Новости физики

Новости науки 14.01.02. Роль случайности в закономерности изменений климата.

Погода - вечная тема для разговоров, а метеорологи - вечная мишень для издевок. Тем не менее, человечество ждет от ученых ответа на вопрос, грядут ли резкие изменения климата и чем они могут быть вызваны. Существующие модели еще недостаточно совершенны, однако они уже позволяют в общих чертах описать механизмы, вызывающие резкие изменения климата.

Рис.1. Изменение средней температуры в районе Гренландии (правая шкала, K), оцененное по данным о временной эволюции содержания ¹⁸O в льдах Гренландии (левая шкала, промилле).

Палеоклиматические исследования дают основания утверждать, что в прошлом, в том числе и в совсем недавнем - в масштабах истории Земли - достаточно часто происходили резкие изменения климата. В частности, в ледниковом периоде неоднократно случались резкие потепления - периоды продолжительностью несколько сотен лет, когда средняя температура увеличивалась на несколько градусов. О подобном поведении климата в Северной Атлантике свидетельствуют исследования образцов льда из ледников Гренландии (рис.1). Из рисунка видно, что (за исключением последних десяти тысяч лет) в течении ста тысяч лет довольно часто происходили быстрые ощутимые повышения температуры. В чем же причина такой нестабильности климата, вызваны ли его изменения случайными или периодическими процессами? Ответ на этот вопрос пытаются дать немецкие ученые [2].

Ученые из Потсдама разработали модель взаимодействия океана с атмосферой, учитывающую уровень солнечного освещения, содержание CO₂ в атмосфере, расположение континентальных льдов и т.д. Для условий ледникового периода моделирование показывает, что циркуляция воды в Атлантическом океане могло происходить в устойчивом и слабо неустойчивом режимах (основное и возбужденное состояние системы, соответственно). Переключения между этими состояниями вызывались по предположению ученых изменением солености морской воды в Северной Атлантике, связанном с увеличением или уменьшением притока пресной воды (= количество выпадающих осадков плюс приток речной воды минус испарение) в океан. Если уменьшение притока пресной воды превышало порог чувствительности системы, происходила смена режима циркуляции воды в Атлантике - начиналась конвекция в северных морях и происходило продвижение теплых океанических течений в эту область (рис.2), что вызывало повышение средней температуры на несколько градусов. Период потепления продолжался несколько сотен лет, после чего происходило быстрое понижение температуры и система возвращалась в основное состояние.

Рис.2. Схематическое изображение двух состояний климата ледникового периода; внизу - основное (холодное) состояние; вверху - возбужденное состояние (потепление). Контуры на верхнем рисунке показывают изменение температуры воздуха у поверхности Земли относительно основной стадии (в кельвинах). Поверхностное океаническое течение показано красным, глубоководное - голубым.

Исследователи предположили сначала, что изменение притока пресной воды - случайный процесс. При моделировании под влиянием флуктуаций притока пресной воды действительно наблюдались переходы системы в возбужденное состояние (потепления), в котором она находилась несколько сотен лет, однако распределение длительности интервала между двумя последовательными потеплениями не совпадало с палеоклиматическими данными. Гораздо лучше удавалось описывать поведение климата в предположении, что на флуктуации накладывается слабая периодическая модуляция притока пресной воды с периодом 1500 лет. Хотя само по себе слабое циклическое изменение не способно вызвать перехода системы из основного состояния в возбужденное, однако вероятность того, что флуктуации вызовут такое изменение увеличивается, когда приток воды достигает минимума. Явления, когда при превышении определенного порогового уровня воздействия система переходит из одного состояния в другое, встречаются достаточно часто. Если подобный переход происходит под влиянием достаточно сильного шума, накладывающегося на слабый периодический сигнал, то такое явление называется стохастическим резонансом. Остается не до конца ясным вопрос о том, какова природа периодичности изменения притока пресной воды. Ученые полагают, что скорее всего причина кроется в изменении солнечной активности.

Применительно к сегодняшним условиям моделирование дает достаточно близкий к реальности климат, при этом никаких резких изменений температуры не происходит; система имеет два стабильных состояния и не чувствительна к вышеописанным воздействиям. Вывод утешительный, хотя нужно понимать, что эта модель (как и другие) несовершенна и не учитывает влияние человеческой деятельности на климат.

1. R.B.Alley, S.Anandakrishnan, and P.Jung. Paleoceanography, v.16, 190 (2001).

2. Andrey Ganopolski and Stefan Rahmstorf. Phys.Rev.Lett. v.88, 038501 (2002).