Карлос Мадрид - Мир математики. т.32. Бабочка и ураган. Теория хаоса и глобальное потепление

• Название: Мир математики. т.32. Бабочка и ураган. Теория хаоса и глобальное потепление
• Автор: Карлос Мадрид
• Издательство: «Де Агостини»
• Жанр: Математика
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-9774-0682-6; 978-5-9774-0727-4 (т.32)

Хаос буквально окружает нас. Солнечная система, популяции животных, атмосферные вихри, химические реакции, сигналы головного мозга и финансовые рынки — вот лишь некоторые примеры хаотических систем. Но по-настоящему удивительно то, что хаотическими могут быть простые системы, например двойной маятник. Очередной том из серии «Мир математики» рассказывает о хаосе, то есть о беспорядочном и непредсказуемом поведении некоторых динамических систем, а также о связи теории хаоса с глобальным изменением климата. Эта книга наверняка поможет читателю почувствовать очарование хаоса.

---

* * *

Климатологи, признавая, что изменчивость — одна из неотъемлемых характеристик средней мировой температуры и земного климата в целом, пытаются объяснить недавнее глобальное похолодание, анализируя данные о погоде за последнюю тысячу лет. Если мы поймем, действительно ли повышение средней мировой температуры почти на целый градус за последние сто лет является аномальным, то, вероятно, сможем определить и устранить его причины.

Следовательно, нужно не ограничиваться изучением земного климата на сегодняшний день, а изучить историю климата Земли. К примеру, в последнем тысячелетии нынешнему периоду потепления предшествовал Малый ледниковый период, вызванный минимумом солнечной активности и повышенной вулканической активностью. Малый ледниковый период длился с XV по середину XIX века, положив конец Средневековому климатическому оптимуму — аномально теплому периоду, совпавшему с максимумом солнечной активности (в это время поверхность Солнца была буквально усеяна пятнами).

Кроме того, в разные периоды геологической истории нашей планеты средняя температура колебалась так же, как и сегодня, о чем свидетельствуют исследования в сфере палеоклиматологии. Причины, по которым в прошлом наблюдалось потепление или похолодание, до конца не известны, поскольку на климат влияет множество факторов: солнечная активность и ее циклы, извержения вулканов, океанские течения, парниковый эффект и так далее. Совокупность этих факторов позволяет оценить степень ограниченности наших знаний.

* * *

СОЛНЕЧНЫЕ ПЯТНА

Солнечные пятна, открытые в XVII веке Галилеем и членом ордена иезуитов Кристофом Шейнером, представляют собой участки поверхности Солнца с более низкой температурой, обладающие сильным магнитным полем. Солнечные пятна кажутся темными на контрасте с соседними участками поверхности. Чем больше пятен на Солнце, тем выше солнечная активность, так как области вблизи пятен светятся намного ярче.

* * *

Инструментальные наблюдения за погодой ведутся сравнительно недавно (старейшие данные о температуре воздуха относятся к 1850-м годам), и для анализа изменений климата необходимо использовать косвенные данные, то есть данные о климате, полученные из других источников, к примеру путем определения возраста различных слоев озерных отложений, анализа пузырьков воздуха в древних льдах или изучения годичных колец деревьев. Основная проблема заключается в том, что результаты, полученные на основе косвенных данных, необязательно будут точными и надежными, что стало очевидным в ходе широко известной дискуссии вокруг модели Майкла Манна, получившей название «хоккейная клюшка».

В 2001 году ООН и Межправительственная группа экспертов по изменению климата приняли решение использовать модель Манна в качестве основной (в последнем докладе на тему изменения климата, опубликованном в 2007 году, приводится уже спрямленный график). В 1998 году климатолог Майкл Манн опубликовал в престижном научном журнале Nature статью, где привел знаменитый график в форме хоккейной клюшки, который предположительно отражал изменение средней мировой температуры за последнюю тысячу лет. График Манна был составлен по результатам анализа годичных колец определенного вида сосен. В модели Манна отсутствовали Малый ледниковый период и Средневековый теплый период и выделялся лишь температурный пик XX века. Казалось, что в течение последнего тысячелетия, помимо потепления в XX веке, не произошло никаких значимых изменений.

График изменения средней мировой температуры — «хоккейная клюшка» Манна.

