Изменение климата может развиваться по неожиданному сценарию

12:01, 16 декабря 2020

Физики рассчитали, в каком случае «эффект бабочки» приведет к климатическому хаосу

По словам Дмитрия Александрова, расчеты показали, что случайные факторы могут привести к непредсказуемым последствиям. Фото: Анна Маринович.

Физики Уральского федерального университета рассчитали, как будет меняться климат под воздействием случайных факторов или шума (изменение различных параметров). В результате они получили сценарии развития, которые не имеют аналогов. Модели ситуаций ученые УрФУ и Лёвенского католического университета (Лёвен, Бельгия) опубликовали в статье в одном из авторитетнейших физических журналов Physics Reports с импакт-фактором 25.809.

«Изменение климата связано со множеством параметров — скорость таяния льдов, опреснение мирового океана и изменение его температуры, уровень углекислого и других газов в атмосфере и прочие параметры. Взаимосвязь между ними и определяет траекторию динамики климата. Но просчитать эту траекторию невозможно, так как система слишком сложная. Кроме того, существуют возмущения, которые эту систему выводят из нормального состояния, — говорит профессор кафедры теоретической и математической физики УрФУ Дмитрий Александров. — Мы ставили цель выявить, насколько сильно непредсказуемые факторы влияют на динамику климата. И как показали расчеты, стохастическое воздействие может изменить климат совершенно неожиданно. Как „эффект бабочки“, когда небольшое возмущение приводит к непредсказуемым последствиям».

Изучив детерминированные матмодели с исходными данными, ученые добавили в них стохастический фактор (критерии, которые не учитывают существующие модели) и показали, что необходимо, чтобы климат перешел от теплого состояния к холодному (например, два устойчивых равновесия, между которыми система может переключаться). Так, две двумерные модели поясняют связь между средней глобальной температурой мирового океана и массой морского льда и взаимосвязь температуры и растительности. В первом варианте случайные факторы могут создавать колебания климата и стать причиной климатического хаоса. Во втором — шум с нарастающей интенсивностью может привести к постепенному снижению средней температуры и вызвать катастрофический сдвиг климатической системы к состоянию, когда Земля из покрытой растительностью превратится в снежный ком.

«Мы выявили условия, при которых климатическая система может быть выведена из состояния равновесия в режим осцилляций с большими перепадами температуры атмосферы и площади ледников. Причем для этого необязательно дожидаться глобальной катастрофы типа падения большого метеорита. В статье описаны ситуации, когда даже малые возмущения, вызываемые, на первый взгляд, несущественными факторами — например, плотность облаков — могут сделать поведение климатической системы непредсказуемым, то есть хаотическим», — поясняет профессор кафедры теоретической и математической физики УрФУ Лев Ряшко.

Трехмерные модели учитывают состояние континентального и морского льдов, среднюю температуру мирового океана, концентрацию углекислого газа в атмосфере, массу льдов, площадь антарктического континентального ледяного щита. Кроме того, физики учитывали астрономический форсинг (параметры орбиты и наклон Земли). Расчеты по этим моделям показали, что даже небольшой случайный шум может вызвать серьезные колебания системы, после которых она перейдет от порядка к хаосу.

«Так как влияние всех переменных просчитать нельзя, мы взяли простые модели и сделали „срез“ сложной динамической картины меняющегося климата. И если новое динамическое явление есть в простой модели, то оно содержится и в более сложной системе», — поясняет Дмитрий Александров.

Отметим, результаты исследования — итог пятилетней работы по многомасштабному математическому моделированию. Проект поддержал РНФ (№ 16-11-10095). Расчеты физиков помогут составить климатические модели, учитывающие современное положение вещей и более адекватно описать состояние климата.

Справка

В работе физики сосредоточились на плейстоцене (начался около 3 млн лет назад). В это время антарктический ледяной покров уже покрывал антарктический континент, и ледовые щиты эпизодически появлялись и исчезали в северном полушарии. Накопление и таяние льда называют межледниковыми циклами. До момента перехода среднего плейстоцена (произошел между 800 тыс. — 1,2 млн лет назад) средний период ледниково-межледниковых циклов составлял примерно 100 тыс. лет.

Изменения температуры и циркуляции океанов, произошедшие на протяжении истории Земли, оставили след по всему земному шару. Например, фораминиферы — морские организмы миллиметрового размера — производят кальцитовый панцирь, на изотопный состав которого влияют как температура и соленость воды, в которой развивались фораминиферы, так и количество льда, накопившегося над континентами. Фораминиферы накапливаются в отложениях, которые извлекаются в виде глубоководных кернов, а затем анализируются с помощью масс-спектрометров. Помимо этих глубоководных данных, пузырьки газа, захваченные в ледяных покровах, образцы кальцита из сталагмитов, торфяных болот, содержащих пыльцу, и морены предоставляют свидетельства палеоклимата в различных временных масштабах. Эти измерения и наблюдения обеспечивают эмпирическую основу для реконструкции климата прошлого.

Моделирование показало, что климат меняется на протяжении всего времени. Среди прочего — для тенденции медленного охлаждения (последние 65 млн лет) характерны температурные максимумы, довольно быстрые переходы (например, переход от эоцена к кайнозою, ознаменовавший первое оледенение Антарктиды) и быстрые отклонения на удивление высоких амплитуд. Во время палеоцен-эоценового теплового максимума (около 56 млн лет назад) в атмосферу были выброшены тысячи гигатонн углерода, что вызвало скачок температуры от 5 до 8 градусов Цельсия. Выделение углерода и сопутствующее повышение температуры происходили на протяжении примерно 10–20 тыс. лет, а событие длилось около 200 тыс. лет.