, локальный рост температуры резко сменяется ее падением, причем до существенно более низких по абсолютному значению величин».

Физически это объясняется нарушением общей циркуляции мирового океана. Так, например, одной из важнейших циркуляций является циркуляция воды от экватора к полюсам и обратно: у полюсов более соленая и холодная вода движется по океаническому дну в направлении экватора, где она нагревается, поднимается и идет в обратном направлении (к полюсам) вдоль поверхности океана. Однако большой приток пресной воды в мировой океан из-за масштабного таяния льда нарушает устоявшиеся циркуляции из-за меньшей плотности талой воды по сравнению с соленой морской водой. Этот механизм приводит к ослаблению поверхностных потоков теплой воды от экватора к полюсам и, в частности, к существенному ослаблению Гольфстрима, что в настоящее время зафиксировано экспериментально. Последнее сразу влечет за собой существенное похолодание в Северной Америке и Европе, а затем ведет и к похолоданию земного климата в целом и возникновению прямой угрозы существованию животных и человека на планете.

«Поскольку изменения климата имеют нерегулярный колебательный характер, похолодание затем сменится потеплением, осцилляции климата повторятся снова и снова, — отмечает Дмитрий Александров. — Поэтому климатическое потепление является механизмом, запускающим глобальное похолодание».

Для формулировки более детальных прогнозов на основе данных математического моделирования необходим учет ряда принципиально важных дополнительных факторов, влияющих на таяние льдов и динамику земного климата: колебания солнечной активности, влажность, функцию человеческой активности (работа промышленных предприятий, вырубка лесов и т. д.), опустынивание. Также необходим правильный учет влияния астрономического форсинга (изменения наклона земной оси и формы земной орбиты с течением времени).

«В целом математическое моделирование палеоклимата способно определить его эволюционное поведение, — сообщает Дмитрий Александров. — Для успешного моделирования и прогнозирования нелинейной климатической динамики необходимо учесть колебания большего количества прогностических переменных, отражающих наиболее важные физические процессы и явления природы, а вариации остальных параметров, изменяющихся менее сильно, учесть в качестве внешних шумов. Таким образом, приближенная к реальности модель климатической динамики становится стохастической, а эволюция палеоклимата в значительной степени определяется индуцированными шумом переходами между бассейнами притяжения климатических аттракторов».