Различные группы исследователей опубликовали важные работы, в которых выступили с критикой этой модели. Двое из них, математик Стивен Макинтайр и экономист Росс Маккитрик, обнаружили в работе Манна многочисленные ошибки. На основе тех же данных, что использовал Манн, Макинтайр и Маккитрик получили совершенно иные результаты. Они обнаружили, что Манн и его коллеги применили удивительную формулу, в которой вне зависимости от входных данных выходное значение всегда описывалось графиком в форме хоккейной клюшки. Иными словами, при статистическом анализе данных Манн недооценил множество колебаний температуры. В исправленной версии расчетов различие между современными значениями средней мировой температуры и температуры во время Средневекового климатического оптимума оказалось уже не столь заметным.

Различные модели, описывающие изменение мировой температуры за последние две тысячи лет (обратите внимание на пики, соответствующие Средневековому теплому периоду, Малому ледниковому периоду и нашим дням).

Что мы знаем о корреляции между температурой и концентрацией СО2?

В 1896 году шведский ученый Сванте Август Аррениус опубликовал статью под названием «О влиянии углекислого газа в воздухе на температуру поверхности Земли», в которой отметил наличие прямой зависимости между изменением температуры и уровнем СО2. Позднее это явление стало называться парниковым эффектом, хотя первым аналогию с парником провел еще Жан-Батист Жозеф Фурье в 1824 году.

Углекислый газ, или двуокись углерода (СО2), служит причиной парникового эффекта, так как удерживает часть энергии, которую излучает нагретая поверхность Земли, и, как следствие, воссоздает эффект, наблюдаемый в обычном парнике. В результате температура заметно повышается. Основным парниковым газом является не СО2, а (внимание!) водяной пар, действием которого объясняется 60 % парникового эффекта. Нужно различать естественный парниковый эффект, благодаря которому Земля стала обитаемой (температура на ней возросла с —18 °С, при которых жизнь невозможна, до 33 °С), и искусственный парниковый эффект, вызываемый человеком в результате выбросов в атмосферу СО2, метана, оксида азота и других газов. Доказано, что с начала промышленной революции человек загрязняет атмосферу и изменяет ее химический состав.

Тепловая электростанция в Баттерси (Лондон), ставшая всемирно известной после того, как была изображена на обложке альбома «Animals» группы Pink Floyd.

Однако климат подчиняется куда более сложным законам. Нельзя сказать, что повышение концентрации С02 однозначно ведет к увеличению температуры. Изменение концентрации СО2, вызванное деятельностью человека и различными природными факторами, едва ли объясняет повышение температуры с 1920 по 1940 год, когда концентрация углекислого газа в атмосфере была невысока, и тем более не объясняет похолодание, наблюдавшееся с 1940 по 1975 год, когда произошел значительный рост выбросов парниковых газов, вызванный человеком. И действительно, палеоклиматические исследования показывают, что температура не зависит напрямую от уровня СО2 в атмосфере: в некоторых моделях температурные пики наблюдаются примерно за 800 лет до пиковых уровней концентрации СО2.

Таким образом, помимо парниковых газов, рост средней температуры объясняется и другими факторами, как природными (например, солнечной активностью), так и антропогенными: урбанизация и изменения в сельском хозяйстве, приводящие к выделению тепла, — лишь два из множества примеров влияния человека на климат, которые традиционно недооцениваются, но могут отчасти объяснить наблюдаемое потепление. Охлаждение планеты вызвано как природными факторами, в частности вулканической активностью, так и влиянием человека. Один из этих факторов — наблюдаемое с 1950-х годов так называемое глобальное затемнение, которое заключается в постепенном снижении объема излучения Солнца, достигающего земной поверхности. Считается, что глобальное затемнение вызвано ростом содержания частиц угля и сульфатов в атмосфере в результате деятельности человека, главным образом ввиду использования двигателей внутреннего сгорания и воздушного транспорта.

Цель математических моделей и графиков, которые строят климатологи, — это совокупная оценка вышеперечисленных факторов и влияния (как положительного, так и отрицательного), которое они оказывают на изменение средней мировой температуры. Климатические модели, в которых учитываются только природные факторы, не воспроизводят наблюдаемый рост средней мировой температуры. Напротив, потепление, наблюдаемое в последние 35 лет, можно с успехом объяснить, если принять во внимание факторы, связанные с деятельностью человека. Таким образом, научное сообщество склоняется к тому, что извержения вулканов и рост концентрации сульфатов в атмосфере вызывают снижение температуры на планете, а парниковые газы и рост солнечной активности — ее увеличение. Совокупность всех этих факторов объясняет рост средней мировой температуры на 0,74 °С.